專利名稱：太陽能防治沙漠生態(tài)災(zāi)害方法
太陽能防治沙漠生態(tài)災(zāi)害方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明利用太陽能以防治沙塵暴等與風(fēng)能有關(guān)的自然災(zāi)害，屬于防災(zāi)技 術(shù)、氣象科學(xué)、生態(tài)保護技術(shù)和太陽能利用技術(shù)，同時也是牧區(qū)安居工程。
沙塵暴等與風(fēng)能有關(guān)的災(zāi)害，是干旱地區(qū)，特別是沙漠地區(qū)最常發(fā)生的自 然災(zāi)害，其危害范圍可以出國越洋，甚至繞地球流動。當(dāng)前公認(rèn)有效的防治
方法是保護植被和植樹造林；我國以秸桿組成方格鋪地，以阻攔流沙移動， 也是行之有效的方法。它們的缺點是不是從源頭防治風(fēng)沙，源頭地的土壤 飛失依舊；源頭區(qū)與治理區(qū)之間的災(zāi)害只減而未凈；未能與居民和放牧的需 要相結(jié)合，缺乏明確的權(quán)責(zé)；與沙漠和草原的改良和管理不相關(guān)，投入大， 但少當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)效益。干旱地區(qū)的植被一旦破壞，要恢復(fù)到其原有生態(tài)功能， 得上百年；植樹造林既費投入也非立竿見影，效果僅是減輕災(zāi)害而達(dá)不到除 根。風(fēng)的速度大小和方向變化都很大，若能人工制造紊流，使風(fēng)的能量在紊 流過程自行大部抵消，應(yīng)是降底風(fēng)速的最佳方法。風(fēng)沙從源頭地"起飛"到 遠(yuǎn)處"降落"，需要風(fēng)能。風(fēng)"運"沙的能力(粒經(jīng)與數(shù)量)和行程，與風(fēng)速 成正比。風(fēng)沙"起飛"區(qū)，壤土刮跑、砂石裸露，使當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)破壞直至寸草 不生。風(fēng)沙影響(擴散到)地面和大氣，其面積無數(shù)倍于其發(fā)源地。因此， 使大風(fēng)從其吹經(jīng)的地區(qū)降速，使其刮起的沙塵在當(dāng)?shù)鼗蚪幊两?，?yīng)是防治 風(fēng)沙的合理技術(shù)路線。風(fēng)沙源頭都為植被破壞的半荒漠和沙漠，是牧區(qū)或潛 在的牧區(qū)。風(fēng)沙防治工程應(yīng)惠及當(dāng)?shù)鼐用?，有利牧業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善， 提高牧民生活舒適度，逐步走向富裕；也使牧民在防治風(fēng)沙過程承擔(dān)起恢復(fù)、 改良生態(tài)環(huán)境的責(zé)任。
本發(fā)明的技術(shù)方案是將風(fēng)沙防治區(qū)按垂直當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙日的主導(dǎo)風(fēng)向，將全 區(qū)劃分成許多正方塊。正方塊的大小由當(dāng)?shù)仫L(fēng)沙強度，并參照當(dāng)?shù)卣哪?業(yè)政策(容許每戶養(yǎng)牧牲畜數(shù)、每畝地的載畜量等)劃定(例如每1.5乂1.51011)。 在每個正方塊中間建一個防風(fēng)沙站(這個防風(fēng)沙站設(shè)有合乎牧民特點的住宅)，此正方塊和防風(fēng)沙站分配給一戶牧民經(jīng)營和管理，權(quán)利和責(zé)任明確；使 用權(quán)長期不變，生態(tài)環(huán)境改善，正方塊內(nèi)的增收效益，全歸該牧戶。這就改 變了祖輩的習(xí)慣牧民只向牧放地不斷索取，卻不管生態(tài)環(huán)境惡化?，F(xiàn)在"包 產(chǎn)到戶"，將調(diào)動牧民關(guān)心生態(tài)環(huán)境的積極性。治理風(fēng)沙的根本方法是在防治 區(qū)內(nèi)普遍制造紊流，使流經(jīng)區(qū)內(nèi)的冬春季的西北方向的低空氣流減速，使它 原攜帶的風(fēng)沙沉降；使它不刮走區(qū)內(nèi)的土壤，也不帶走干旱地區(qū)最珍貴的水 汽(這可增加空氣的相對濕度)和熱量；夏季東南風(fēng)帶來潮濕、相對低溫的 空氣時，紊流可將較多的水汽和低溫空氣留在區(qū)內(nèi)。制造紊流的辦法是以 防風(fēng)沙站的外形特點和它們的網(wǎng)格形排列，強制制造地面8m上下的旋風(fēng)群; 以防風(fēng)沙站南面和頂面的光導(dǎo)塊加強太陽光的采集，以陽光熱能加熱空氣并 發(fā)電，用小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電，由這兩種電流經(jīng)鎳鉻鋼管的電一熱轉(zhuǎn) 換產(chǎn)生的熱空氣，垂直向上噴發(fā)熱氣流。這氣流與平流為主的氣流相作用， 制造50m上下的旋風(fēng)群，同時與其下強制旋風(fēng)誘發(fā)的旋風(fēng)群相復(fù)合，造成極 其復(fù)雜的紊流。
由天氣學(xué)可知，在冬季，我國上空基本氣流是西北風(fēng)，地面上蒙古的冷性 高壓強度達(dá)全年最強值，中心平均位于10° 105° E， 45° ~ 55° N附近， 冷高壓范圍可達(dá)整個東亞地區(qū)。因此我國北部盛行西北——北氣流。在春季， 我國上空基本氣流就由冬季西北風(fēng)變成偏西風(fēng)了。四月中旬以后，偏南風(fēng)盛 行，暖濕空氣北上，帶來海洋潮濕空氣，雨季逐漸開始。在夏季，比海洋暖 得多的亞洲大陸幾乎都為熱低壓控制。我國西部則受性質(zhì)不同的大陸副熱帶 髙壓影響。在這兩種因素的作用下，太平洋暖濕氣流登陸中國，7月雨帶北移 到華北，接著向更北的內(nèi)蒙新疆地區(qū)，而后者正是我國沙漠和半荒漠地區(qū)所 在。所以，前述制造成的大面積紊流，冬可增加西北風(fēng)進(jìn)入防治區(qū)低空的阻 力，迫使它從上空吹過，留住原地原有的水蒸汽，地面所吸收的太陽熱量和 易被吹走的沙土和壤土；夏可將大陸北來的相對暖峰會以小于0.4。的角度， 沿著暖峰上升到冷峰空氣之上，從而將外來的水蒸汽和低溫空氣留在區(qū)內(nèi)。 所以，從長期看，這將增加空氣的相對濕度，減少地面蒸發(fā)和植物蒸騰；使 冬不太冷，夏不太熱，提高年平均氣溫。這將有利于治理地區(qū)的氣候的改善和有利于植物生長和人類健康。
應(yīng)當(dāng)指出的是，上述紊流僅僅是在近地面的100m上下高度以內(nèi)發(fā)生的， 它僅占對流層下部厚度的很小部分，故這紊流絕對不會對地球的大氣環(huán)流造 成影響?？傊?，無論是對紊流地區(qū)還是全球，本發(fā)明都是保護生態(tài)系統(tǒng)的。 這種制造紊流的方法，適用于南北球，只是在朝向上正向反(如南半球的光 導(dǎo)塊方向應(yīng)朝北)；且具體實施中還要考慮當(dāng)?shù)氐臍饬骱偷匦蔚忍攸c，但其全 球的普遍適用性不變。
本發(fā)明是這樣實施的
1、 搜集治理區(qū)域的氣象資料，作出當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)沙塵天氣日的平均風(fēng)向玫瑰 圖，査明當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。
2、 將治理區(qū)域分割成一排排正方格。網(wǎng)格的走向與主導(dǎo)風(fēng)向垂直。相鄰 行的方格要錯開半格，每格中心建太陽能防風(fēng)沙站和生態(tài)民居(簡稱防風(fēng)沙 站)。附圖
l中，箭頭示主導(dǎo)風(fēng)向，AB線為與主導(dǎo)風(fēng)向有銳角的相鄰防風(fēng)沙 站連線，圖中小圓為防風(fēng)沙站。
3、 在每個正方格正中建造防風(fēng)沙站(附圖2、 3)。
附圖2為防風(fēng)沙站區(qū)平面圖。圖中，ABCDEFG和W是防風(fēng)沙站的頂蓋， 位于同一傾斜平面(向正南傾斜，傾角小于10° )。頂蓋下的1,這是熱空 氣室。頂蓋下有3、 4、 6、 7' 8'，這是雙層牧民居室，它們分別為臥室、畜 舍、料倉、衛(wèi)生間(樓下為樓梯)、浴室和廚房(均在樓下)。頂蓋下的5為 居室的推拉門。9為料倉門。IO為空氣泵。ll為坡式上樓道。12為畜舍的推 拉門。13為熱氣室檢修門。14為埋于地下的鎳鉻鋼管的進(jìn)氣口，空氣泵10 向它供空氣。15為埋于地下的鎳鉻鋼管的排氣口，由它將熱空氣噴向天空。 14'和15'為埋于地下的鎳鉻鋼管的水平部分。16為溫差發(fā)電裝置。17為電 阻板，它防止14'和15'的短路。18為小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。溫差發(fā)電和 風(fēng)力發(fā)電輸出的電力均接14和15。 19為風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)。圖2左上角的箭 頭示當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向。A為防風(fēng)沙站的頂角。ABCD為直立平面，它將此平 面以北的風(fēng)強制引向DE圓弧(在檔風(fēng)墻NS的作用下)，形成順時針旋風(fēng)。 當(dāng)?shù)亟孛娴拇蟛糠治鞅憋L(fēng)都將由ABCD引風(fēng)墻引誘下形成紊流。AWG為另一引風(fēng)墻，它將另一部分西北方向的風(fēng)引向AG方向，并在GF附近將所 攜帶沙塵沉降。這部分沙塵將在以后的由DE圓弧形成的順時針旋風(fēng)所吹走。 CG和DF為熱空氣室的西墻與東墻，CD和GF為它的北墻與南墻。這四墻
有保溫、防漏氣和具一定耐壓性能，因它里面的是略具壓力、溫度近ioor的
熱空氣，要保證絕對安全。其中DF墻在居室一側(cè)應(yīng)加焊成整體的鋼板，以 確保居戶安全。CG和DF還有隔熱功能。光導(dǎo)塊鋪設(shè)部分都有高效采集太陽 光的功能，其中CDGF部分，陽光直接投進(jìn)熱氣室；DF以東部分，即居室 上方部分采集的陽光，由光纜與之耦合，由光纜側(cè)向投進(jìn)熱氣室；BCGW部 分，即畜舍部分，亦由光纜側(cè)向投進(jìn)熱氣室。圖2的南"墻"亦由光導(dǎo)塊構(gòu) 成，這些光導(dǎo)塊的的法線朝正南，有15°向上的傾角。光導(dǎo)塊的這種安裝方 式，適宜于北緯45°附近的地區(qū)，它可使當(dāng)?shù)囟镜奶柟鈴娜粘龅饺章淠?100%地采集并送入室內(nèi)；在夏季它100%地拒絕陽光入室。因此，它有冬季 高效取暖，夏季較好防熱的功能。
在夏天，我國北方有由海洋方向來的暖濕的東南向氣流(如圖2中虛箭頭 所示)，這氣流在防風(fēng)沙站的作用下，將形成逆時針方向的旋風(fēng)(紊流)。
圖2最右邊的N—S是南北方向的檔風(fēng)墻，無論是西北風(fēng)還是東南風(fēng)，它 都有阻擋作用，有助于紊流的形成。16是溫差發(fā)電設(shè)施。17為絕緣板，是為 了防止14'和15'的電流短路。18為小型立軸式風(fēng)力發(fā)電機，它產(chǎn)生的電流 與溫差發(fā)電的電流并聯(lián)進(jìn)入電極14和15。
附圖3為附圖2的A—W—N剖面。圖中，4為料倉。3和3'為樓上、 下的畜舍。6為衛(wèi)生間。2為樓上臥室，2'為樓下客廳。圖正中的l為熱氣 室，其熱量由頂蓋和南墻的光導(dǎo)塊直接投射室內(nèi)的陽光或經(jīng)光纜投射入室內(nèi) 的陽光供給。這熱量造成室內(nèi)外溫度差，用于溫差發(fā)電。16為溫差發(fā)電設(shè)施。 14為鎳鉻鋼管豎直部分的頂端，它接受由空氣泵IO供給的空氣，再通過垂直 部分和水平部分的14'和15'(見附圖2),實現(xiàn)對空氣的加溫后，在熱空氣 出口15噴向天空。溫差發(fā)電的電流接鎳鉻鋼管端部14和15，構(gòu)成回路。電 流在鋼管的髙電阻作用下產(chǎn)生熱量，為管內(nèi)流過的空氣加溫，也為管外的沙 體(其熱容量為空氣的1700倍)加溫(貯熱)。鋼管的作用是流經(jīng)其中的空氣將電流產(chǎn)生的部分熱量帶走(防止管內(nèi)和沙體的溫度過高)，并提供有壓力的熱空氣噴向天空，形成高度為50m上、下的空氣層產(chǎn)生旋風(fēng)(紊流)創(chuàng) 造條件。在沒有陽光的夜晚和陰雨天，也無風(fēng)的時間，它吸收沙體貯存的熱 量，加熱流經(jīng)鋼管中的空氣，繼續(xù)供給熱空氣。產(chǎn)生旋風(fēng)的條件除有垂直方 向的氣流外，還需有水平方向的不對稱氣流，后者在氣流中常自然出現(xiàn)；在 近地面的旋風(fēng)也能攏動其上的氣流產(chǎn)生不對稱氣流。因此，經(jīng)常的垂直上升 氣流的存在，必將在防風(fēng)沙站上、下周圍形成經(jīng)常的旋風(fēng)。這上、下"兩層" 旋風(fēng)的高度(厚度)足有50m以上；在治理區(qū)內(nèi)的每個防風(fēng)沙站都產(chǎn)生這樣 兩層旋風(fēng)(紊流)，即紊流覆蓋整個治理區(qū)。冬天和春天，來自西北方向的氣 流(它低溫和干燥)，受區(qū)內(nèi)紊流的阻檔將不能在低空流過，從而避免了治理 區(qū)內(nèi)沙土、 土壤、水蒸汽和熱量的流失。在夏秋季，來自海洋方向的暖(相 對沙漠區(qū)它是低溫的)濕空氣，它比重較大，能貼近地面經(jīng)入?yún)^(qū)內(nèi)，在區(qū)內(nèi) 具有大片紊流的條件下，與當(dāng)?shù)乜諝鈸胶筒㈤L時間滯留，就會將水汽留下， 并使氣溫下降。即在夏天和秋天，沙漠地區(qū)的炎熱干燥天氣會因大片的紊流 的存在而使氣溫有所下降，相對濕度有所增加。這對減輕當(dāng)?shù)氐恼舭l(fā)和蒸騰 強度是有重要作用的。因此，對植物的生長和牧民增牧與健康是有益的。在每正方塊中心安置一戶的條件下，牧民可就近在自家地塊放牧；由于責(zé) 任到戶，空氣泵的流量可因風(fēng)速和熱空氣的溫度由牧戶隨時調(diào)整；也會對地 塊適當(dāng)施肥、種草和和養(yǎng)護(這在牧區(qū)是從來沒有的)，自覺不使牧畜超載。 在這樣的生態(tài)經(jīng)營條件下，年頭久了，治理區(qū)必有綠洲出現(xiàn)如古代。
權(quán)利要求
1. 可使半荒漠和沙漠變成綠洲的生態(tài)災(zāi)害防治方法，其特征在于a、以太陽光和風(fēng)為能源；b、以制造紊流削弱風(fēng)勢，防止沙土和水汽與熱量流失；c、將治理區(qū)劃分成正方格區(qū)，防風(fēng)沙站居中；d、正方格區(qū)排列成行；e、正方格區(qū)的行與主導(dǎo)風(fēng)向垂直，將防風(fēng)沙站與民居相結(jié)合；f、每正方格區(qū)由一戶經(jīng)營與管理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，以光導(dǎo)塊為頂蓋和南墻，以加強陽光的采集。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，光導(dǎo)塊直接或經(jīng)光纜為熱氣室加溫。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述特征，防風(fēng)沙站的兩個直立平面引導(dǎo)地面風(fēng)流， 其中一個直立平面與主導(dǎo)風(fēng)向成銳角。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，與主導(dǎo)風(fēng)向成銳角的直立平面，其下風(fēng) 向為弧形墻，迎風(fēng)處有檔風(fēng)墻。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，熱氣室兩側(cè)建居室和畜舍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，熱氣室北面設(shè)溫差發(fā)電設(shè)施，室正中上 方設(shè)風(fēng)力發(fā)電機，它們產(chǎn)生的電流供給鎳鉻鋼管產(chǎn)熱。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，熱氣室有鎳絡(luò)鋼管的進(jìn)氣口和排氣管， 進(jìn)管內(nèi)的空氣會在垂直和地下水平方向管子吸熱產(chǎn)生熱空氣，向天空排熱、 壓力氣流柱。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，由溫差發(fā)電設(shè)施和風(fēng)力發(fā)電機供給的電 向鎳鉻鋼管所在沙土供熱，將熱能貯于沙土中。
10、 根據(jù)權(quán)得要求1所述特征,在夜間和陰雨天以及無風(fēng)天(電流中斷), 由沙土加熱空氣，保持熱、壓氣流不斷。
全文摘要
以太陽能和風(fēng)能為能源的沙漠生態(tài)防治方法。它由獨特外形的太陽能防風(fēng)沙站誘發(fā)近地面的紊流；由光導(dǎo)塊高效采集陽光加熱空氣，經(jīng)溫差發(fā)電后將電流供給鎳鉻鋼管產(chǎn)熱；以風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)電流與溫差發(fā)電并聯(lián)。電流流經(jīng)鋼管完成熱—電轉(zhuǎn)換，其熱空氣噴向天空，造成較高氣流中的紊流。以這些紊流使氣流消耗能量而降速，從而將沙塵留在原地；也使冬季空氣中的水蒸汽和熱量留住，使夏季由南風(fēng)帶來的水蒸汽和相對低溫的空氣留住。這樣可使沙漠地區(qū)的氣候條件得到改善。將治理區(qū)劃分成正方形塊，防風(fēng)沙站位于方形塊中心，并排列成網(wǎng)狀，其連線與當(dāng)?shù)刂鲗?dǎo)風(fēng)向成銳角。每個方形地塊由一戶經(jīng)營與管理，放牧與保護生態(tài)并舉，可使沙漠變成綠洲。
文檔編號A01G15/00GK101263773SQ200710086470
公開日2008年9月17日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月12日
發(fā)明者鐘顯亮 申請人:鐘顯亮