海水温室

海水温室は、乾燥地域での作物の栽培と淡水の生産を可能にする温室構造です。乾燥地域は地球​​の陸地面積の約3分の1を占めています。海水温室技術は、世界的な水不足、ピークウォーター、土壌の塩害などの問題を緩和することを目的としています。^[1]このシステムは海水と太陽エネルギーを使用し、パッドアンドファン温室と同様の構造ですが、蒸発器と凝縮器が追加されています。^[1]海水は温室にポンプで送り込まれ、温帯作物の栽培に最適な条件である涼しく湿った環境を作り出します。^[1]淡水は、太陽熱淡水化の原理によって生成された凝縮状態で生成され、塩分や不純物が除去されます。^[2]最後に、残りの加湿された空気は温室から排出され、屋外の植物の生育条件を改善するために使用されます。

海水温室のコンセプトは、1991年にチャーリー・パトンの会社ライトワークス社（現在はシーウォーター・グリーンハウス社として知られている）によって初めて研究・開発された。チャーリー・パトンとフィリップ・デイヴィスは、1992年にカナリア諸島のテネリフェ島で開始された最初のパイロットプロジェクトに取り組んだ。プロトタイプの海水温室は英国で組み立てられ、テネリフェ島の360^{平方メートル}の敷地に建設された。^[1]栽培に成功した温帯作物には、トマト、ほうれん草、エンドウ豆、ピーマン、アーティチョーク、インゲン豆、レタスなどがある。

2番目のパイロット設計は、2000年にアラブ首長国連邦のアブダビにあるアル・アリヤム島の海岸に設置されました。この設計は、多スパンのポリハウスに似た軽量鋼構造で、完全に太陽エネルギーに依存しています。パイプアレイは、温度を下げて淡水生産を増やすことで温室の設計を改善するために設置されています。 ^[3]温室の面積は864 m ²で、1日の水生産量は1 m ³で、作物の灌漑需要をほぼ満たしています。^[1]

3番目の試験海水温室は864m2で^{、オマーンの}マスカット近郊にあり、1日あたり0.3～0.6m3の淡水を生産しています^。このプロジェクトは、スルタン・カブース大学とのコラボレーションとして作成されました。バティナ海岸で持続可能な園芸部門を開発する機会を提供します。これらのプロジェクトにより、適切な気象データがあれば、海水温室が世界の他の地域でどのように機能するかを正確に予測し、定量化する熱力学シミュレーションモデルの検証が可能になりました。^[4]

4番目のプロジェクトは、 2010年に設置されたオーストラリアのポートオーガスタの商業施設です。現在はサンドロップファームが所有・運営する20ヘクタールの海水温室で、さらに開発が進められています。^{[3] [5]}

5番目のデザインは2017年にソマリランドのベルベラに建設されました。^[6]このデザインは、高度な温室モデリング技術を使用して簡素化され、安価になるように研究されました。このデザインには、コア蒸発冷却要素を保持するシェーディングシステムが含まれています。^[6]

サハラ森林プロジェクト（SFP）は、海水温室技術と集光型太陽光発電を組み合わせ、ヨルダンとカタールにパイロットプロジェクトを構築しました。海水温室は1日あたり1ヘクタールあたり50m3の海水を蒸発させ、5m3の真水を収穫します。^[ 7 ^{] PV}パネルによる太陽光発電能力は、1350m2の栽培面積を持つ3ヘクタールのエリアで39kWを生み出します^。 [ ^8]温室は外気温より15度低いため、年間最大130,000kgの野菜と1日最大20,000リットルの真水を生産できます。^[8]さらに、このプロジェクトには、農業廃棄物と塩水蒸発からの再利用による窒素固定および塩分除去砂漠植物の土壌再生による緑化も含まれています。^[8]

海水温室は周囲の環境を利用して温帯作物を栽培し、淡水を生成します。従来の温室は太陽熱を利用して暖かい環境を作り出し、適切な生育温度を保ちますが、海水温室は逆に涼しい環境を作り出します。屋根は赤外線を閉じ込め、可視光を透過させて光合成を促進します。

微気候を冷却するための設計は、主に加湿と除湿（HD）淡水化プロセスまたは多重効果加湿で構成されています。^[9]単純な海水温室は、2つの蒸発冷却器（蒸発器）、凝縮器、ファン、海水と蒸留水のパイプ、および2つの蒸発器間の作物で構成されています。^[10]これは概略図1と2に示されています。

このプロセスは、温室の制御された環境内で、塩水源から水を蒸発させ、凝縮によって淡水に戻すことで、自然の水循環を再現する。 ^[1]システムの最初の部分では、海水、蒸発器、凝縮器を使用する。温室の正面の壁は、卓越風に面した海水で湿らせた蒸発器で構成されている。これらは主に、図3に示すように段ボールでできている。風が十分に強くない場合は、ファンが蒸発器を通して外気を温室に吹き込む。周囲の暖かい空気は海水と熱を交換し、海水は海水を冷却して加湿する。^{[10] [1]}冷たく湿った空気は、作物にとって適切な生育環境を作り出す。蒸発によって冷却された残りの海水は集められ、冷却剤として凝縮器に送られる。^[1]

システムの2番目の部分には、別の蒸発器があります。海水は最初の蒸発器から流れ出し、予熱された後、屋根の太陽熱集熱器を通過して十分に加熱され、2番目の蒸発器に流れます。^[10]海水、つまり冷却剤は、蒸発器、太陽熱パイプ、および海水を取り込んで真水を出力する凝縮器で構成される回路を流れます。真水は、灌漑に十分な蒸留水を生成することができる高温で比較的湿度の高い空気によって生成されます。^[10]真水の量は、気温、相対湿度、太陽放射、および空気の流量によって決まります。これらの条件は適切な気象データを使用してモデル化できるため、設計とプロセスを適切な場所に合わせて最適化できます。

この技術は、海に近い乾燥地帯のサイトに適用できる。サイトまで水を汲み上げるのに必要なエネルギーを考慮して、海からの距離と標高を評価する必要がある。海岸沿いには適した場所が数多くあるが、死海やカッタラ低地など海面下にある場所もあり、紅海・死海運河など、水圧を利用して発電する水力発電計画が提案されている。^{[16] [17]}

1996年、パトンとデイヴィスはMATLABのSimulinkツールキットを使用して、テネリフェ島、カーボベルデ、ナミビア、オマーンの温室の強制換気をモデル化しました。^[18]温室は、卓越風、蒸発冷却、蒸散、太陽熱、壁と屋根を通した熱伝達、および研究で分析された結露によって補助されています。^[18]彼らは、植物に必要な水の量が80％削減され、生産される真水1m3あたり2.6〜6.4kWhの電気エネルギーが必要であることを発見しました。^[18]

2005年、パトンとデイビスはアラブ首長国連邦のモデルを基準として熱モデリングによる設計オプションを評価しました。^[19]彼らは、環境を冷却し、最も多くの淡水を生成するためのより優れた海水回路を見つけるために、穴あきスクリーン、C字型の空気経路、パイプアレイの3つのオプションを研究しました。この研究では、パイプアレイが最良の結果をもたらすことがわかりました。気温が1°C低下し、平均放射温度が7.5°C低下し、淡水生産が63%増加しました。これは、アラブ首長国連邦の2番目のパイロット設計など、暑く乾燥した地域の海水温室を改善するために実装できます。^[19]

2018年、パトンとデイビスは、風力駆動海水温室での冷却と塩生産のための塩水利用を研究し、設計とモデル化を行いました。海水淡水化によって廃棄される塩水は、淡水と同じ量の塩水が生産されるため、生態系を乱す可能性があります。^[5]温室を海水の蒸発で冷却し、風力駆動の空気流による塩水有効活用方法を使用すると、図4に示すように塩を生産できます。 ^[5]この塩水は淡水生産の副産物ですが、塩を作るための原料にもなり、商品化できる製品になります。

この研究のさらなる発見は、図5に示されている研究で薄いフィルムでモデル化されたシェードネットの重要性でした。^[5]シェードネットは冷却効果をもたらすだけでなく、蒸発冷却パッドからの冷たい空気の煙を封じ込めることで冷却煙を長くします。^[5]

• 「エンジニアたちは自然の秘密を盗もうと競い合っている。種子をベースにした巨大風力タービン、甲虫を模した淡水化プラント」ガーディアン紙（2006年）
• 「海水温室：回復型農業への新たなアプローチ」
• 「サハラ森林プロジェクトは、淡水、食糧、エネルギーの新たな供給源です」