本發(fā)明涉及一種基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)。基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)由若干個(gè)種植單元組成，是一種漂浮在海面上的，利用全反射原理聚光進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自生淡水以供植物生長的種植系統(tǒng)，屬于太陽能聚光和新能源應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人類文明社會(huì)的發(fā)展，地球的生態(tài)環(huán)境受到極大的負(fù)累，同時(shí)，水資源短缺問題成為21世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。眾所周知，海洋表面占地球表面的70％以上，它是地球態(tài)環(huán)境的重要組成和創(chuàng)造者，是地球生命的發(fā)源地。針對(duì)我國海岸線綿長的地理優(yōu)勢，利用海水淡化技術(shù)開辟淡水資源無疑會(huì)有效緩解水資源危機(jī)。同時(shí)在陸地面積有限且不斷遭受破壞性創(chuàng)傷的情況下，一些學(xué)者提出海上種植養(yǎng)殖的觀點(diǎn)，進(jìn)而，在海面上獲得淡水資源以滿足種植養(yǎng)殖的需求成為我們解決問題的焦點(diǎn)。

針對(duì)海面上的可再生能源利用方面，太陽能是我們可以直接利用的能源之一，在世界上也得到很多的關(guān)注，其中太陽能聚光是太陽能利用的基礎(chǔ)。目前，太陽能聚光系統(tǒng)主要有槽式、線性菲涅耳型、塔式和碟式等。以上裝置的聚光原理均是通過反射或透射鏡面將太陽光線性聚焦并產(chǎn)生高溫?zé)崮?。這些裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是都不能很好的與海面種植系統(tǒng)結(jié)合。在海面上安裝布置以上裝置均需要建立不同大小的漂浮平臺(tái)，裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。另外這些裝置大多需要安裝在植被系統(tǒng)的上方，遮擋了植物的光照，對(duì)植物的生長造成一定的影響。

針對(duì)以上問題，提出基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)的技術(shù)方案。該裝置可以直接漂浮在海面上，其特點(diǎn)是太陽入射光在全反射聚光透鏡內(nèi)部多次反射最終匯聚到鍍有黑色涂層的聚光面S1，加熱面S1和蒸餾膜之間的海水使其蒸發(fā)，熱蒸汽通過蒸餾膜進(jìn)入冷凝腔，進(jìn)而在儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面或種植槽的外表面冷卻凝結(jié)，產(chǎn)生的淡水儲(chǔ)存在儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的下部空間，淡水通過多孔親水材料進(jìn)入種植槽，從而為植物的生長提供水分。全反射聚光透鏡、蒸餾膜、儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)、種植槽以及多孔親水材料等結(jié)構(gòu)合而為一，變成一個(gè)濃縮的單元系統(tǒng)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)⒍鄠€(gè)單元組合，滿足不同規(guī)模的種植需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，為了改善現(xiàn)有海上種植系統(tǒng)裝置的性能，簡化整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并改善植物的生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)太陽能海水淡化系統(tǒng)與海上種植系統(tǒng)的耦合，本發(fā)明提供了一種基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)。該平臺(tái)基于全反射聚光原理，采用蒸餾膜技術(shù)生產(chǎn)淡水為植物和人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活提供淡水資源。聚光透鏡采用經(jīng)設(shè)計(jì)的能夠?qū)崿F(xiàn)固定面出射的全反射聚光透鏡進(jìn)行聚光，且可以根據(jù)不同地區(qū)的日照角度調(diào)整透鏡各表面的設(shè)計(jì)角度。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過預(yù)估培育植物的需水量，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整全反射聚光透鏡的太陽光接收面與植被表面的比例關(guān)系，以達(dá)到最優(yōu)的生態(tài)模式。

一種基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)，該裝置包括全反射聚光透鏡、蒸餾膜、儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)、種植槽、多孔親水材料和冷凝腔。其中種植槽內(nèi)添加供植物生長的土壤，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)和種植槽內(nèi)套分布，組成獨(dú)立的種植單元。

各部分的連接關(guān)系如下，全反射聚光透鏡與種植槽剛性連接，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)安裝在種植槽和全反射聚光透鏡之間，上部固定在種植槽的開口上。其中，種植槽中有供植物生長所需的土壤；儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)上部周側(cè)設(shè)計(jì)為鏤空結(jié)構(gòu)，并布置蒸餾膜，兩者與種植槽共同構(gòu)成淡水的生成和儲(chǔ)存空間。蒸餾膜位于種植槽和儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)之間，隔開海水和冷凝腔，保證蒸餾膜和全反射聚光透鏡的面S1之間存在海水薄膜。多孔親水材料布置在種植槽的底部，用于吸收水分加濕土壤為植物提供水分。

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種植平臺(tái)在光照條件下，一部分光線直接照射植物，為植物生長提供陽光，另一部分光線進(jìn)入全反射聚光透鏡，經(jīng)過多次全反射后匯聚在鍍有黑色圖層S1面上，加熱S1面與蒸餾膜之間的海水薄膜，加熱后海水在蒸餾膜的外側(cè)產(chǎn)生熱蒸汽。根據(jù)蒸餾膜的工作原理，它將海水與儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)上部的冷凝腔隔開，避免海水進(jìn)入，但產(chǎn)生的熱蒸汽可以通過蒸餾膜進(jìn)入冷凝腔。由于儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)浸沒在海水中，種植槽中添加有土壤，給蒸汽提供了良好的冷凝環(huán)境。因此蒸汽進(jìn)入冷凝腔后在種植槽的外表面以及儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上迅速冷凝，形成淡水并儲(chǔ)存在儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)中。同時(shí)，蒸汽在種植槽外側(cè)冷凝的過程中加熱土壤，使得植物能夠更好地生長。在種植槽的底部連接有多孔親水材料，淡水通過多孔親水材料進(jìn)入土壤層，以保證植物生長所需的水分。

有益效果：

(1)采用全反射聚光透鏡進(jìn)行聚光，太陽光進(jìn)入聚光鏡后經(jīng)過多次全反射后到達(dá)面S1上并被其上的黑色涂層吸收，有效的加熱該面與蒸餾膜之間的海水薄膜，在增大加熱強(qiáng)度的同時(shí)，減少了能量損失，提高了加熱效率。

(2)在海水與生成淡水之間采用蒸餾膜技術(shù)，能夠有效的分離出淡水資源，提高了裝置的可靠性與實(shí)用性。

(3)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)與種植槽采用內(nèi)套結(jié)構(gòu)，且在種植槽底部設(shè)置多孔親水材料，通過該材料淡水進(jìn)入種植槽，以保持土壤的水分，增加了裝置的可控性。

(4)該裝置能夠直接漂浮在海面上，不需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的漂浮平臺(tái)裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可單元化處理，多個(gè)單元之間通過拼接組合成較大規(guī)模面積的種植，滿足人們不同規(guī)模的種植需求，有利于推廣利用。

本發(fā)明對(duì)已提出的太陽能海上種植技術(shù)進(jìn)行改善，采用全反射原理進(jìn)行面聚光，實(shí)現(xiàn)高效加熱海水；且該裝置可以直接漂浮在海面上，不需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的漂浮平臺(tái)布置裝置。該裝置的種植槽中可以添加土壤進(jìn)行土培，也可以通過適當(dāng)?shù)母脑爝M(jìn)行水培。各個(gè)結(jié)構(gòu)之間緊密結(jié)合，合理的分布受光面積和種植面積，有效的利用了海面空間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的平面結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明海上種植平臺(tái)單元的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明規(guī)模種植的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明全反射聚光透鏡的聚光原理圖；

圖5為本發(fā)明添加儲(chǔ)水箱的立體結(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例種植水培植物的原理圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例盆栽種植的立體結(jié)構(gòu)圖。

其中，1-太陽入射光；2-植物；3-土壤；4-種植槽；5-全反射聚光透鏡；6-蒸餾膜；7-儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)；8-淡水；9-多孔親水材料；10-冷凝腔；11-海水薄膜；12-冷凝水滴；13-連接凹槽；14-連接凸起；15-水箱；16-管道；17-閥門；18-水培植物；19-填充物；20-內(nèi)套鏤空水培槽；21-盆體；22-海水；S1-聚光面；S2-反射面；S3-透射面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

如附圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)。該平臺(tái)包括全反射聚光透鏡、蒸餾膜、冷凝腔、儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)、種植槽和多孔親水材料。全反射聚光透鏡與種植槽剛性連接；儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)上部為鏤空設(shè)計(jì)，下部空間為封閉結(jié)構(gòu)，其安裝在種植槽和全反射聚光透鏡之間，上端固定在種植槽的開口上。蒸餾膜布置在儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)上部周側(cè)鏤空結(jié)構(gòu)的位置，將海水和冷凝腔隔開，避免海水進(jìn)入，但熱蒸汽可以通過蒸餾膜進(jìn)入冷凝腔中，并在種植槽外表面和儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面凝結(jié)為水滴，水滴下落進(jìn)入儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的下部空間。種植槽中添加植物生長所需要的土壤，在熱蒸汽被冷凝的同時(shí)，加熱種植槽中的土壤，使植物可以更好的生長。種植槽的底部布置有多孔親水材料，吸收淡水加濕土壤為植物生長提供水分。

如附圖2和3所示，為基于全反射聚光的海上漂浮式自生淡水種植平臺(tái)的單元立體結(jié)構(gòu)圖和規(guī)模種植的組合立體結(jié)構(gòu)圖。該裝置漂浮在海面上，實(shí)現(xiàn)自生淡水和海上種植。在規(guī)模種植的情況下，種植平臺(tái)的單元結(jié)構(gòu)之間通過全反射聚光器四周的連接凸起和連接凹槽連接，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模種植。

如圖4所示，為本發(fā)明中全反射聚光透鏡的聚光原理圖。全反射聚光透鏡采用特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)面為光線匯聚面S1，下傾斜面為全反射面S2，外側(cè)面為透射面S3。具有一定傾角的太陽光線照射在聚光透鏡的表面上，經(jīng)過折射進(jìn)入透鏡內(nèi)部，到達(dá)全反射面S2時(shí)，大部分光線在面S2上滿足全反射條件，即大于或等于實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角，因此在該面上進(jìn)行全反射；進(jìn)而，一部分光線直接到達(dá)面S1，另一部分光線在透鏡內(nèi)部經(jīng)過多次全反射最終也到達(dá)面S1；當(dāng)然，會(huì)有少部分光線到達(dá)面S3進(jìn)入相鄰的全反射聚光透鏡或從面S2射出，但是這部分光線很少，對(duì)聚光效率和整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行性能影響很小，可以忽略不計(jì)。面S1上鍍有黑色涂層，光線到達(dá)S1后被S1面吸收，加熱蒸餾膜和面S1之間的海水薄膜，熱蒸汽通過蒸餾膜進(jìn)入冷凝腔，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聚光自生淡水的功能。對(duì)于全反射聚光透鏡采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，主要是為了滿足一天中不同時(shí)間不同太陽角度照射的需求。如附圖4所示，在東西放置的情況下，上午的時(shí)候太陽從東側(cè)照射，滿足β＞θ(θ為臨界角)，東側(cè)透鏡為主導(dǎo)聚光產(chǎn)生淡水；下午太陽逐漸到達(dá)西側(cè)，滿足α＞θ，左側(cè)透鏡成為主導(dǎo)聚光產(chǎn)生淡水；正午太陽光接近垂直照射的情況下，只要能夠滿足γ＞θ，兩側(cè)透鏡均可實(shí)現(xiàn)面聚光產(chǎn)生淡水。因此，該裝置能夠保證植物在一天中的需水量。在南北放置的情況下原理類似，不再贅述。另外，全反射聚光器的設(shè)計(jì)角度大小可根據(jù)不同的聚光材料和海水濃度以及當(dāng)?shù)氐奶柟馊肷浣欠秶M(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整；全反射聚光器表面和植被表面的比例關(guān)系，可以根據(jù)當(dāng)?shù)靥柟鈴?qiáng)度和植物生長需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

如附圖5所示，為該裝置添加水箱的平面結(jié)構(gòu)意圖。水箱主要用于在產(chǎn)水量較多時(shí)儲(chǔ)存多于的淡水。水箱可通過管道布置到生活區(qū)，為人們的生產(chǎn)生活提供便利。在大規(guī)模種植時(shí)，儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)可以連接一個(gè)或多個(gè)水箱，最大限度的方便人們的使用。

如圖6所示，該裝置在不改變原裝置整體結(jié)構(gòu)的前提下，將種植槽結(jié)構(gòu)替換為鏤空的內(nèi)置套體結(jié)構(gòu)，在內(nèi)置鏤空結(jié)構(gòu)中添加石頭或個(gè)人喜歡的裝飾物品作為填充物，如假山石等，在增強(qiáng)觀賞性的同時(shí)對(duì)水培植物的根莖起到一定的固定作用。儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)則作為水培裝置為植物為水培植物的生長提供水分。在培養(yǎng)過程中，可以根據(jù)植物需求在水中加入適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)液為植物生長提供營養(yǎng)。

如圖7所示為本發(fā)明實(shí)施例盆栽種植的立體結(jié)構(gòu)圖。該裝置增加了容納海水的盆體，盆體中添加海水。太陽光照射在環(huán)狀的全反射聚光透鏡表面，經(jīng)過折射和反射后達(dá)到面S1，進(jìn)而加熱海水薄膜，產(chǎn)生的熱蒸汽通過蒸餾膜結(jié)構(gòu)進(jìn)入冷凝腔并在種植槽的外表面上凝結(jié)為淡水。淡水通過多孔親水材料進(jìn)入種植槽，為盆栽植物提供生長需要的水分。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，適合近海區(qū)域的人們種植盆栽等使用，也可以通過改變盆體的形狀和大小種植植物使用。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。