專利名稱：太陽能防治沙漠生態災害方法
太陽能防治沙漠生態災害方法
技術領域：
本發明利用太陽能以防治沙塵暴等與風能有關的自然災害，屬于防災技 術、氣象科學、生態保護技術和太陽能利用技術，同時也是牧區安居工程。
沙塵暴等與風能有關的災害，是干旱地區，特別是沙漠地區最常發生的自 然災害，其危害范圍可以出國越洋，甚至繞地球流動。當前公認有效的防治
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沙，源頭地的土壤 飛失依舊；源頭區與治理區之間的災害只減而未凈；未能與居民和放牧的需 要相結合，缺乏明確的權責；與沙漠和草原的改良和管理不相關，投入大， 但少當地的生態效益。干旱地區的植被一旦破壞，要恢復到其原有生態功能， 得上百年；植樹造林既費投入也非立竿見影，效果僅是減輕災害而達不到除 根。風的速度大小和方向變化都很大，若能人工制造紊流，使風的能量在紊 流過程自行大部抵消，應是降底風速的最佳方法。風沙從源頭地"起飛"到 遠處"降落"，需要風能。風"運"沙的能力(粒經與數量)和行程，與風速 成正比。風沙"起飛"區，壤土刮跑、砂石裸露，使當地生態破壞直至寸草 不生。風沙影響(擴散到)地面和大氣，其面積無數倍于其發源地。因此， 使大風從其吹經的地區降速，使其刮起的沙塵在當地或近處沉降，應是防治 風沙的合理技術路線。風沙源頭都為植被破壞的半荒漠和沙漠，是牧區或潛 在的牧區。風沙防治工程應惠及當地居民，有利牧業發展和生態環境的改善， 提高牧民生活舒適度，逐步走向富裕；也使牧民在防治風沙過程承擔起恢復、 改良生態環境的責任。
本發明的技術方案是將風沙防治區按垂直當地風沙日的主導風向，將全 區劃分成許多正方塊。正方塊的大小由當地風沙強度，并參照當地政府的牧 業政策(容許每戶養牧牲畜數、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沙站(這個防風沙站設有合乎牧民特點的住宅)，此正方塊和防風沙站分配給一戶牧民經營和管理，權利和責任明確；使 用權長期不變，生態環境改善，正方塊內的增收效益，全歸該牧戶。這就改 變了祖輩的習慣牧民只向牧放地不斷索取，卻不管生態環境惡化。現在"包 產到戶"，將調動牧民關心生態環境的積極性。治理風沙的根本方法是在防治 區內普遍制造紊流，使流經區內的冬春季的西北方向的低空氣流減速，使它 原攜帶的風沙沉降；使它不刮走區內的土壤，也不帶走干旱地區最珍貴的水 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內。制造紊流的辦法是以 防風沙站的外形特點和它們的網格形排列，強制制造地面8m上下的旋風群; 以防風沙站南面和頂面的光導塊加強太陽光的采集，以陽光熱能加熱空氣并 發電，用小型垂直軸風力發電機發電，由這兩種電流經鎳鉻鋼管的電一熱轉 換產生的熱空氣，垂直向上噴發熱氣流。這氣流與平流為主的氣流相作用， 制造50m上下的旋風群，同時與其下強制旋風誘發的旋風群相復合，造成極 其復雜的紊流。
由天氣學可知，在冬季，我國上空基本氣流是西北風，地面上蒙古的冷性 高壓強度達全年最強值，中心平均位于10° 105° E， 45° ~ 55° N附近， 冷高壓范圍可達整個東亞地區。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變成偏西風了。四月中旬以后，偏南風盛 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，接著向更北的內蒙新疆地區，而后者正是我國沙漠和半荒漠地區所 在。所以，前述制造成的大面積紊流，冬可增加西北風進入防治區低空的阻 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內。 所以，從長期看，這將增加空氣的相對濕度，減少地面蒸發和植物蒸騰；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的氣候的改善和有利于植物生長和人類健康。
應當指出的是，上述紊流僅僅是在近地面的100m上下高度以內發生的， 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流造 成影響。總之，無論是對紊流地區還是全球，本發明都是保護生態系統的。 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 導塊方向應朝北)；且具體實施中還要考慮當地的氣流和地形等特點，但其全 球的普遍適用性不變。
本發明是這樣實施的
1、 搜集治理區域的氣象資料，作出當地大風沙塵天氣日的平均風向玫瑰 圖，査明當地的主導風向。
2、 將治理區域分割成一排排正方格。網格的走向與主導風向垂直。相鄰 行的方格要錯開半格，每格中心建太陽能防風沙站和生態民居(簡稱防風沙 站)。附圖
l中，箭頭示主導風向，AB線為與主導風向有銳角的相鄰防風沙 站連線，圖中小圓為防風沙站。
3、 在每個正方格正中建造防風沙站(附圖2、 3)。
附圖2為防風沙站區平面圖。圖中，ABCDEFG和W是防風沙站的頂蓋， 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為小型垂直軸風力發電機。溫差發電和 風力發電輸出的電力均接14和15。 19為風力發電機基礎。圖2左上角的箭 頭示當地的主導風向。A為防風沙站的頂角。ABCD為直立平面，它將此平 面以北的風強制引向DE圓弧(在檔風墻NS的作用下)，形成順時針旋風。 當地近地面的大部分西北風都將由ABCD引風墻引誘下形成紊流。AWG為另一引風墻，它將另一部分西北方向的風引向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墻在居室一側應加焊成整體的鋼板，以 確保居戶安全。CG和DF還有隔熱功能。光導塊鋪設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，由光纜側向投進熱氣室；BCGW部 分，即畜舍部分，亦由光纜側向投進熱氣室。圖2的南"墻"亦由光導塊構 成，這些光導塊的的法線朝正南，有15°向上的傾角。光導塊的這種安裝方 式，適宜于北緯45°附近的地區，它可使當地冬季的太陽光從日出到日落能 100%地采集并送入室內；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)，這氣流在防風沙站的作用下，將形成逆時針方向的旋風(紊流)。
圖2最右邊的N—S是南北方向的檔風墻，無論是西北風還是東南風，它 都有阻擋作用，有助于紊流的形成。16是溫差發電設施。17為絕緣板，是為 了防止14'和15'的電流短路。18為小型立軸式風力發電機，它產生的電流 與溫差發電的電流并聯進入電極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塊直接投射室內的陽光或經光纜投射入室內 的陽光供給。這熱量造成室內外溫度差，用于溫差發電。16為溫差發電設施。 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),實現對空氣的加溫后，在熱空氣 出口15噴向天空。溫差發電的電流接鎳鉻鋼管端部14和15，構成回路。電 流在鋼管的髙電阻作用下產生熱量，為管內流過的空氣加溫，也為管外的沙 體(其熱容量為空氣的1700倍)加溫(貯熱)。鋼管的作用是流經其中的空氣將電流產生的部分熱量帶走(防止管內和沙體的溫度過高)，并提供有壓力的熱空氣噴向天空，形成高度為50m上、下的空氣層產生旋風(紊流)創 造條件。在沒有陽光的夜晚和陰雨天，也無風的時間，它吸收沙體貯存的熱 量，加熱流經鋼管中的空氣，繼續供給熱空氣。產生旋風的條件除有垂直方 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；在 近地面的旋風也能攏動其上的氣流產生不對稱氣流。因此，經常的垂直上升 氣流的存在，必將在防風沙站上、下周圍形成經常的旋風。這上、下"兩層" 旋風的高度(厚度)足有50m以上；在治理區內的每個防風沙站都產生這樣 兩層旋風(紊流)，即紊流覆蓋整個治理區。冬天和春天，來自西北方向的氣 流(它低溫和干燥)，受區內紊流的阻檔將不能在低空流過，從而避免了治理 區內沙土、 土壤、水蒸汽和熱量的流失。在夏秋季，來自海洋方向的暖(相 對沙漠區它是低溫的)濕空氣，它比重較大，能貼近地面經入區內，在區內 具有大片紊流的條件下，與當地空氣摻和并長時間滯留，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。這對減輕當地的蒸發和蒸騰 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 任到戶，空氣泵的流量可因風速和熱空氣的溫度由牧戶隨時調整；也會對地 塊適當施肥、種草和和養護(這在牧區是從來沒有的)，自覺不使牧畜超載。 在這樣的生態經營條件下，年頭久了，治理區必有綠洲出現如古代。
權利要求
1. 可使半荒漠和沙漠變成綠洲的生態災害防治方法，其特征在于a、以太陽光和風為能源；b、以制造紊流削弱風勢，防止沙土和水汽與熱量流失；c、將治理區劃分成正方格區，防風沙站居中；d、正方格區排列成行；e、正方格區的行與主導風向垂直，將防風沙站與民居相結合；f、每正方格區由一戶經營與管理。
2、 根據權利要求1所述特征，以光導塊為頂蓋和南墻，以加強陽光的采集。
3、 根據權利要求1所述特征，光導塊直接或經光纜為熱氣室加溫。
4、 根據權利要求l所述特征，防風沙站的兩個直立平面引導地面風流， 其中一個直立平面與主導風向成銳角。
5、 根據權利要求1所述特征，與主導風向成銳角的直立平面，其下風 向為弧形墻，迎風處有檔風墻。
6、 根據權利要求1所述特征，熱氣室兩側建居室和畜舍。
7、 根據權利要求1所述特征，熱氣室北面設溫差發電設施，室正中上 方設風力發電機，它們產生的電流供給鎳鉻鋼管產熱。
8、 根據權利要求1所述特征，熱氣室有鎳絡鋼管的進氣口和排氣管， 進管內的空氣會在垂直和地下水平方向管子吸熱產生熱空氣，向天空排熱、 壓力氣流柱。
9、 根據權利要求1所述特征，由溫差發電設施和風力發電機供給的電 向鎳鉻鋼管所在沙土供熱，將熱能貯于沙土中。
10、 根據權得要求1所述特征,在夜間和陰雨天以及無風天(電流中斷), 由沙土加熱空氣，保持熱、壓氣流不斷。
全文摘要
以太陽能和風能為能源的沙漠生態防治方法。它由獨特外形的太陽能防風沙站誘發近地面的紊流；由光導塊高效采集陽光加熱空氣，經溫差發電后將電流供給鎳鉻鋼管產熱；以風力發電所產電流與溫差發電并聯。電流流經鋼管完成熱—電轉換，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，使夏季由南風帶來的水蒸汽和相對低溫的空氣留住。這樣可使沙漠地區的氣候條件得到改善。將治理區劃分成正方形塊，防風沙站位于方形塊中心，并排列成網狀，其連線與當地主導風向成銳角。每個方形地塊由一戶經營與管理，放牧與保護生態并舉，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 優先權日2007年3月12日
發明者鐘顯亮 申請人:鐘顯亮