海水温室
乾燥地域向けの温室技術

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の緩和を目指しています。[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凝縮された状態で生成され、塩分や不純物が除去されます。[2]最後に、残りの加湿空気は温室から排出され、屋外の植物の生育環境を改善するために使用されます。

プロジェクト

シーウォーターグリーンハウス株式会社

海水温室のコンセプトは、1991年にチャーリー・パトン氏の会社ライト・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ました。チャーリー・パトン氏とフィリップ・デイヴィス氏は、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携わりました。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ました。[1]栽培に成功した温帯作物には、トマト、ホウレンソウ、エンドウ豆、ピーマン、アーティチョーク、インゲン豆、レタスなどがありました。

2番目のパイロット設計は、2000年にアラブ首長国連邦アブダビのアル・アリアム島沿岸に設置されました。この設計は、多スパン・ポリハウスに似た軽量鋼構造で、太陽エネルギーのみで稼働します。温室の設計を改善するため、配管アレイが設置され、温度を下げ、淡水生産量を増加させました。[3]温室の面積は864平方メートルで、 1日あたりの水生産量は1立方メートルで、作物の灌漑需要をほぼ満たしています。[1]

3つ目のパイロット海水温室は864平方メートルで、オマーンのマスカット近郊に位置し、1日あたり0.3～0.6立方メートルの淡水を生産しています。このプロジェクトは、スルタン・カブース大学との共同研究として開始されました。バティナ海岸における持続可能な園芸セクターの発展の機会を提供します。これらのプロジェクトにより、適切な気象データを用いることで、海水温室が世界の他の地域においてどのように機能するかを正確に予測し、定量化でき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番目の設計は2017年にソマリランドのベルベラに建設されました。[6]この設計は、高度な温室モデリング技術を用いて、簡素化と低コスト化が図られました。この設計には、コアとなる蒸発冷却要素を維持する遮光システムが含まれています。[6]

サハラ森林プロジェクト

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熱発電を組み合わせ、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ヘクタールあたり1日50立方メートルの海水を蒸発させ、 5立方メートルの真水を採取します。 [ 7] PVパネルによる太陽光発電能力は、 1350平方メートルの栽培面積を持つ3ヘクタールの面積で39kWを生産します。[8]温室は外気温より15度低いため、年間最大13万キログラムの野菜と1日最大2万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、農業廃棄物の再利用と海水蒸発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]

プロセス

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温暖な環境を作り出し、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ながら可視光を透過させ、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・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、そして2つの蒸発器の間にある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。

図1.テネリフェ島沿岸の海水温室正面、2011年8月22日
図2.テネリフェ島沿岸の海水温室の裏側、2011年8月22日

このプロセスは、温室内の管理された環境内で、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、ファンが外気を蒸発器を通して温室内に送り込む。周囲の暖かい空気は海水と熱交換し、海水は冷却されて加湿される。[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、冷媒として凝縮器に送られる。[1]

図3：海水温室段ボール[11] [12] [5] [13] [14] [15]

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、そして海水を取り込んで淡水を出力する凝縮器からなる回路を流れます。淡水は、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]淡水の量は、気温、相対湿度、日射量、そして空気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用いてモデル化することができ、あらゆる適切な場所に合わせて設計とプロセスを最適化することができます。

適用範囲

この技術は、海に近い乾燥地帯の施設に適用可能です。海からの距離と標高は、施設まで水を汲み上げるために必要なエネルギーを考慮して評価する必要があります。海岸沿いには多くの適した場所がありますが、死海やカッタラ低地のように海面より低い場所もあります。これらの地域では、紅海・死海運河のように水圧を利用して発電する水力発電計画が提案されています。[16] [17]

研究

1996年、パトンとデイヴィスはMATLABのSimulinkツールキットを用いて、テネリフェ島、カーボベルデ、ナミビア、オマーンの温室における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、壁や屋根を通じた熱伝達、そして結露によって換気が促進されており、これらの熱伝達は本研究で解析されています。[18]彼らは、植物に必要な水の量が80%削減され、1立方メートルの淡水を生成するのに必要な電力は2.6～6.4 kWh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、熱モデルを用いて設計オプションを評価しました[19] 。彼らは、環境を冷却し、最大の淡水生産量を実現するより優れた海水循環回路を見つけるために、多孔スクリーン、C字型通気路、パイプアレイの3つのオプションを検討しました。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。気温は1℃低下し、平均放射温度は7.5℃低下し、淡水生産量は63%増加しました。これは、アラブ首長国連邦における第2次パイロット設計のような、高温乾燥地域の海水温室の改善に活用できます[19] 。

2018年、パトンとデイビスは、風力駆動型海水温室における冷却と製塩のための塩水利用に関する研究を行い、設計とモデル化を行いました。海水淡水化によって排出される塩水は、淡水と同量の塩水が生成されるため、生態系に悪影響を及ぼす可能性があります。[5]風力駆動型気流による塩水利用法を用いて、海水の蒸発で温室を冷却することで、図4に示すように塩を生産することができます。[5]この塩水は淡水生産の副産物ですが、塩の原料にもなり、商品化可能な製品にすることができます。

図4：塩水利用のための海水温室の基本概念。

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ある。[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柱を封じ込めることで冷却柱を長くする。[5]

図5: 圧力降下測定用シェードネットの幾何学的モデル。モデリングを簡素化するために使用される(a)ローカル座標系と(b)対称面(点線)を示しています。

参照

参考文献

  1. ^ abcdefgh Abdulrahim M.Al-Ismaili & Hemanatha Jayasuriya (2016). 「オマーンの海水温室：淡水保全と生産のための持続可能な技術」 .脱塩. 54. Elsevier: 653– 664. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。
  2. ^ MHEl-Awady、HHEl-Ghetany、M. AbdelLatif (2014). 「エジプトの遠隔地乾燥地域における水の淡水化、プランテーション、廃水処理のための統合型ソーラーグリーンハウスの実験的調査」 .淡水化. 50.エルゼビア: 520– 527. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。
  3. ^ ab PA Davies & C. Paton (2005). 「アラブ首長国連邦における海水温室：熱モデル化と設計オプションの評価」.脱塩. 173 (2). Elsevier: 103– 111. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2015年11月3日閲覧。
  4. ^ C. Paton & P.​​ Davies (1996). 「乾燥地における海水温室」. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  5. ^ abcdef T. Akinaga; SCGeneralis; C.Paton; ONIgobo & PADavies (2018). 「風力駆動型海水温室における冷却と製塩のための塩水利用：設計とモデリング」 .脱塩. 426. Elsevier: 135– 154. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。
  6. ^ ab 「低コスト、頑丈、モジュール式」Seawater Greenhouse Ltd. 2017年. 2020年12月16日閲覧。
  7. ^ Yeang, Ken & Pawlyn, Michael (2009). 「乾燥地のための海水温室」.建築デザイン. 79 : 122–123 . Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。
  8. ^ abc 「回復力のある成長を可能にする」（PDF） . サハラ森林プロジェクト. 2020年12月16日閲覧。
  9. ^ Al-Ismaili & Abdulrahim M (2014). 「海水温室の凝縮器に関する経験的モデル」 . Chemical Engineering Communications . 205. Taylor and Francis: 1252– 1260. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。
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  12. ^ フォード、ジェイソン（2012年3月1日）「温室は海水を利用して乾燥地帯で作物を栽培する」『エンジニア』誌。 2021年12月7日閲覧。
  13. ^ クライン、アリス（2016年10月14日）「太陽と海水のみを使って砂漠で野菜を栽培する初の農場」ニューサイエンティスト。 2021年12月7日閲覧。
  14. ^ Watts, Geoff (2019年9月). 「砂漠での農業」. Ingenia . ingenia.org.uk . 2021年12月7日閲覧。チャーリー・パトンはシーウォーター・グリーンハウスの創設者兼ディレクターです。ロンドンのセントラル・スクール・オブ・アート・アンド・デザインで学び、照明デザイナー兼特殊効果制作者としてキャリアをスタートしました。光と植物の成長への強い関心が、シーウォーター・グリーンハウスのコンセプトにつながりました。チャーリーは王立芸術・製造・商業協会よりロイヤル・デザイナー・フォー・インダストリーに選出されています。
  15. ^ 「サハラの森」バックミンスター・フラー研究所. 2021年12月7日閲覧。
  16. ^ 「中東の平和のための水管理」archive.unu.edu .
  17. ^ 「パイプ損失と電力計算機 - 海水温室で淡水化するためにサハラ砂漠またはゴビ砂漠の中央に海水を汲み上げるのに必要なエネルギー量を計算 - 答えは「それほど多くない」」Claverton Group。
  18. ^ abc C. Paton & P.​​ Davies (1996). 「乾燥地における海水温室」. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2020年12月17日閲覧。 {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  19. ^ ab PA Davies & C. Paton (2005). 「アラブ首長国連邦における海水温室：熱モデル化と設計オプションの評価」.脱塩. 173 (2). Elsevier: 103– 111. Bibcode :2005Desal.173..103D. doi :10.1016/j.desal.2004.06.211 . 2015年11月3日閲覧。
  • 「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や、甲虫を模した淡水化プラントなど」ガーディアン紙（2006年）
  • 「海水温室：再生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、食料、エネルギーの新たな源です」
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