灌溉方法及系统 【技术领域】
一般来说，本发明属于灌溉领域，更具体地说，它涉及一种通过冷凝而进行灌溉的方法及系统。
背景技术
灌溉永远都需要淡水，但在缺乏淡水资源的偏远乡村地区会出现一些特殊的问题，在这些地区通过管道供水比较昂贵，这是由于极远的距离需要足够长的管线以及泵站等所需的电能。
为这一目的提供了各种方案，例如海水淡化、蓄积洪水、开采地下水等。但是，这些供应灌溉用水的方法具有一个或多个缺点，例如所提供的水水质差不适于灌溉、成本高且效率低、设备磨损大、依赖于降雨、等。
其他方案包括从气团中回收水分，通常是用各种冷凝方法。这些方案通常成本高且效率不可靠。一些特殊的例子在沿海地区附近提供了有限的方案，其特征在于可以泵送温度极低的深海水，通过冷凝回收淡水。
关于从潮湿的空气中回收淡水的一些现有技术专利如美国专利661944、3498077、3675442和4459177。
美国专利1442367、3890740、4577435和6148559都涉及预发芽(prebudding)控制方法和装置，它通过支配农作物的生长温度来实现这一控制。
本发明的目的在于提供一种灌溉系统，它通过在管子上进行冷凝而从土壤或空气所含的水分中回收水，管子埋藏在土壤中或铺在地上，当管子埋藏在土壤中时，管子的埋藏深度与农作物的根部的深度相对应，术语“地表附近”用于表示把管道系统铺在地表上和/或地表下，正如上面所表示的那样。
术语“地下”用于表示管道被接收在适于农作物生长地任何介质中，其中管子被接收在所述介质中。如果是土壤，埋藏这一术语也可以理解为“在土中”，这取决于上下文。在说明书和权利要求书中，术语“土地”和“土壤”均用于表示生长介质，可以互换。
【发明内容】
根据本发明的第一方面，提供了一种灌溉系统，它包括一个赋能冷却系统，用于将一种液体冷却到低于地温的温度；放置在地表之上或地表稍下方的闭合回路，以及一个赋能液体循环装置，用于使所述液体在系统内进行循环，从而驱动冷却后的液体穿过管道。该系统通过在管道上进行冷凝而从环境(空气和土壤)中提取出水分，以供管道附近的农作物生长所需。根据本发明的一个实施例，管道的主体部分可以放在地上。
术语“闭合回路”表示基本上没有液体损失到环境中去的系统。
为了提高总的热效率，该系统的一个或多个组件被埋藏在地下，以减少白天炎热时段内的热损失。在某些情况下，提供附加的冷却系统以提高系统的性能可能是有利的。
典型的冷却系统包括用于冷却液体的换热器。
该系统可以是所谓的独立灌溉系统，或者它可以作为一个共存系统而与传统的灌溉系统一起使用，其中每一个系统都可以有选择地使用。
液体循环装置和冷却系统可以由多种能源赋能，例如太阳能、风能、电能(主要能源，发电机等)、水能、生物质能和天然冷水源。
为了增加通过冷凝而回收的液体的量，管道可以是惰性的，与具有圆形横截面的管子相比，它具有增加的截面积。通过形成具有凹陷或锯齿状外表面的管道，可以增加管道与地接触的有效表面。
典型的控制系统通过调节液体温度，用于保持基本恒定的ΔT，其中：
ΔT＝Tg-Tf
Tg＝管道附近土地温度的测量值；
Tf＝在管道内流动的液体的温度，这里Tf＞0。
控制系统也用来控制灌溉系统的流动参数和操作模式，例如，为了回收最大量的冷凝液体，判断土壤或周围空气在白天不同时段的湿度，确定系统中的液体的温度最低的时段等。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于地下灌溉的方法，根据该方法，在低于地温的温度下驱动一种液体穿过埋藏在地表下的封闭管道系统，这样使液体在管道表面冷凝，以供管道附近的农作物生长所需。
根据本发明的灌溉方法，管道被连接到液体存储器、循环装置和用于冷却液体的冷却系统上。
根据本发明的另一方面，灌溉系统包括一个闭合回路的管道系统，其至少一部分是在地表之上或地表稍下方延伸的冷凝段，至少其另一部分是埋藏在冷却地区地下的冷却收集段；所述的闭合回路管道容纳有液体，液体由沿管道系统安装的循环系统驱动；因此所述液体通过在冷却地区换热被冷却，然后流到冷凝段，附近的水分在这里通过冷凝在冷凝段的表面上而被提取出来，以供农作物生长所需。
这里所用的术语“冷却地区”在说明书中是指尽管深度下降但平均土壤温度基本保持恒定的地下深度。这一区域在温差较小的深度处。根据本申请的方案，冷却收集段的液体被大大冷于周围空气温度的土壤冷却，且当冷却后的液体到达冷凝段时，就从环境中吸取水分，然后供农作物生长所需。
根据本发明的系统的一个优点在于在冷凝段内流动的冷却液体对庄稼本身有正面影响。在冬天更是如此，万一地上有霜，由于冷却地区的温度保持高于凝固点，因此在系统内流动的液体不会冷凝，因此在冷凝段流动的液体可以防止霜及其对农作物的损害。
根据本发明的另一方面，灌溉系统包括一个形成的管道系统，它有至少一个在地表之上或地表稍下方延伸的冷凝段，在冷却地区的地下水存储器内延伸的冷却收集段，以及一个从所述冷凝段到存储器延伸的返回段；其中沿管道系统安装的循环系统将所述存储器内的水泵出并驱动其在所述冷凝段内流动，然后所述水通过返回段返回到所述存储器；因此附近的水分在这里通过冷凝在冷凝段的表面上而被提取出来，以供农作物生长所需。
在环境相对湿度低的地区，冷却系统可以与灌溉系统配合，从而降低管道系统内的液体的温度，以提高冷凝性能。
典型地，和灌溉系统一起提供了一个控制系统，用于确定合适的点温度，它是在冷凝段内流动的冷却液体必须达到的温度和水分在管道壁上形成时冷凝段周围的环境温度。
在管道内流动的液体基本上是恒压。
根据本发明的一个实施例的灌溉系统包括几个冷凝段和几个冷却收集段；所述冷却收集段被安置在不同的深度内，因此减小了相邻段之间的传热干扰。
【附图说明】
为了更好地理解本发明，并且为了举例说明它实际上是如何实现的，下面将参照附图说明本发明，其中：
图1是本发明的第一实施例的示意图；
图2根据本发明的另一实施例的示意图；
图3A和3B是和本发明的系统一起使用的管子的不同实施例的截面；
图4A是根据本发明的改进的灌溉系统的示意性的等角视图；
图4B是图4A中所看到的实施例的侧视图；
图5A是根据本发明的灌溉系统的又一实施例的等角视图；
图5B是图5A的侧视图；
图6是示意性的等角视图，解释了根据本发明的实施例的灌溉系统，其中冷却收集段上安装有换热器；
图7是安装有中心控制单元的灌溉系统的示意图。
【具体实施方式】
首先看图1，它图示说明了灌溉系统10，其中具有入口端14和出口端16的管道12的闭合回路被埋在地表之下，例如深度约为5-20cm。管道埋藏的实际深度应该与各农作物根部的深度相对应。但是不难理解，管道可以铺在地表之上。正如已经提到的那样，土地也可以是任何类型的土壤层，其中管道被接收在土壤层之中。根据本发明的改进，管道可以铺在地表之上(未给出)。
入口14连接到冷却系统22上，而出口16连接到循环泵送装置26上。在本例子中，冷却系统22和泵送系统26被接收在带有风力电源系统30的公用外壳(common housing)28中，风力电源系统30既为冷却系统22又为循环泵26赋能。但是不难理解，冷却系统22和循环泵26中的每一个根据本例都可以位于带有公用赋能系统的该设备的任何位置，或分开放置。
管道12可以由普通的塑料或任何其他材料制成，这些材料本身已知能提供增加的冷凝作用。管道通常被埋在与种植在现场的各农作物的根部深度相对应的深度。为了提高冷凝作用，通过提供具有增加的管壁(sheath)面积且横截面上形成有多个轴向突起34(图3A)的管道33或形成有多个轴向凹陷36(图3B)的管道35，可以增加管道与土壤的接触面积。
当流体(通常是水之类的液体)在冷却系统22中被冷却，然后又通过循环泵26(如果需要，可以在系统中安装多个循环泵)在管道12中循环时，在土壤和管道42管壁之间逐渐形成热量梯度，导致管道周围产生冷凝，因此管道附近的土壤中的湿气被转化成可供植物38根部消耗的液体。
人们已知道，冷水农业生产出生长迅速的作物以及产量高且糖和芳烃含量高的水果和蔬菜。
现在看图2，它图示说明了前一个实施例的改进，其中管道42如前一个实施例中所示的那样被埋在地表之下，其中管道42的第一入口46被连接到带有第二入口55的第一冷却系统50上，出口56被连接到位于被灌溉的田地的远端或任何合适的位置上的第二冷却系统57上，因此提高了系统的热效率。泵送单元60被并入到与第一冷却系统50相同的外壳之中，因此太阳能板64和66供应所需的电能，分别为冷却系统和循环泵赋能。
从图2的实施例中还可以看出有一个控制单元70，这是一个示意图，它包括接收输入信号的各种控制设备，这些输入信号例如包括管道42内液体的温度、冷却系统50和54的入口和出口温度、管道附近的土壤温度、土壤的相对湿度、降水(雨、露、等)。根据接收到的数据，控制单元70发出操作信号，以操作或停止系统的操作、泵送速度、冷却系统出口处的液体温度等。
现在看图4A和4B，它们图示说明了根据本发明的而改进的灌溉系统80。该灌溉系统包括两个或多个平行的闭合回路管道系统82，每一个都有一个在地表88之上或其稍下方延伸的冷凝段84，以及一个在地表之下深度D处的冷却收集段90(图4)。深度D通常大于1米。这被认为是冷却地区。冷凝段84和冷却收集段90通过管段96和98连通起来，它们一起构成闭合回路管道82。控制站102包括循环系统(通常是泵P)，有时也包括控制系统C，这在后面说明。循环系统P可以是常见的液体推进泵，它可以由已知的不同装置(例如电、风、汽油、生物质能、太阳能、等)赋能。
冷却收集段90在此延伸的深度D被称为“冷却地区”，在选择D时，要使土壤温度保持在实际低于平均气温的平均值附近。可以用不同的设备测定再用不同的数学方法计算出土壤温度随时间和深度的变化，例如在Intermountain Resource Inventories的网站上，网址是http//soilphysics.okstate.edu/toolkit/temperature/index0.html就有这样的方法。
该方案就是让在管道82内流动的液体在冷却收集段90处被冷却，且当其到达冷凝段84时，由于与环境温度的温差，水分就形成在冷凝段84的管壁上。
在图中，当冷凝段84位于地表88上方时，要意识到冷凝段不仅仅可以位于地表下方的一短段距离处，例如地表下方几厘米处——这是与农作物的根部位置相对应的位置。
已知冷却液体本身对作物有正面影响，根据本发明的灌溉系统的优点是，在冷凝段内流动的冷却液体更是如此。该系统还有额外的优点，即在冬季更是如此，万一地上有霜，由于冷却地区的温度保持高于凝固点，因此在系统内流动的液体不会冷凝，因此在冷凝段流动的液体可以防止霜及其对农作物的损害。
现在看图5A和图5B，它们图示说明了根据本发明的灌溉系统的特别的布置，其中与图4A和图4B中的实施例中的组件相同的组件用相同的附图标记来表示。
系统110包括三个闭合回路管道系统112和几个冷却收集段，每一个闭合回路管道系统112都有一个冷凝段84(布置在地表之上或其稍下方)，标记为90的两个冷却收集段在第一深度D1处(最好见图5)延伸，中间的冷却收集段116在深度D2处延伸，因此连接管段118必须长于邻接管道系统上的相应部分96。管道系统112间的横向距离为L，且每个系统都有一个与图4A和4B中的实施例的功能相似的控制单元102’，但被埋在地表之下，这是为了例如使占地最少、提供临时保护(fortemper preventing)以及为了将其保持在低于环境温度的温度下。
图5A和5B中的方案用于确保冷却收集段90和116相互之间间隔得足够远，从而使相邻段之间的传热最小。
图6的实施例给出了一个与先前的实施例基本相似的灌溉系统122，差别在于冷却收集段124包括换热单元126，例如多根构成回路的管子或带有散热片的结构，这是为了增加与土壤之间的换热，从而快速冷却在该段内流动的液体。
图7中的实施例提供了一个灌溉系统，包括多个构成回路的管道系统130，但没有为每个管道系统130提供独立的泵，有一个中心控制单元132，它带有一个控制机构和一个泵送单元，用于有选择性地使液体在每一个构成闭合回路的管道系统130(管道系统130之间有间隔中循环)，例如，这取决于在冷却收集系统处液体的冷却速度等。
图8说明了本发明的另一个应用，其中灌溉系统150包括在地表154之上延伸(尽管它也可以埋在地表稍下方)的构成回路的冷凝段152。冷却水收集管段158从构成回路的冷凝段延伸到冷却水存储器160(例如一口挖掘的或天然的井)内，且回水段162也延伸到水存储器160内。泵送单元166安装在管道上合适的位置处，例如，在构成回路的冷凝段152处。水由泵166从水存储器160泵出，并流过构成回路的冷凝段152，水分在这里被提取出来并冷凝在冷凝段152上，以供农作物生长所需。然后水靠重力(或靠泵)流回水存储器160。
尽管举例说明了本发明的优选实施例，但应该清楚这不是为了限制本发明所公开的内容，而是为了覆盖落在本发明的范围和思想内的所有的改进和方案，这些改进和方案已在细节上做了必要的修正。
例如，冷却系统和泵送单元可以有不同的布置，这取决于地形条件等。另外，根据本发明为系统赋能的系统可以是任何合适的系统，例如太阳能、风能、电能、水力、生物质能、等等。