TWI543942B - 土地集熱式海水淡化系統 - Google Patents

Description

土地集熱式海水淡化系統

本發明是有關於一種海水淡化系統，特別是指一種設置於地表下淺層處之土地集熱式海水淡化系統。

近年來全球氣候暖化速度加快氣溫直線上升，最大主因是人類活動頻繁，產生了大量的二氧化碳和其他溫室氣體，造成了溫室效應，而全球暖化帶來包括海平面上升、降雨量及降雪量的數量與型態上的變化，這些變動也促使氣候更極端，譬如洪水、旱災、熱浪、颶風和龍捲風等，這種快速氣候變遷所帶來的衝擊，帶給地球生態更嚴峻的考驗，直接影響到人類的生活。

舉以乾旱來說，為對人類社會影響最嚴重的氣候災害之一，它具有出現頻率高、持續時間長、波及範圍廣的特點，且乾旱不僅會影響國家經濟，更加對農業生產帶來巨大的損失，還會造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發等諸多生態和環境方面的不利影響。

因此，可用的水資源開發顯得格外的重要，在眾多開發技術中，海水淡化特別受到矚目，因地球上的水資源含量最高的是海水，約佔全部水資源總量的97%，冰川或雪約佔2%，而人們日常生活中可以直接使用之淡水則不到1%，因人口急速增長所需要的用水量也相對增加，為了能夠提供足夠的淡水，目前世界各國的相關技術領域者利用海水淡化的設備及方法來進行海水淡化，所以目前已有許多種海水淡化技術問世。

目前的海水淡化技術大多以蒸餾原理來取 得淡水，其構造簡單，且所產出的淡水量亦較多，此技術主要是由一焚化爐燃燒將海水加熱至沸點汽化，再將所產生之水蒸氣藉由一蒸氣管導引至一冷凝室，之後經由該冷凝室冷凝以蒸餾出淡水。但是，燃燒過程中是使用重油來作為該焚化爐的燃料，燃燒後不僅對環境造成極大的污染，更會消耗大量的燃料。

另外更有一種以電能為主的海水淡化裝置，是將大量的海水由常溫加熱至沸點，來產生水蒸氣，此種方式亦會消耗大量的能源，由此可知，上述方式不但設備較昂貴，更耗費大量能源而使產出成本大增，所以無法普及地推廣使用。

參閱圖1，為中華民國發明公開第200936509號專利「海水淡化設備及方法」，該專利案揭露一種運用於海水淡化的方法，該海水淡化設備包含一海水抽取裝置11、一第一加熱裝置12、一第二加熱裝置13，及一淡水儲存槽14。該海水抽取裝置11包括有一抽水管111及一抽水馬達112，該第一加熱裝置12包括鋪設於沙灘上的預熱管123以及導熱砂124，該第二加熱裝置13包括一連接該預熱管123的容置槽133及設於該容置槽133頂部之透明屋頂134上的聚光透鏡部137。

該海水淡化方法是抽取海水導入該第一、第二加熱裝置12、13，利用沙灘上的砂及該導熱砂124吸收太陽能熱能之熱傳導作用對該預熱管123中的海水加熱，再以該聚光透鏡部137聚太陽能並對海水二次加熱以產生水蒸氣，之後收集蒸發凝結後的淡水，藉以利用太陽能作為加熱海水之熱源，達到成本低及節能目的。

習知的整個海水淡化過程中，熱源的供應主要為太陽能，雖無使用昂貴的太陽能聚光板及追日系統馬達，但實際實施時，習知的海水淡化設備需建置於便利海水抽取至一海水儲存槽113中儲放的海域周圍，以節省 抽取海水之抽水馬達112的電力，由此可知，習知的海水淡化設備侷限了使用區域，其實用性確實有待商榷。

經由以上之敘述，可知習知的海水淡化設備及方法於實際實施時，仍然有以下的缺點產生：

一、拆卸清洗不易

習知是將所抽取的海水經由管路導入預設於沙灘上的預熱管123中，而該預熱管123後端覆蓋有該導熱砂124，藉由太陽光照射在沙灘上的砂及導熱砂124，將熱能傳導至該預熱管123中，以使該預熱管123中的海水加熱，但海水長時間在該預熱管123中加熱，會使海水中的鹽份堆積於該預熱管123中，導致加熱效率降低，而需進行清洗，但是清洗該預熱管123內部程序不僅麻煩更是耗時，相對造成使用上的不便利性。

二、造價不斐、普及性低

習知的海水淡化設備需設置該海水抽取裝置11、該第一加熱裝置12、該第二加熱裝置13，及該淡水儲存槽14等設備，不僅造價昂貴且體積龐大不符合小區域或是僅需少量淡水的環境使用，導致習知的設計推廣不易，而因此限縮了運用範圍，令一般普羅大眾無法直接享受海水淡化所帶來的附加價值。

三、設置場所受限

習知的海水淡化設備需建置於海域周圍，藉由一端伸入海中的抽水管111，及與該抽水管111之另一端連接的抽水馬達112抽取海水，以節省抽取海水之抽水馬達112的電力，可見習知的海水淡化設備侷限了使用區域不具實用性，且無法確實改善乾旱地區所造成之水資源短缺問題。

綜上所述，習用所提及之海水淡化設備， 儘管能夠藉以利用太陽能作為加熱海水之熱源，但在使用時之便利性與實用性上皆存在諸多缺點與不足之處，無法發揮海水淡化的具體功效，基於產業進步之未來趨勢前提下，實屬有必要提出具體的改善方案，以符合產業進步之所需，為產業界提供更具實用價值的技術。

因此，本發明之目的，即在提供一種土地集熱式海水淡化系統，該土地集熱式海水淡化系統包含一基座，及複數集熱匣。

該基座設置於地表下淺層處，並包括一圍繞界定出複數容置空間之座體，及一蓋設於該座體上用以封閉該複數容置空間的蓋體。該複數集熱匣可分離地設置於該複數容置空間中，每一集熱匣概呈薄板狀並包括一板體、一由該板體所圍繞界定出之蒸發室、一設置於該板體上之進水口，及一設置於該板體上之出水口。

本發明之有益功效在於，藉由將援引海水自該進水口進入該蒸發室中，地表受日光照射後經由該板體對該蒸發室中的海水進行加熱，加熱後之海水蒸發凝結成水珠並自該出水口排出，以獲取淡水，不需建造昂貴且體積龐大的設備，即可達到海水淡化之功效，且透過大自然的太陽熱能作為加熱海水的應用，可有效降低成本，提升產業之競爭力。

3‧‧‧基座

30‧‧‧容置空間

31‧‧‧座體

311‧‧‧分隔件

312‧‧‧漏斗

313‧‧‧鎖固環

32‧‧‧蓋體

33‧‧‧滑軌

34‧‧‧鎖固件

35‧‧‧支撐柱

4‧‧‧集熱匣

41‧‧‧板體

411‧‧‧底板

412‧‧‧蓋板

413‧‧‧防水條

42‧‧‧蒸發室

43‧‧‧進水口

44‧‧‧出水口

45‧‧‧滾輪

46‧‧‧感應器

5‧‧‧進水單元

51‧‧‧馬達

52‧‧‧進水管

53‧‧‧單向閥

6‧‧‧出水單元

61‧‧‧出水管

62‧‧‧儲水槽

A‧‧‧地表

圖1是一立體示意圖，說明習知台灣發明公開第200936509號一種海水淡化設備及方法；圖2是一側視示意圖，說明本發明土地集熱式海水淡化系統之第一較佳實施例；圖3是一側視示意圖，說明該第一較佳實施例中複數 集熱匣與地表之熱能接觸受熱的態樣；圖4是一立體示意圖，說明該第一較佳實施例中該集熱匣之態樣；圖5是一上視示意圖，說明該第一較佳實施例中該集熱匣之開啟態樣；圖6是一上視示意圖，說明該第一較佳實施例的實際設置態樣；及圖7是一側視示意圖，說明本發明土地集熱式海水淡化系統之第二較佳實施例。

有關本發明之相關申請專利特色與技術內容，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在進行詳細說明前應注意的是，類似的元件是以相同的編號來作表示。

參閱圖2、3，及4，為本發明土地集熱式海水淡化系統之第一較佳實施例。該土地集熱式海水淡化系統包含一基座3、複數集熱匣4、一進水單元5，及一出水單元6。

該基座3是設置於地表A下淺層處，在一般情況下，地表溫度會高於氣溫，且該基座3包括一圍繞界定出複數容置空間30之座體31、一蓋設於該座體31上用以封閉該複數容置空間30的蓋體32、一用以將該座體31及該蓋體32鎖固在一起之鎖固件34，及複數設置於該座體31四周並埋設入地表中之支撐柱35。

值得一提的是，該座體31具有一鎖固環313，當多個基座3設置在一起時，可透過該鎖固環313與另一鎖固環313鎖設在一起，以將相鄰二基座3之支撐柱35連接鎖設在一起，增加移除、搬運的困難度進而降低該 基座3失竊的風險。

再者，透過該鎖固件34之設置，可降低該複數集熱匣4遭人偷竊之風險，實際實施時，可依使用者之所在區域的治安良好與否，而決定是否設置該鎖固件34，且特別說明的是，市面上所販賣之鎖固件34的鎖固型態樣式繁多，不應以該第一較佳實施例中所揭露為限。

該複數集熱匣4可分離地設置於該複數容置空間30中，每一集熱匣4概呈薄板狀並包括一板體41、一由該板體41所圍繞界定出之蒸發室42、一設置於該板體41上之進水口43、一設置於該板體41上之出水口44，及一設置於該蒸發室42中的感應器46，用以偵測該蒸發室42中的海水含量。

在該第一較佳實施例中，埋設入地表中之支撐柱35的數量為4個，而在同一基座3中該複數集熱匣4之數量為6個，圖2及圖3分別為該基座3相鄰兩邊之剖面示意圖，圖3更包含有兩個基座3相連接。

由於每一集熱匣4是被放置於該容置空間30中，並直接與該地表A相接觸，透過該板體41為一金屬外殼材質所製成，且為薄板狀形狀設計，可擴大該板體41與該地表A接觸的受熱面積，提升海水於該蒸發室42中的蒸發效率。

配合參閱圖5，該集熱匣4之板體41具有一底板411、一蓋設於該底板411上之蓋板412，及一設置於該蓋板412上用以使該蓋板412與該底板411密合之防水條413。該防水條413可進一步密合該底板411與該蓋板412，防止海水流出該蒸發室42外，當海水於該蒸發室42中受熱蒸發成淡水所殘留下來的鹽塊，可經由該底板411與該蓋板412之簡易開啟設計，便利使用者收集鹽塊回收再利用。當然，也可以利用一刷子清理該蒸發室42中所殘留的鹽粉。

配合參閱圖6，該進水單元5包括一用以抽取海水之馬達51、複數與該馬達51連接用以輸送海水至該進水口43之進水管52，及複數設置於該進水管52上之單向閥53。在該第一較佳實施例中，該單向閥53是設置在該進水口43與該進水管52間，供水注入該蒸發室42中，而不讓水蒸氣由該進水口432逸出。

該出水單元6包括複數與該出水口44連接之出水管61，及一連接該複數出水管61以收集淡水之儲水槽62，實際實施時，亦可在該基座3之蓋體32上設置複數通孔，以供該進水管52與該出水管61穿過該通孔，再與該進水口43及該出水口44連接在一起，不應以此為限。

特別說明的是，當本發明是裝設於極端惡劣、貧窮落後或是交通不便之自然環境下，亦可自行提取海水注入該蒸發室42中，反之，則可設置自動化的進水設備，以作為自動抽取海水之用，提升海水淡化之效率，不應以該第一較佳實施例揭露為限。

值得一提的是，設置於該蒸發室42中的感應器46是與該馬達51訊號連接，當該感應器46偵測到該蒸發室42中之無海水含量時，會發出訊號通知該馬達51作動，並將海水重新注入至對應之蒸發室42中，使海水淡化作業不間斷，提高海水淡化的效率，且不需透過使用者一一抽取出該集熱匣4以檢視該蒸發室42中是否仍有海水，有效提升該進水單元5供水之便利性。

在該第一較佳實施例中，是設置有六個基座3及與該複數基座3相配合之複數集熱匣4，再個別與該進水單元5及該出水單元6相連接。實際實施時，該馬達51援引海水，透過該進水管52將海水輸送至該進水口43，並進入該蒸發室42中，當地表受日光照射後經由設置於地表A下淺層處之板體41對該蒸發室42中的海水進行 加熱，使加熱後之海水蒸發凝結成水珠，並自與該出水口44連接之出水管61排出至收集淡水之儲水槽62中，以獲取利用自然資源所得之淡水。

在此，應注意的是，可將本發明之土地集熱式海水淡化系統設置於乾旱地區、小區域環境，或是海域周圍等，且該基座3及與該集熱匣4之設置數量與設置場所，可依使用者之經費預算作調整，不需建造昂貴且體積龐大的設備，即達到海水淡化之功效。

參閱圖7，為本發明土地集熱式海水淡化系統之第二較佳實施例，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例大致相同，相同之處於此不再贅述，不同之處在於，該基座3更包括複數設置於該容置空間30中的滑軌33，每一集熱匣4更包括二設置於該板體41兩側並與該容置空間30中之滑軌33相配合滑動之滾輪45，而該座體31更具有至少一可區隔出複數容置空間30之分隔件311，及複數設置於該容置空間30底部之漏斗312。

藉由該複數滑軌33與該二滾輪45之相配合滑動設計，便於該集熱匣4向上抽取。再者，該集熱匣4是設置於相鄰兩分隔件311之間，當抽取該集熱匣4時，地表A上的沙子會流入該容置空間30中，長時間下來會阻塞堆積於該容置空間30底部，導致該容置空間30的空間不足，而無法放置該集熱匣4，影響到該蓋體32無法封閉該複數容置空間30，而透過位於該複數容置空間30底部之複數漏斗312構造設計，可使沙子順著該漏斗312兩側流至地表A淺層處，避免經常清除堆積於該容置空間30底部沙子的困擾。

本發明之核心精神主要是以龐大的土地面積來換取足以供人類使用之淡水，在地球赤道如北非、中東地區等區域，其氣候炎熱且為常年具有高日照之環境，依據本案申請人之計算，若以1百萬平方公里之面積將可 換得年產量1兆噸的淡水。且本發明結構簡單，利於大規模複製，設備導入工業大量生產時可以降低成本，若以預期總產量與可實施的場域面積來計算，淡水的總產量將足以供應人類之用水需求。

經由以上實施例之敘述，可知本發明之土地集熱式海水淡化系統確實具有以下功效增進之處：

一、直接以土地捕捉太陽熱能

本發明土地集熱式海水淡化系統的最大特色是直接利用土地捕捉太陽熱能，因此毋須追日，避免額外浪費人力及設備建置，此外垂直插入該集熱匣4的作法，可將土地之單位面積所捕捉的太陽熱能盡可能有效地利用，創造最大淡水產量。

二、受熱面積大、蒸發效率高

透過薄板狀之板體41設計，可擴大受熱面積，提升海水於該蒸發室42中的蒸發效率，且該蓋板412與該底板411之開啟設計，讓使用者可便利收集該蒸發室42中的鹽塊，以提升該蒸發室42的受熱蒸發效率。

三、結構簡單，利於大規模複製

藉由設置於地表A下淺層處之基座3，及複數可分離地設置於該基座3之複數容置空間30中的複數集熱匣4，再利用該複數滑軌33與該二滾輪45之相配合滑動設計，便於該集熱匣4向上抽取使用，無繁雜之設置結構，整體結構無須機械輔助，只需利用人力即可完成組裝，提供使用者便利的安裝與設置設計，縱算將本發明設置於偏僻的地區，亦可達到快速組成而利於大規模複製之目的。

四、可實施場域大，預期淡水總產量高

地球人口已突破70億，預計2050年將突破 100億人口，但是現在地球上可供使用之淡水已經不足，本發明利用土地集熱，再將熱能用於將海水轉換成淡水，藉由地表上之土地來換取淡水生成，較佳地，將地球上可運用的沙漠土地面積用於新增淡水供給，提高淡水產量，可以解決人類的缺水危機。

五、便利清理

藉由該蓋板412及蓋設於該底板411上之蓋板412，讓使用者可便利清理該蒸發室42中的鹽塊，避免習知海水中的鹽份堆積於該預熱管123中，導致加熱效率降低，且該複數設置於該容置空間30底部之漏斗312，可使沙子順著該漏斗312兩側流至地表A淺層處，避免需經常清除堆積於該容置空間30底部沙子的困擾。

六、提升供水便利性

透過設置於該蒸發室42中的感應器46，用以偵測該蒸發室42中是否仍有海水，可使海水淡化作業不間斷，提高海水淡化的效率，且不需透過使用者一一抽取該集熱匣4以檢視該蒸發室42中是否仍有海水，有效提升該進水單元5供水之便利性。

本發明不同於習知利用燃料燃燒來加熱海水的手段以獲取淡水，不僅對環境造成極大的污染，消耗大量的燃料，抑或是需運用一追日系統馬達與一太陽能聚光板，利用太陽熱能將海水汽化蒸發為水蒸氣，以吸收最大量的太陽能，而所使用的太陽能聚光板及該追日系統馬達成本昂貴，相對提高太陽能海水淡化設備的成本。反觀本案，是將該複數集熱匣4埋設於地表A下，直接利用土地來捕捉太陽熱能，無需額外浪費人力及設置昂貴的設備，且沒有再耗費其它能源，而是直接應用天然資源蒸發 海水，所以能源的使用成本相當低，且所回收的淡水仍具有一定的產量，更可解決水資源供需失衡的問題，故確實符合產業進步之所需。

綜上所述，本發明之土地集熱式海水淡化系統，藉由該進水單元5之將海水輸送至設置於地表下淺層處的複數集熱匣4中，使受太陽光照射之地表A將熱傳導至該板體41，以使該蒸發室42中的海水凝結成水珠，再透過該出水單元6之出水管61收集淡水到該儲水槽62中，以達到海水淡化之功效，透過大自然中的天然資源太陽熱能作為加熱海水的應用，降低一般燃料之使用成本，且透過該底板411與該蓋板412之設計，不僅讓使用者可便利收集鹽塊回收再利用，更提升該蒸發室42的受熱蒸發效率，故確實可以達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之二個較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧基座

30‧‧‧容置空間

31‧‧‧座體

313‧‧‧鎖固環

32‧‧‧蓋體

35‧‧‧支撐柱

4‧‧‧集熱匣

41‧‧‧板體

42‧‧‧蒸發室

A‧‧‧地表

Claims (4)

1. 一種土地集熱式海水淡化系統，包含：一基座，設置於地表下淺層處，並包括一圍繞界定出複數容置空間之座體、一蓋設於該座體上用以封閉該複數容置空間的蓋體、複數設置於該座體四周並埋設入地表中之支撐柱、複數設置於該容置空間中的滑軌，及一用以將該座體及該蓋體鎖固在一起之鎖固件，該座體更具有一鎖固環，當多個基座設置在一起時透過該鎖固環與另一鎖固環鎖設在一起；及複數集熱匣，可分離地設置於該複數容置空間中，每一集熱匣概呈薄板狀並包括一板體、一由該板體所圍繞界定出之蒸發室、一設置於該板體上之進水口、二設置於該板體兩側並與該容置空間中之滑軌相配合滑動之滾輪、一設置於該板體上之出水口，及一水量感應器，該集熱匣之板體具有一底板、一蓋設於該底板上之蓋板，及一設置於該蓋板上用以使該蓋板與該底板密合之防水條，該水量感應器是設置於該蒸發室中，用以偵測該蒸發室中的海水含量；援引海水自該進水口進入該蒸發室中，地表受日光照射後經由該板體對該蒸發室中的海水進行加熱，加熱後之海水蒸發凝結成水珠並自該出水口排出，以獲取淡水。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之土地集熱式海水淡化系統，其中，該座體具有至少一可區隔出複數容置空間之分隔件，及複數設置於該容置空間底部之漏斗。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之土地集熱式海水淡化系統，更包含一進水單元及一出水單元，該進水單元包括一用以抽取海水之馬達、複數與該馬達連接用以輸送海水至該進水口之進水管，及一設置於該進水管上之單向閥，該出水單元包括複數與該出水口連接之出水管，及一連接該複數出水管以收集淡水之儲水槽。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之土地集熱式海水淡化系統，其中，該感應器與該馬達訊號連接，當該感應器偵測到該蒸發室中之無海水含量時，會發出訊號通知該馬達作動，並將海水重新注入至該蒸發室中。