CN101152964B - 太阳能海水淡化温室 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能海水淡化温室，包括作物栽培的温室主体，在温室顶部上方加设海水蒸馏用顶层，其内层采用波长选择性透过彩色塑料板，外层屋顶覆盖面采用超亲水性能的透光材料板，在外层屋顶内侧天沟位置设淡水收集槽，淡水收集槽经管路与淡水贮水池相通，抽取并存储海水的海水贮水池通过供水立管接固定在双层屋顶内的喷水管，喷水管的两侧开设喷孔。本发明是集太阳能海水蒸馏装置、环境受控温室于一体，适合生产农业用淡水，并具有遮阳和降温功能，可用于海水淡化及作物种植；可满足沿海、海岛、沙漠盐碱区等有海水或苦咸水但淡水资源匮乏的地区解决蔬菜供应和人畜饮水的需要。

Description

太阳能海水淡化温室
技术领域
本发明涉及农业生产用温室设计技术领域，尤其涉及一种集太阳能、海水淡化技术为一体的可适合淡水资源匮乏地区作物种植的温室。
背景技术
在炎热干旱地区开展农业生产，由于蒸发作用，供给的淡水约有80％要损失掉，很不经济，因此要抓好农业生产就必须控制温室里环境温度，目前大多数温室通常是通过“湿帘风机装置”利用水的蒸发来实现降低气温，即在温室的一侧装大型轴流风扇，相对的一侧装湿帘，湿帘是用有机材料制成的多孔蜂窝状垫子，工作时需用淡水充分润湿垫子。即使如此，这些地区在温室里进行的农业生产用于温室降温及灌溉仍需消耗大量的能源和淡水，因而只有在能源便宜的地方才可经济可行，使这项技术受到极大的限制。在具备海水或苦咸水资源的地区，利用太阳能将海水或苦咸水淡化，并提供给温室种植之用，不失为解决炎热干旱地区农业生产的经济途径。中国农业机械化科学研究院、日本茬原制作所、唐山市古冶区政府曾合作进行了海水淡化农业栽培综合实验项目，该项目整个系统由太阳能海水淡化装置、高标准节能日光温室、自动控制灌溉施肥系统、作物生长环境调控系统、数据采集处理系统和计算机自动控制系统等组成。其海水淡化装置主要由太阳能集热设备、三级真空蒸发缸、太阳能电池及蓄电系统、自动控制系统、海水供水系统、淡水及废水收集系统等组成。全部产水过程的能量由太阳能提供。单元装置设计日产淡水200升。温室内无土栽培基质为日本引进的具有长期栽培无病害、吸水性强等特点的轻石。试验蔬菜品种有西红柿、黄瓜、日本生菜、油菜、日本蜜瓜、秋葵等。自动控制灌溉选用节水效果最好的内镶式滴灌管和补偿式扦插滴灌头的两种滴灌方式。该实验项目取得了一定效果，但该系统的海水淡化装置利用的是真空蒸发的原理，具有独立于温室的太阳能集热设备、三级真空蒸发缸等，设备较为复杂，造价也比较高。并且，此处的节能日光温室仅仅是作为淡化水的应用场所而存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种节能、低成本的太阳能海水淡化温室，该太阳能海水淡化温室不仅可以存储淡化海水，还可将淡化海水汇聚至淡水贮水池以供输出灌溉，从而具有作物种植功能。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种太阳能海水淡化温室，包括作物栽培的温室主体，在温室顶部上方加设海水蒸馏用顶层，其内层采用波长选择性透光彩色塑料板，外层屋顶覆盖面采用透光板，在外层屋顶内侧天沟位置设淡水收集槽，淡水收集槽经管路与淡水贮水池相通，一抽取并存储海水的海水贮水池通过供水立管接固定在双层屋顶内的喷水管，喷水管的两侧开设喷孔。
本发明太阳能海水淡化温室是集太阳能海水蒸馏装置、环境受控温室于一体，适合生产农业用淡水，并具有遮阳和降温功能，可用于海水淡化及作物种植。本发明可满足沿海、海岛、沙漠盐碱区等有海水或苦咸水但淡水资源匮乏的地区解决蔬菜供应和人畜饮水的需要。
本发明的优点是：
1、节水节能：将太阳能的利用与海水淡化技术高效地结合在一起，不需要淡水供给；只需从外部提供很少能源。
2、运行经费低：系统的运行费用远低于以石油为动力的海水淡化系统。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明一实施例的平面结构示意图(俯视图)
图3为图2之A处截面图
图4为图3之B处放大图
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明太阳能海水淡化温室以作物栽培的温室为主体，在屋顶以下部分采用通常温室的结构和材料，即可以轻钢构件制作立柱、复合梁、各种横杆等，采用透光材料如玻璃、聚碳酸酯中空板等作为周边覆盖材料。
本发明的重要创新在于：
将热量大量聚集的温室顶部设计为独特的双层屋顶结构，形成面积巨大的海水蒸馏装置，让海水的蒸发、冷凝均在双层屋顶内进行。双层屋顶的内层屋顶9作为海水的蒸发床，采用特制的波长选择性透光彩色塑料板，该板可截留红外光以提升双层屋顶夹层间的温度从而提高海水的蒸馏量，并且对于用于作物生长的其余光波则有很好的透过性。双层屋顶的外层屋顶8起凝结作用，为了使凝结的淡水顺着外层屋顶的内侧汇集起来，除了保证外层屋顶的角度足够外，外层屋顶的材料选择也很重要，本发明外层屋顶的材料采用玻璃板或其它具有超亲水性能的材料板。本发明的一个实施例的外层屋顶材料选择目前问世不久的超亲水玻璃，该玻璃是在普通浮法玻璃上镀制了一层纳米TiO2光催化薄膜，亲水性的纳米TiO2光催化薄膜层大大降低了玻璃的表面张力，与水的接触角可由一般玻璃的25°～35°降低为≤6.5°。当水凝结到玻璃上时，由于玻璃的“超亲水性”，不会像通常那样凝结成水珠，而是均匀地扩散到整个玻璃表面，并且完全浸润玻璃，这样就避免了双层屋顶内凝结的淡水再度滴下与海水混合的情况发生。
为了收集冷凝的淡水，在外层屋顶8内侧接近天沟14的位置设置了淡水收集槽13，沿外层屋顶内侧淌下的淡水均收集到该槽内，并通过管路(淡水立管10、淡水地埋管6送至淡水贮水池7，淡水地埋管6以0.1～0.5％坡向淡水贮水池。实际上，喷洒在内层屋顶的海水仅一部分可一次性蒸发，其余在温度升高后仍需回流至海水贮水池，为此，在内层屋顶9接近天沟的下方还设置了海水回流槽11。
为提供海水，一抽取并存储海水的海水贮水池2与外接海水水源的供水地埋管4相通，并在供水地埋管4上装有海水提升泵3，海水贮水池2的出口通过供水立管16接固定在双层屋顶内(内层屋顶脊部为佳)的喷水管，喷水管的两侧开设喷孔15。接至海水回流槽11的海水回流地埋管5以0.3～0.7％坡度坡向海水贮水池。
图2为本发明一实施例的平面示意图，该实施例规格可为6.4m(跨度)×3×4m(开间)×8，在温室北端地面下设淡水贮水池7(容积约2-3m3，与温室面积有关)，并埋设淡水地埋管6与之相通，该淡水地埋管坡度为0.3％，坡向淡水贮水池。温室南端设海水贮水池2(容积约7-8m3，与温室面积有关)，并埋设海水回流地埋管5与之相通，海水回流地埋管6坡度为0.5％，坡向海水贮水池。由海水贮水池还引出供水地埋管4，在供水地埋管上装有海水提升泵3，通过供水立管向双层屋顶泵送海水。
图3为图2在A处的截面图，由该图可见太阳能海水淡化温室具有与传统温室相近的骨架形式1和四周围护结构。但综合考虑外屋面内侧淡水凝结后顺屋面流淌所需角度及屋顶的合理高度，温室的跨度不宜大于6.4m。太阳能海水淡化温室是具有特殊双层屋顶结构的温室，通过双层屋顶实现海水的蒸发、冷凝以产生淡水。
图4为图3B处的放大图，由该图可看出一部分主要部件的位置及连接关系(包括温室主体结构的立柱、复合梁等骨架形式1及外层屋顶8、内层屋顶9、海水回流槽11、海水回流立管12、淡水收集槽13、淡水立管10)。
如图1所示，本发明的具体工作过程是：海水贮水池2中的海水在海水提升泵3的抽送下，通过供水地埋管4、供水立管16进入固定在内层屋顶9脊部的喷水管15内，喷水管15的两侧有许多细小的喷孔，将海水均匀地喷洒在内层屋顶9的外侧。流过内层屋顶9外侧的海水，从环境吸收热量，尤其从屋顶吸收热量，促进蒸发。部分海水蒸发并凝结在倾斜的外层屋顶8的内表面，并顺着倾斜的外层屋顶8的内表面汇入淡水收集槽13内，并通过淡水立管10、淡水地埋管6汇聚至淡水贮水池7内供温室作物灌溉用。没有蒸发的热盐水顺着内层屋顶9的外表面汇入海水回流槽11内，并通过海水回流立管12、海水回流地埋管5流回海水贮水池2，同海水混合后再次泵送至内层屋顶的顶部进行蒸发。
因为海水不停流过内层屋顶，所以不会产生盐类沉积。内层屋顶的海水流过量决定是降温过程占优势还是蒸发过程占优势。大量的水会很快升温，并开始蒸发。实际工作过程中，盐水在内层屋顶流动的同时，淡水持续不断地向下流过外层屋顶的内面，源源不断地被收集到淡水贮水池里。
虽然内层屋顶的外侧温度较高，但蒸发过程的降温效果却能保持温室的温度不高。随着外侧温度的升高，这种双层屋顶的降温效果增强。温室内的温度使湿度适合作物生长。被蒸发的水凝结在外层屋顶的内侧上，凝结过程放出的热量大部分由温室排除。
根据初步试验，在南方炎热地区，本发明(以上述实施例结构为例)的淡水日均产量约1.2-1.5L/(m2.d)。即使气温超过30℃，温室内离地面30cm处的温度从未超过35℃；温室内的相对湿度，日出时达到100％；随着温室内温度升高，平均值约60％。这样的条件很适合种植蔬菜，对于西红柿、菜椒及花卉等的滴灌，这种系统生产的淡水足够满足需求。
本发明只需从外部提供很少能源，把海水提升到屋顶的顶部(大约20kW/ha)。这部分能源可以考虑从光伏发电或风力发电取得，这样整个系统就不需要外部能源了；系统的运行费用大大降低，远低于以石油为动力的海水淡化系统。

Claims (6)

1.一种太阳能海水淡化温室，包括作物栽培的温室主体，其特征在于：在温室顶部上方加设海水蒸馏用顶层，其内层采用波长选择性透过彩色塑料板，外层屋顶覆盖面采用超亲水性能的透光材料板，在外层屋顶内侧天沟位置设淡水收集槽，淡水收集槽经管路与淡水贮水池相通，抽取并存储海水的海水贮水池通过供水立管接固定在双层屋顶内的喷水管，喷水管的两侧开设喷孔。
2.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化温室，其特征在于：所述具有超亲水性能的透光材料板为镀制纳米TiO2光催化薄膜的超亲水玻璃板。
3.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化温室，其特征在于：所述固定在双层屋顶内的喷水管固定在内层屋顶脊部处。
4.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化温室，其特征在于：在内层屋顶天沟下方设置海水回流槽。
5.根据权利要求4所述的太阳能海水淡化温室，其特征在于：一海水回流地埋管接至海水回流槽，所述海水回流地埋管坡度为0.3～0.7％，坡向海水贮水池。
6.根据权利要求1所述的太阳能海水淡化温室，其特征在于：所述淡水收集槽经淡水立管、淡水地埋管与淡水贮水池相通，该淡水地埋管坡度为0.1～0.5％，坡向淡水贮水池。
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