CN106105821A - 基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台 - Google Patents

Abstract

本发明为基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台，属太阳能聚光和新能源应用技术领域。该装置漂浮在海面上，由全反射聚光透镜、种植槽、蒸馏膜、储水结构、多孔亲水材料等组成。太阳光照射在全反射聚光透镜的表面，光线在聚光镜内部经过多次全反射最终汇聚到镀有黑色涂层的面S1上，进而加热位于蒸馏膜与全反射聚光透镜面S1之间的海水薄膜。热蒸汽通过蒸馏膜进入冷凝腔中，在种植槽的外表面或储水结构的内表面上冷却凝结生成淡水，同时可以加热种植槽中的土壤，使植物更好的生长。生成的淡水储存在储水结构的下部，通过多孔亲水材料进入种植槽加湿土壤，为植物生长提供水分。

Description

基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台

所属技术领域

本发明涉及一种基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台。基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台由若干个种植单元组成，是一种漂浮在海面上的，利用全反射原理聚光进而实现自生淡水以供植物生长的种植系统，属于太阳能聚光和新能源应用技术领域。

背景技术

随着人类文明社会的发展，地球的生态环境受到极大的负累，同时，水资源短缺问题成为21世纪人类面临的重大挑战之一。众所周知，海洋表面占地球表面的70％以上，它是地球态环境的重要组成和创造者，是地球生命的发源地。针对我国海岸线绵长的地理优势，利用海水淡化技术开辟淡水资源无疑会有效缓解水资源危机。同时在陆地面积有限且不断遭受破坏性创伤的情况下，一些学者提出海上种植养殖的观点，进而，在海面上获得淡水资源以满足种植养殖的需求成为我们解决问题的焦点。

针对海面上的可再生能源利用方面，太阳能是我们可以直接利用的能源之一，在世界上也得到很多的关注，其中太阳能聚光是太阳能利用的基础。目前，太阳能聚光系统主要有槽式、线性菲涅耳型、塔式和碟式等。以上装置的聚光原理均是通过反射或透射镜面将太阳光线性聚焦并产生高温热能。这些装置各有优缺点，但是都不能很好的与海面种植系统结合。在海面上安装布置以上装置均需要建立不同大小的漂浮平台，装置结构较为复杂。另外这些装置大多需要安装在植被系统的上方，遮挡了植物的光照，对植物的生长造成一定的影响。

针对以上问题，提出基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台的技术方案。该装置可以直接漂浮在海面上，其特点是太阳入射光在全反射聚光透镜内部多次反射最终汇聚到镀有黑色涂层的聚光面S1，加热面S1和蒸馏膜之间的海水使其蒸发，热蒸汽通过蒸馏膜进入冷凝腔，进而在储水结构的内表面或种植槽的外表面冷却凝结，产生的淡水储存在储水结构的下部空间，淡水通过多孔亲水材料进入种植槽，从而为植物的生长提供水分。全反射聚光透镜、蒸馏膜、储水结构、种植槽以及多孔亲水材料等结构合而为一，变成一个浓缩的单元系统。该装置结构简单，能够将多个单元组合，满足不同规模的种植需求。

发明内容

有鉴于此，为了改善现有海上种植系统装置的性能，简化整个系统的结构，并改善植物的生长环境，实现太阳能海水淡化系统与海上种植系统的耦合，本发明提供了一种基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台。该平台基于全反射聚光原理，采用蒸馏膜技术生产淡水为植物和人们日常生产生活提供淡水资源。聚光透镜采用经设计的能够实现固定面出射的全反射聚光透镜进行聚光，且可以根据不同地区的日照角度调整透镜各表面的设计角度。在实际应用中，可以通过预估培育植物的需水量，适当的调整全反射聚光透镜的太阳光接收面与植被表面的比例关系，以达到最优的生态模式。

一种基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台，该装置包括全反射聚光透镜、蒸馏膜、储水结构、种植槽、多孔亲水材料和冷凝腔。其中种植槽内添加供植物生长的土壤，储水结构和种植槽内套分布，组成独立的种植单元。

各部分的连接关系如下，全反射聚光透镜与种植槽刚性连接，储水结构安装在种植槽和全反射聚光透镜之间，上部固定在种植槽的开口上。其中，种植槽中有供植物生长所需的土壤；储水结构上部周侧设计为镂空结构，并布置蒸馏膜，两者与种植槽共同构成淡水的生成和储存空间。蒸馏膜位于种植槽和储水结构之间，隔开海水和冷凝腔，保证蒸馏膜和全反射聚光透镜的面S1之间存在海水薄膜。多孔亲水材料布置在种植槽的底部，用于吸收水分加湿土壤为植物提供水分。

工作原理：漂浮在海面上的基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台在光照条件下，一部分光线直接照射植物，为植物生长提供阳光，另一部分光线进入全反射聚光透镜，经过多次全反射后汇聚在镀有黑色图层S1面上，加热S1面与蒸馏膜之间的海水薄膜，加热后海水在蒸馏膜的外侧产生热蒸汽。根据蒸馏膜的工作原理，它将海水与储水结构上部的冷凝腔隔开，避免海水进入，但产生的热蒸汽可以通过蒸馏膜进入冷凝腔。由于储水结构浸没在海水中，种植槽中添加有土壤，给蒸汽提供了良好的冷凝环境。因此蒸汽进入冷凝腔后在种植槽的外表面以及储水结构的内表面上迅速冷凝，形成淡水并储存在储水结构中。同时，蒸汽在种植槽外侧冷凝的过程中加热土壤，使得植物能够更好地生长。在种植槽的底部连接有多孔亲水材料，淡水通过多孔亲水材料进入土壤层，以保证植物生长所需的水分。

有益效果：

(1)采用全反射聚光透镜进行聚光，太阳光进入聚光镜后经过多次全反射后到达面S1上并被其上的黑色涂层吸收，有效的加热该面与蒸馏膜之间的海水薄膜，在增大加热强度的同时，减少了能量损失，提高了加热效率。

(2)在海水与生成淡水之间采用蒸馏膜技术，能够有效的分离出淡水资源，提高了装置的可靠性与实用性。

(3)储水结构与种植槽采用内套结构，且在种植槽底部设置多孔亲水材料，通过该材料淡水进入种植槽，以保持土壤的水分，增加了装置的可控性。

(4)该装置能够直接漂浮在海面上，不需要设计单独的漂浮平台装置，结构简单，可单元化处理，多个单元之间通过拼接组合成较大规模面积的种植，满足人们不同规模的种植需求，有利于推广利用。

本发明对已提出的太阳能海上种植技术进行改善，采用全反射原理进行面聚光，实现高效加热海水；且该装置可以直接漂浮在海面上，不需要设计单独的漂浮平台布置装置。该装置的种植槽中可以添加土壤进行土培，也可以通过适当的改造进行水培。各个结构之间紧密结合，合理的分布受光面积和种植面积，有效的利用了海面空间。

附图说明

图1为本发明的平面结构图；

图2为本发明海上种植平台单元的立体结构图；

图3为本发明规模种植的立体结构图；

图4为本发明全反射聚光透镜的聚光原理图；

图5为本发明添加储水箱的立体结构图；

图6为本发明实施例种植水培植物的原理图；

图7为本发明实施例盆栽种植的立体结构图。

其中，1-太阳入射光；2-植物；3-土壤；4-种植槽；5-全反射聚光透镜；6-蒸馏膜；7-储水结构；8-淡水；9-多孔亲水材料；10-冷凝腔；11-海水薄膜；12-冷凝水滴；13-连接凹槽；14-连接凸起；15-水箱；16-管道；17-阀门；18-水培植物；19-填充物；20-内套镂空水培槽；21-盆体；22-海水；S1-聚光面；S2-反射面；S3-透射面。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台。该平台包括全反射聚光透镜、蒸馏膜、冷凝腔、储水结构、种植槽和多孔亲水材料。全反射聚光透镜与种植槽刚性连接；储水结构上部为镂空设计，下部空间为封闭结构，其安装在种植槽和全反射聚光透镜之间，上端固定在种植槽的开口上。蒸馏膜布置在储水结构上部周侧镂空结构的位置，将海水和冷凝腔隔开，避免海水进入，但热蒸汽可以通过蒸馏膜进入冷凝腔中，并在种植槽外表面和储水结构的内表面凝结为水滴，水滴下落进入储水结构的下部空间。种植槽中添加植物生长所需要的土壤，在热蒸汽被冷凝的同时，加热种植槽中的土壤，使植物可以更好的生长。种植槽的底部布置有多孔亲水材料，吸收淡水加湿土壤为植物生长提供水分。

如附图2和3所示，为基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台的单元立体结构图和规模种植的组合立体结构图。该装置漂浮在海面上，实现自生淡水和海上种植。在规模种植的情况下，种植平台的单元结构之间通过全反射聚光器四周的连接凸起和连接凹槽连接，实现大规模种植。

如图4所示，为本发明中全反射聚光透镜的聚光原理图。全反射聚光透镜采用特殊结构，内侧面为光线汇聚面S1，下倾斜面为全反射面S2，外侧面为透射面S3。具有一定倾角的太阳光线照射在聚光透镜的表面上，经过折射进入透镜内部，到达全反射面S2时，大部分光线在面S2上满足全反射条件，即大于或等于实现全反射的临界角，因此在该面上进行全反射；进而，一部分光线直接到达面S1，另一部分光线在透镜内部经过多次全反射最终也到达面S1；当然，会有少部分光线到达面S3进入相邻的全反射聚光透镜或从面S2射出，但是这部分光线很少，对聚光效率和整个系统的运行性能影响很小，可以忽略不计。面S1上镀有黑色涂层，光线到达S1后被S1面吸收，加热蒸馏膜和面S1之间的海水薄膜，热蒸汽通过蒸馏膜进入冷凝腔，进而实现系统聚光自生淡水的功能。对于全反射聚光透镜采用对称结构，主要是为了满足一天中不同时间不同太阳角度照射的需求。如附图4所示，在东西放置的情况下，上午的时候太阳从东侧照射，满足β＞θ(θ为临界角)，东侧透镜为主导聚光产生淡水；下午太阳逐渐到达西侧，满足α＞θ，左侧透镜成为主导聚光产生淡水；正午太阳光接近垂直照射的情况下，只要能够满足γ＞θ，两侧透镜均可实现面聚光产生淡水。因此，该装置能够保证植物在一天中的需水量。在南北放置的情况下原理类似，不再赘述。另外，全反射聚光器的设计角度大小可根据不同的聚光材料和海水浓度以及当地的太阳光入射角范围进行适当的调整；全反射聚光器表面和植被表面的比例关系，可以根据当地太阳光强度和植物生长需要进行合理的设计。

如附图5所示，为该装置添加水箱的平面结构意图。水箱主要用于在产水量较多时储存多于的淡水。水箱可通过管道布置到生活区，为人们的生产生活提供便利。在大规模种植时，储水结构可以连接一个或多个水箱，最大限度的方便人们的使用。

如图6所示，该装置在不改变原装置整体结构的前提下，将种植槽结构替换为镂空的内置套体结构，在内置镂空结构中添加石头或个人喜欢的装饰物品作为填充物，如假山石等，在增强观赏性的同时对水培植物的根茎起到一定的固定作用。储水结构则作为水培装置为植物为水培植物的生长提供水分。在培养过程中，可以根据植物需求在水中加入适当的营养液为植物生长提供营养。

如图7所示为本发明实施例盆栽种植的立体结构图。该装置增加了容纳海水的盆体，盆体中添加海水。太阳光照射在环状的全反射聚光透镜表面，经过折射和反射后达到面S1，进而加热海水薄膜，产生的热蒸汽通过蒸馏膜结构进入冷凝腔并在种植槽的外表面上凝结为淡水。淡水通过多孔亲水材料进入种植槽，为盆栽植物提供生长需要的水分。该装置结构简单，适合近海区域的人们种植盆栽等使用，也可以通过改变盆体的形状和大小种植植物使用。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台，其特种在于：所述装置包括种植槽(4)、全反射聚光透镜(5)、蒸馏膜(6)、储水结构(7)、多孔亲水材料(9)和冷凝腔(10)；它们的连接关系如下，全反射聚光透镜(5)与种植槽(4)刚性连接，储水结构(7)上部开口固定在种植槽的开口边沿上，多孔亲水材料(9)布置在种植槽(4)的底部；其中，种植槽(4)中有供植物(2)生长所需的土壤(3)；储水结构(7)下部为储存淡水(8)的空间，上部周侧设计为镂空结构并布置蒸馏膜(6)，即蒸馏膜(6)位于种植槽外表面(4)和全反射聚光透镜(5)的面S1之间，将海水(8)和冷凝腔(10)隔开，保证蒸馏膜(6)和全反射聚光透镜(5)的面S1之间存在海水薄膜(11)，蒸馏膜(6)和种植槽(4)之间构成冷凝腔(10)。

2.根据权利要求书1所述的基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台，其特征在于：全反射聚光透镜(5)包括聚光面S1、反射面S2和透射面S3，其根据光线的全反射原理(当光由光密介质射向光疏介质时，入射角大于或等于临界角)设计，使光线在面S2上实现全反射，最终汇聚在面S1上；聚光面S1上镀有黑色涂层，吸收光线后，加热蒸馏膜(6)和面S1之间的海水薄膜(11)，热蒸汽通过蒸馏膜(6)进入冷凝腔(10)并在壁面上形成冷凝水滴(12)。

3.根据权利要求书1所述的基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水种植平台，其特征在于：蒸馏膜(6)布置在储水结构(7)的上部周侧，位于全反射聚光透镜(5)和种植槽(4)之间，隔离了海水和冷凝腔(10)，阻止海水进入储水结构(7)，但可以让热蒸汽进入冷凝腔(10)。