1 研发背景及意义

森林火灾的发生会严重危害人畜的生命安全，破坏生态环境，给国家经济造成巨大的损失，全国各地的林业部门一直非常重视森林防火工作。但护林员或者消防人员无法在火灾前期就进行行之有效的防火^[1]。而在森林干旱期野生动植物会出现饮水难，干旱易着火等现象（图1-1）。针对森林失火的问题，我国森林火灾对生态环境的建设以及森林资源的安全和其他方面有着重大的影响,如果这样的灾害事件发生,其控制工作将是非常困难的,因此,认真开展的防火工作,从而减少森林灾害的发生,使得各种损失降到最低限度^[2-3]。

一方面我们通过在源头上扑灭火源，可有效减少森林火灾带来的巨大损失，并且通过结合智能灌溉系统为森林中野生动植物饮水，提供了便捷。另一方面该装置通过结合了多重灌溉方式的智能灌溉系统可以解决植被修复等一系列的生态修复问题从而遏制在干旱时期植被因干旱而变得干枯容易发生火灾（图1-2）的问题。真正达到遏制森林着火的源头。相比较一些大型灭火灌溉设备，我们提供了一种制造及使用成本低、维护方便的装置。本装置设置在森林中，雨水收集装置能够在雨天自动收集雨水，并智能化用水，防止森林起火。此装置可为全国各地的林业部门的森林工作，以及为生态环境的保护和修复带来巨大利益。

图 1-1 森林失火救火所示                                        图 1-2 森林干旱火灾所示

2 设计方案

2.1 方案构想

本作品的研究思路是基于了解森林中空气湿度大，便于补雾集水，充分考虑了森林火灾发生频繁，危害严重，消防车等工具不便驶入而且成本高，同时野生动植物会出现饮水困难以及干旱时期植被修复和灌溉等一系列的问题，对森林环境进行问题现状的调研，自主设计了一种能够实现智能灌溉、生态修复的补雾集水装置（图2-1），降低成本同时，还能实现节能环保，高效集水的性能。

 图 2-1 整体设计流程图

2.2 机械结构

该装置主要部分（图2-2）分为五部分：太阳能收集装置、雨水收集装置、雾水收集装置、双管结构、双层储水箱和喷淋头灭火装置。这五部分主要由支撑板、双层支撑管、集水板、光伏板、亚克力板、雾水收集网、过滤网罩、固定板、储水箱、蓄电池、电机、双层支撑管储水箱、喷淋头，电气柜之间的配合使用来达到强大的使用功能。

 图 2-2 整体结构                                                                                 图 2-3 装置实物图

2.3 工作原理（图2-4）

图 2-4 工作原理图

I.光伏板工作时，处于固定倾角 30°状态，能够收集不同时间段不同直射角度的光照，从而达到效率转化最大化。其中光伏板上方覆盖有亚克力板保护，阳光透过亚克力板照在光伏板上从而进行光伏发电。

II.雨水收集时，亚克力板同光伏板均为 30°倾角，保证雨水顺着光伏板上的亚克力板流入导流板从而尽可能流入集水管，从而流入储水箱。

III.雾水收集时，电机带动收集网打开，收集网叶片转动充分收集森林中的雾水和小水滴，收集的雾水通过间隔设置疏水微纳米涂层面顺着导流绳流入水槽，从而流入水箱。在无风条件下，通过固定于支撑管上的电机带动收集网旋转。收集网在不用时会通过电机带动收缩放于双管外侧，收集网叶片旋转带动齿轮转动，进而将风能转化到电能。

IV.喷淋头自动灭火时，球洒水喷头的玻璃球体内充有热膨胀系数高的有机溶液,常温下,球体的外壳可承受一定的支撑力,保证喷头的密封性能,火灾发生时,有机溶液温度升高而膨胀,直至玻璃体破碎,球座密封件失去支撑后被水流冲脱,从而开始喷水灭火。防喷淋头上的红色液体是一种对热极其敏感的东西。当温度升高，就迅速膨胀，让装它的玻璃破裂，然后玻璃内的压力传感器就会使喷水泵喷水灭火。

2.4 系统组成介绍

2.4.1 雨水收集系统

雨水收集整体装置（图2-5）：雨水收集装置是由鸭梨状的集水板、导流板、向上球形凸起且多孔结构的过滤网罩、集水管、光伏板，亚克力板组成。收集雨水时，亚克力板位于光伏板上面位于上方，雨水通过球形凸起的过滤网罩可有效避免残枝落叶进入到集水管中而造成管道堵塞，减少人工清理的次数。雨水收集时，亚克力板同光伏板均为30°倾角，保证雨水顺着光伏板上的亚克力板流入导流板从而尽可能流入集水管，从而流入储水箱。集水板上方的亚克力板，减少自然现象对光伏板造成的损伤。使雨水留到鸭梨状集水板大端收集经导流管进入集水管最后流入储水箱。储水装置是由储水箱、进水管、出水管组成，由地脚螺栓固定地面。光伏板充分收集太阳能转化为电能储存到电池柜的蓄电池中。

图 2-5 雨水收集装置

2.4.2 雾水收集系统

雾水收集装置（2-5）和风能收集装置（图2-6）同时工作，装置主要是由集水板、双层支撑杆、铰接座（图2-7）、转动叶片、过滤网罩、纳米收集网、收集网上的基板涂覆有亲疏水微纳米涂层、亲疏水微纳米涂层包括多条亲水涂条和多条疏水涂条、亲水涂条与疏水涂条间隔设置了风能收集装置，其中了包括转动叶片、联轴器、外杆、齿轮、电机。另外由于一些特殊场景的雾水收集受限，我们也开发了不同的特定扇叶传动结构，更好的适用于多场景高效收集雾水和有效利用风能。

图 2-6 雾水收集网及支撑杆

图 2-7 铰接座

2.4.3 自动喷淋-灭火-智能灌溉系统（图2-8）

火灾发生时,电气柜中温度传感器和烟雾传感器控制水泵工作，水泵抽水口从水箱抽水，使喷淋头管道保持高压，玻璃球洒水喷头的玻璃球体内有机溶液温度升高而膨胀,直至玻璃体破碎,球座,密封件失去支撑后被水流冲脱,从而开始喷水灭火。

图 2-8 喷淋头实物展示和三维建模

2.5 创新技术详细分析

技术创新1——风光互补发电系统

风光互补发电系统包括：光伏板发电（图2-9）以及风能发电（图2-10），其中光伏板工作时，处于固定倾角30°状态，能够收集不同时间段不同直射角度的光照，从而达到效率转化最大化。其中光伏板上方覆盖有亚克力板保护，阳光透过亚克力板照在光伏板上从而进行光伏发电。

在风能发电中：转动的叶片带动装置外杆转动，从而带动外杆下方的低速齿轮转动，低速齿轮带动高速齿轮转动，最后带动发电机进行发电。该系统将风能转化为电能、光伏板将太阳能转化为电能储存在电池柜的蓄电池中。

图 2-9 发电工作原理图

图 2-10 风能转化为电能

技术创新2——监测预警智慧云平台

监测预警智慧云平（图2-11）台包括智慧终端设备、一体化传感器、智能数据分析平台、智能决策控制平台。其中一体化传感器安装在智慧终端设备上，作为数据采集的终端，配备有各种的传感器和多套小型监测设备，能够采集森林种植物环境以及周边环境各种数据，可以采集光照强度、二氧化碳浓度、空气温度等多项信息，为多设备的实时监测打下基础。智能数据分析平台能够实现数据的上传，分析以及传输，此外，云平台可以实现数据的共享，便于其他企事业部门分析和使用数据。基于设备的可视化管控，我们利用智能决策平台的策略，可对多设备进行综合性调度，进而更为高效地利用资源，并大幅度提升灌溉效率。基于数据传输与分析结果、决策结果，我们同时开发了门槛低、便于使用的微信小程序（图 2-12）。

 图 2-11 智慧检测云平台                                                      2-12微信小程序及部分实现代码

2.6 实物模型

为了验证初期的补雾集水装置效果以及构想完善，我们制定了实验初期的实物模型（图2-13），“效果验证装置”。

图 2-13 实物产品

3 创新点

（1）云平台智慧检测，多功能实现科技化

本装置搭建了智慧检测云平台，实现了干旱灾害检测、作物生长环境监测、多重灌溉、数据都采集、传输以及分析、实时监测和控制决策等功能，实现科技化检测。

（2）“收集与净化”双集水，“能耗与排放”双低化较高的雾水收集率,并且超低能耗零排放,还能最大程度净化雾水雨水。

（3）光能风能双集电，结构理念双减排

雾水收集网通过联轴器转动将风能转化成电能，上方的倾斜光伏板适应不同阳光照射,收集光能转化为电能储存在蓄电池中。装置结构简单、使用与维护方便、绿色无污染、能量转化充分，真正实现了节能减排的理念。

（4）“因地而灌”实现智能灌溉，手机终端控制

灌溉系统通过手机终端控制，能够实现定时灌溉，监测灌溉等多重灌溉，根据环境不同采用滴灌，喷灌等不同的灌溉方式，从而实现智能灌溉。以达到各种目的。

4 效益分析及应用前景

4.1 节能减排效益与经济效益分析

本作品在节能减排效益上，在电能上每个装置每年能够节省约1300kwh的电能，通过我们实物测试所得的数据以及相关的理论计算中可以知道，我们的装置能够节约大量的水资源以及电源（图4-1）。在节能方面拥有卓越的性能，并节省了大量的金钱，同时用于生态修复上，还能够达到减排的目的，应用前景十分广阔。

图4-1水资源和电力的节能效益图

本作品在经济效益上，从最常见的两种途径来看：一是消防车驶入森林防火，消防车需装载6—10吨的水来防火，消防车来回需要消耗汽油，汽油费共300元，消防车驶入森林，势必会造成植物的损失，大约200元，消防车还需装载水，造成6—10吨水资源的浪费，以及消防人员与防火设备的损耗，大约共150元。一次消防车防火不仅消耗人力还消耗物力更重要的是造成了大量水资源的浪费。二是直升机防火，成本更是昂贵。用来消防防火的直升机购买需要花费80万，租借一次直升机防火需要30万，不仅如此还消耗6—10吨的水进行防火，另外在防火过程中造成的损失大概500元（图4-2能量、经济损失图）。

图 4-2 能量、经济损失图

进入21世纪，虽然各国政府加大了在林火管理和经费上的投入（图4-3），森林火灾并没有减小的迹象，因此，森林防火仍是各国政府面临的重要课题，根据市场调查研究，可得出各装置的运险费（图4-4）占比。

 图 4-3 森林防火经费经费                               图 4-4 市场常见装置经济效益对比情况

总的来说，无论是国内还是国外，森林火灾如果不能及时防火，不仅造成严重的自然灾害，而且带来了巨大的经济损失，通过数据分析可知，森林火灾每年在全球的次数多，火灾面积大，而且造成经济损失逐年巨幅增长，因此我们特设计研发了该发明装置有效解决这一灾害。

4.2 应用前景

（1）我们的装置补雾集水，一方面自动扑灭森林火灾，大大减少森林防火带来的灾害，并且通过结合智能灌溉系统对森林中野生动植物饮水，提供了便捷。另一方面该装置通过结合了多重灌溉方式的智能灌溉系统，解决了植被修复等一系列的生态修复问题从而遏制在干旱时期植被因干旱而变得干枯容易发生火灾的问题。真正达到了遏制森林着火源头的目的。

（2）现阶段,我国林业处在全面实施以生态建设为主、推进现代林业建设的发展阶段。森林火灾是制约现代林业可持续发展的严重自然灾害。而且野生动植物的饮水工作也越来越重视，做好森林防火工作,事关生态建设全局,林业战略目标的落实。党中央、国务院对应急管理和防灾减灾工作高度重视,森林防火业务投入不断加大,为森林防火行业的发展提供了有力的物质支持。

参考文献

[1] 朱杰.森林火灾发生原因及防控建议[J].现代农业科技,2021(20):123-124.

[2] 余威,陆强.我国森林灭火技术装备应用现状与发展趋势[J].消防科学与技术,2022,41(03):421-424.

[3] 孙辉,孙景宇,穆少宇.索降灭火技术在扑救森林火灾中的应用[J].森林防火,2006(03):20-21

作者简介：付文立 1990.02.01 男 河南项城 汉族 本科 高级工程师 中交一公局集团有限公司 研究方向:道路桥梁