Szklarnia z wodą morską

Szklarnia z wodą morską to struktura szklarniowa , która umożliwia wzrost upraw i produkcję słodkiej wody w suchych regionach, które stanowią około jednej trzeciej powierzchni lądowej Ziemi. To odpowiedź na globalny niedobór wody i szczyt wody oraz zasoloną glebę. System wykorzystuje wodę morską i energię słoneczną . Wykorzystuje podobną strukturę do szklarni typu pad-and-fan, ale z dodatkowymi parownikami i skraplaczami. Woda morska jest pompowana do szklarni w celu stworzenia chłodnego i wilgotnego środowiska, optymalnych warunków do uprawy roślin o klimacie umiarkowanym. Słodka woda jest wytwarzana w stanie skondensowanym na zasadzie odsalania słonecznego, które usuwa sól i zanieczyszczenia. Na koniec pozostałe nawilżone powietrze jest usuwane ze szklarni i wykorzystywane do poprawy warunków wzrostu roślin uprawianych na wolnym powietrzu.

Projektowanie

Seawater Greenhouse Ltd

Koncepcja szklarni z wodą morską została po raz pierwszy zbadana i opracowana w 1991 roku przez firmę Charliego Patona Light Works Ltd, która jest obecnie znana jako Seawater Greenhouse Ltd. Charlie Paton i Philip Davies pracowali nad pierwszym projektem pilotażowym rozpoczętym w 1992 roku na Wyspie Kanaryjskiej Teneryfa . Prototypowa szklarnia z wodą morską została zmontowana w Wielkiej Brytanii i zbudowana na terenie Teneryfy o powierzchni 360 m ² . Uprawy z powodzeniem uprawiane w strefie umiarkowanej obejmowały pomidory, szpinak, groszek karłowaty, paprykę, karczochy, fasolkę szparagową i sałatę.

Drugi projekt pilotażowy został zainstalowany w 2000 roku na wybrzeżu wyspy Al-Aryam w Abu Zabi w Zjednoczonych Emiratach Arabskich. Projekt jest lekką konstrukcją stalową, przypominającą wieloprzęsłowy tunel foliowy, który opiera się wyłącznie na energii słonecznej. Zainstalowano układ rur, aby ulepszyć projekt szklarni poprzez obniżenie temperatury i zwiększenie produkcji słodkiej wody. Szklarnia ma powierzchnię 864 m ² i wytwarza dziennie 1 m ^{3 wody} , co prawie pokrywa zapotrzebowanie upraw na nawadnianie.

Trzecia pilotażowa szklarnia z wodą morską, o powierzchni 864 m ² , znajduje się w pobliżu Maskatu w Omanie i produkuje dziennie od 0,3 do 0,6 m ^{3 słodkiej wody.} Ten projekt powstał w ramach współpracy pomiędzy Sultan Qaboos University. Daje możliwość rozwoju zrównoważonego sektora ogrodniczego na wybrzeżu Batinah. Projekty te umożliwiły walidację termodynamicznego modelu symulacyjnego, który przy odpowiednich danych meteorologicznych dokładnie przewiduje i określa ilościowo, jak szklarnia z wodą morską będzie działać w innych częściach świata.

Czwarty projekt to komercyjna instalacja w Port Augusta w Australii, zainstalowana w 2010 roku. Obecnie jest to 20-hektarowa szklarnia z wodą morską, której właścicielem i operatorem jest Sundrop Farms , która dalej ją rozwijała.

Piąty projekt powstał w 2017 roku w Berberze w Somalii. Zbadano, aby projekt był uproszczony i niedrogi dzięki zaawansowanym technikom modelowania szklarni. Ta konstrukcja obejmuje system cieniowania, który zachowuje rdzeniowe elementy chłodzące wyparne.

Projekt Lasu Sahary

Sahara Forest Project (SFP) łączy technologię szklarniową z wodą morską i skoncentrowaną energią słoneczną oraz zrealizowane projekty pilotażowe w Jordanii i Katarze. Szklarnia z wodą morską odparowuje 50 m ³ wody morskiej i zbiera 5 m ³ świeżej wody na hektar dziennie. Zdolność produkcyjna energii słonecznej poprzez panele fotowoltaiczne wytwarza 39 KW na obszarze 3 hektarów o powierzchni 1350 m ² obszar uprawy. W szklarniach jest o 15 stopni chłodniej niż na zewnątrz, co umożliwia produkcję do 130 000 kg warzyw rocznie i do 20 000 litrów świeżej wody dziennie. Dodatkowo projekt obejmuje odnowę roślinności poprzez rekultywację gleby roślinami pustynnymi wiążącymi azot i usuwającymi sól poprzez ponowne wykorzystanie odpadów z rolnictwa i parowanie słonej wody.

Proces

Szklarnia z wodą morską wykorzystuje otaczające środowisko do uprawy roślin o klimacie umiarkowanym i produkcji słodkiej wody. Konwencjonalna szklarnia wykorzystuje ciepło słoneczne do stworzenia cieplejszego środowiska, aby umożliwić odpowiednią temperaturę wzrostu, podczas gdy szklarnia z wodą morską działa odwrotnie, tworząc chłodniejsze środowisko. Dach zatrzymuje ciepło podczerwone, jednocześnie przepuszczając światło widzialne, aby promować fotosyntezę .

Projekt chłodzenia mikroklimatu polega przede wszystkim na nawilżaniu i osuszaniu (HD) procesie odsalania lub nawilżania wieloefektowego . Prosta szklarnia z wodą morską składa się z dwóch chłodnic wyparnych (parowników), skraplacza, wentylatorów, rur wody morskiej i wody destylowanej oraz upraw pomiędzy dwoma parownikami. Pokazano to na schematycznych rysunkach 1 i 2.

Rysunek 1. Przód szklarni z wodą morską na wybrzeżu, Teneryfa , 22 sierpnia 2011 r.	Rysunek 2. Tył szklarni z wodą morską na wybrzeżu, Teneryfa , 22 sierpnia 2011 r.

Proces ten odtwarza naturalny cykl hydrologiczny w kontrolowanym środowisku szklarni poprzez odparowanie wody ze źródła wody słonej i odzyskanie jej jako wody słodkiej poprzez kondensację. Pierwsza część systemu wykorzystuje wodę morską, parownik i skraplacz. Przednia ściana szklarni składa się z parownika zwilżanego wodą morską który jest skierowany w stronę dominującego wiatru. Składają się one głównie z tektury falistej pokazanej na rysunku 3. Jeśli wiatr nie jest wystarczająco silny, wentylatory wdmuchują powietrze z zewnątrz przez parownik do szklarni. Ciepłe powietrze z otoczenia wymienia ciepło z wodą morską, która je schładza i nawilża. Chłodne i wilgotne powietrze stwarza odpowiednie warunki do wzrostu roślin. Pozostała woda morska schłodzona przez odparowanie jest zbierana i pompowana do skraplacza jako chłodziwo.

Rysunek 3: Karton do szklarni z wodą morską

Druga część układu posiada kolejny parownik. Woda morska wypływa z pierwszego parownika, który ją podgrzewa, a następnie przepływa przez kolektor słoneczny na dachu, aby wystarczająco ją ogrzać, zanim przepłynie do drugiego parownika. Woda morska lub chłodziwo przepływa przez obwód składający się z parowników, rury ogrzewania słonecznego i skraplacza z wlotem wody morskiej i wylotem świeżej wody. Świeża woda jest wytwarzana przez gorące i stosunkowo wilgotne powietrze, które może wytworzyć wystarczającą ilość wody destylowanej do nawadniania. Objętość słodkiej wody zależy od temperatury powietrza, wilgotności względnej, promieniowania słonecznego i natężenia przepływu powietrza. Warunki te można modelować za pomocą odpowiednich danych meteorologicznych, co umożliwia optymalizację projektu i procesu dla dowolnej odpowiedniej lokalizacji.

Stosowalność

Technika ta ma zastosowanie do miejsc w suchych regionach w pobliżu morza. Odległość i wysokość od morza należy ocenić, biorąc pod uwagę energię potrzebną do pompowania wody na miejsce. Istnieje wiele odpowiednich miejsc na wybrzeżach; inne znajdują się poniżej poziomu morza, takie jak Morze Martwe i Depresja Qattara , gdzie zaproponowano systemy wodne do wykorzystania ciśnienia hydraulicznego do generowania energii, np. Kanał Morze Czerwone – Morze Martwe .

Studia

W 1996 roku Paton i Davies wykorzystali zestaw narzędzi Simulink w środowisku MATLAB do modelowania wymuszonej wentylacji szklarni na Teneryfie, Wyspach Zielonego Przylądka, Namibii i Omanie. Szklarnia jest wspomagana przez dominujący wiatr, chłodzenie wyparne, transpirację, ogrzewanie słoneczne, przenoszenie ciepła przez ściany i dach oraz skraplanie, które jest analizowane w badaniu. Stwierdzili, że ilość wody potrzebnej roślinom zmniejsza się o 80%, a do wyprodukowania m3 świeżej wody potrzeba 2,6-6,4 kWh energii elektrycznej.

W 2005 roku Paton i Davis ocenili opcje projektowe za pomocą modelowania termicznego, wykorzystując jako punkt odniesienia model Zjednoczonych Emiratów Arabskich. Przeanalizowali trzy opcje: perforowany ekran, ścieżkę powietrza w kształcie litery C i układ rur, aby znaleźć lepszy obieg wody morskiej do chłodzenia środowiska i produkcji jak największej ilości słodkiej wody. Badanie wykazało, że układ rur dał najlepsze wyniki: spadek temperatury powietrza o 1 ° C, spadek średniej temperatury promieniowania o 7,5 ° C i wzrost produkcji słodkiej wody o 63%. Można to wdrożyć w celu ulepszenia szklarni z wodą morską w gorących i suchych regionach, takich jak drugi projekt pilotażowy w Zjednoczonych Emiratach Arabskich.

W 2018 roku Paton i Davis badali wykorzystanie solanki do chłodzenia i produkcji soli w napędzanych wiatrem szklarniach z wodą morską, aby je zaprojektować i wymodelować. Solanka usuwana przez odsalanie wody morskiej może zakłócać ekosystem, ponieważ taka sama ilość solanki jest produkowana jako woda słodka. Wykorzystując metodę waloryzacji solanki polegającą na przepływie powietrza napędzanego wiatrem poprzez chłodzenie szklarni przez odparowanie wody morskiej, można wyprodukować sól, jak pokazano na rysunku 4. Ta solanka jest produktem ubocznym produkcji słodkiej wody, ale może być również składnikiem do produkcji sól, czyniąc z niej produkt, który można sprzedać.

Rysunek 4: Podstawowa koncepcja szklarni z wodą morską do wykorzystania solanki.

Dodatkowym odkryciem tych badań było znaczenie siatki zacieniającej, która jest modelowana przez cienką warstwę w badaniu pokazanym na rysunku 5. Nie tylko zapewnia ona chłodzenie, ale także wydłuża chmurę chłodzącą, zatrzymując chmurę zimnego powietrza z parownika. opatrunek chłodzący.

Rysunek 5: Model geometryczny siatki cieniującej do wyznaczania spadku ciśnienia przedstawiający (a) lokalny układ współrzędnych oraz (b) płaszczyzny symetrii (linie kropkowane) użyte w celu uproszczenia modelowania.

Zobacz też

Linki zewnętrzne