一种海洋中碳封存的改进方法

1.本发明属于碳封存技术领域，具体是一种海洋中碳封存的改进方法。


背景技术：

2.温室气体、二氧化碳等导致地球气候变化的主要原因的水平。因此，迫切需要找到用于增加碳封存的创新方法。这涉及从大气或海洋中提取二氧化碳，并将碳融入材料中，这些材料将在多年内牢固地结合在其中植物通过光合作用从大气和/或海洋中吸收的二氧化碳，这是它们生命和生长的基础。这种形式的碳封存非常重要，但通常相对短暂。例如，树木的木质材料可能存在一百年，但这些材料会腐烂并将二氧化碳释放回大气中。在海洋中，通过浮游植物产生的封存受到养分的可利用性和在靠近水面的光区混合层中有机物质的持续循环的限制。
3.之前已经提出了各种基于海洋的解决方案，包括将富含营养的水从深海泵送到光区，或用有限的微量营养素（如铁）施肥光区。在这两种情况下，其目的都是刺激浮游植物的生长，从而增加二氧化碳的吸收以进行封存。然而，这种增加一般发生在水面或靠近水面，并且返回大气中的二氧化碳比例很高。


技术实现要素：

4.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种能够深入海洋环境的海洋中碳封存的改进方法的技术方案。
5.一种海洋中碳封存的改进方法，包括以下步骤：（1）在海面上设置能量转换器，在重跃层/温跃层或重跃层/温跃层的下方设置发射光装置；（2）通过电缆将能量转换器与发射光装置连接；（3）发射光装置通电后，在重跃层和/或重跃层下方的分层海洋环境中形成光区。
6.步骤（2）中电缆为单根电缆或多根电缆，设置在电导管中，电导管的两端分别连接在能量转换器和发射光装置上。电导管的外壁上设置有护套。导电管的外部也可以设置有度传感器，温度传感器设置多组，均列设置在导电管的外壁上，形成深度反馈回路。
7.能量转换器内部设置有变压器，通过变压器将电力传输至电导管中。变压器设置在水面处或近水面处，并且变压器漂浮形成浮标，量转换器的底部设置有浮动平台，能量转换器固定在浮动平台的上方。能量转换器包括一个或者多个光伏电池。
8.发射光装置的深度可调，能量转换器的下方设置有滚筒，电缆卷绕在滚筒上，滚筒转动以放下或收起电缆。
9.能量装换器为波浪发电装置和/或空气涡轮波力发电机，能量转换器的一侧固定设置有太阳能光板。海面上设置有采集器，能量转换器的下方设置有电池，采集器与电池相连，且电池分别与能量转换器以及电缆连接，电池能够储存能量和/或经电缆向发射光装置输送能量。
10.发射光装置为点光源或者光漫射器，当发射光装置为点光源时，发射光装置为至少一组led阵列时。发射光装置上设置有滤光装置，滤光装置限制发射光装置发出的光的波长范围为400-700nm。
11.与现有技术相比，本发明有以下优点：在重跃层下方设置发射光装置，以提供用于促进有机物生长的海底光区，使得所得有机材料下沉到更深的深度并结合到海床沉积物中。利用波浪能来发电，然后利用电来提供促进生物质生产的光。当生物量（例如，藻类和浮游植物）死亡时，会以海洋雪的形式带走固定碳，沉入海洋沉积物中。即为了提供环境效益，不仅可以促进初级生产，而且生产的结果可以导致碳长期封存。同时可以通过提供一些限制性的东西来增加产量，并且本发明是利用在远离海洋环境的光区，其中天然营养丰富的环境可以支持增加的初级产量。此外，通过刺激深海中有机生物的生长，大量有机材料将下沉到更深的深度，而不是提高地表范围内的透光区的生产，因为这样碳可能会通过消耗或代谢返回到大气中。
附图说明
12.图1为发明分层海洋环境封存方法的示意图；图2为第一种碳封存装置的结构示意图；图3为第二种碳封存装置的结构示意图；图4为第三种碳封存装置的结构示意图；图5为第四种碳封存装置的结构示意图。
13.图中：1碳封存装置；2能量转换器；201采集器；202电池；203太阳能光板；3电导管；301护套；302温度传感器；4发射光装置；5浮游植物； 10远洋区域；20重跃层；30混合层；40下方混合层；50叶绿素区；60光区；70温跃层。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步说明。
15.实施例1如图1-2所示，一种海洋中碳封存的改进方法，在海洋中设置碳封存装置1，碳封存装置1包括设置在海面的能量转换器2和设置在重跃层20下方的下方混合层40的发射光装置4。能量转换器2与发射光装置4之间通过电导管3连通，该碳封存装置1设置在远洋区域10中。远洋区域分为混合层30和下方混合层40。电导管3自海面向下深入，依次穿过混合层30、重跃层20、叶绿素区50后进入下方混合层40中。其中，混合层30具有高光照、低营养和低初级产物的性质，而下方混合层40具有无光区60、高营养、低或无轻质的特点。通过发射光装置4，在下方混合层40中形成光区60，使下方混合层40转变为高营养的强光区60，结合上方的叶绿素区50，可以实现高产碳出口，并沉积在海洋底部。
16.具体来说，包括以下步骤：首先在海面上设置能量转换器2，在重跃层20/温跃层或重跃层20/温跃层的下方设置发射光装置4，然后通过电缆将能量转换器2与发射光装置4连接。发射光装置4通电后，在重跃层20和/或重跃层20下方的分层海洋环境中形成光区60。
17.电缆为单根电缆或多根电缆，设置在电导管3中，电导管3的两端分别连接在能量
转换器2和发射光装置4上。能量转换器2为波浪发电装置，将波浪能转换为电能，并输送至发射光装置4中，发射光装置4为led阵列。led阵列发光后，产生光区60，促进浮游植物5进行光合作用进行碳吸收。
18.能量转换器2内部设置有变压器，通过变压器将电力传输至电导管3中，变压器设置在水面处或近水面处，并且变压器漂浮形成浮标，能量转换器2的底部设置有浮动平台，能量转换器2固定在浮动平台的上方。发射光装置4上设置有滤光装置，滤光装置限制发射光装置4发出的光的波长范围为400-700nm。
19.实施例2结合图1和图3，与实施例1相比，区别在于能量转换器2为空气涡轮波力发电机，海面上设置有采集器201，能量转换器2的下方设置有电池202，采集器201与电池相连，且电池202分别与能量转换器2以及电缆连接，电池202能够储存能量和/或经电缆向发射光装置4输送能量，包括一个或者多个光伏电池。能量转换器2的一侧固定设置有太阳能光板203。电导管3的外壁上设置有保护电导管3及内部电缆的护套301。
20.实施例3结合图1与图4，与实施例1相比，区别在于能量转换器2为空气涡轮波力发电机，一侧固定设置有太阳能光板203，电导管3的外壁上设置有温度传感器302，均布设置在电导管3上，形成深度反馈回路。电导管3内设置多组电缆或电线，为了调节发射光装置4的深度，能量转换器2的下方设置有滚筒，电缆卷绕在滚筒上，滚筒转动以放下或收起电缆。并且，该碳封存装置1应用于温跃层70中，通过温度传感器302感应海洋的各个深度的温度，并进行转动滚筒进行深度调节。发射光装置4采用光漫射器。
21.实施例4截图图1与图5，与实施例3相比，区别在于电导管3外壁上不设置温度传感器302，能量转换器2下方也不设置滚筒，该装置应用在重跃层20海洋分层中。
22.具体来说，在重跃层处或以下的分层海洋环境中发射光以提供用于促进有机生长的海底光区，从而使所得有机材料吸收更多深沙并入海床沉积物中。提供了一种基于分层海洋环境的碳封存装置，其中包括：用于在重跃层下方发射光装置，以提供用于促进有机物生长的海底光区，使得所得有机材料下沉到更深的深度并结合到海床沉积物中。
23.一种基于海洋的碳封存装置，包括：将波浪能转化为电能的能量转换器，将所收集的电力通过变压器传输到更深的海平面的电导管，以及设计了一个可以在更深的海平面发射光装置，由传输的电力提供动力，释放光能，提供促进有机生长的光区，从而使有机材料在使用中下沉到更深的深度并融入到海床沉积物中。光区位于或低于重跃层/温跃层和浓跃层。
24.温跃层和浓跃层通常在地表以下约100至150m处形成。发射光装置可以适于在重跃层或温跃层处或下方提供光区。深叶绿素最大值(dcm)是海洋或其他水体中叶绿素浓度的亚表面最大值。发射光装置可适用于在dcm区域内提供光区。0该装置或方法可适用于分层海洋环境。相应地，发射光装置可能适合于在重跃层或温跃层以下提供光区（例如深度在100m以下）的有机物生长，从而产生的有机物质可以下沉到更深的深度并融入海床沉积物中。
25.因此，本发明的这些方面的原理是利用波浪能来发电，然后利用电来提供促进生
物质生产的光。当生物量（例如，藻类和浮游植物）死亡时，会以海洋雪的形式带走固定碳，沉入海洋沉积物中。
26.本发明基于这样的概念，即为了提供环境效益，不仅可以促进初级生产，而且生产的结果可以导致碳长期封存。同时可以通过提供一些限制性的东西来增加产量，并且本发明是利用在远离海洋环境的光区，其中天然营养丰富的环境可以支持增加的初级产量。此外，通过刺激深海中有机生物的生长，大量有机材料将下沉到更深的深度，而不是提高地表范围内的透光区的生产，因为这样碳可能会通过消耗或代谢返回到大气中。如果有机材料所产生的的碳被纳入深海海底沉积物中，将会被封存数百万或上千年。
27.因此，本发明的目的是在深海环境中创建一个汇，该汇将通过光区从大气中吸收二氧化碳并进入由人工光区刺激的浮游植物吸收封存二氧化碳。应当指出，分层的海洋环境特别适合本发明。密度跃层是因为海水的密度随深度增加而突然变大，人们把海水密度在沿直方向上突然变大的水层叫密度跃层。海水密度在表层与深层之间存在着极大的差异。密度小的海水会集聚在密度大的海水上面，上轻下重，使海水成层分布。这上下层之间，自然形成了一个屏障，叫作密度跃层。分层环境包括重跃层，它是大洋、海或湖等大水体中的一个简易屏障但不同的层，其中密度随深度的变化比上层或下层更快。重跃层可能被认为是一道无形的屏障，将上混合层与下平静层分开。产生密度跃层的原因在很大程度上取决于季节、纬度和风的湍流混合，重跃层可能是它们发生的水体的永久性或半永久性特征，或者它们可能是由于白天/晚上地表水的辐射加热/冷却等现象而临时形成的。影响重跃层深度和厚度的因素包括季节性天气变化、纬度和当地环境条件，例如潮汐和洋流。
28.风沙波所产生的湍流混合将热量从地表向下传递，在低纬度和中纬度地区，这会形成温度几乎均匀的表层混合水层，可能有几米深到几百米深。在200到300米的公海深处，这个混合层之下，温度在1000米左右开始发生剧烈变化。温度梯度最陡的水层称为永久温跃层，穿过这一层的温差可能高达20℃。永久温跃层与较暖的低密度地表水和下面的冷的致密底水之间的水密度变化相吻合。密度快速变化的区域被称为浓跃层，它是垂直水循环的屏障，因此它也影响某些在海洋生物学中发挥作用的化学物质的垂直分布。
29.浓度跃迁是由水体中强烈的垂直密度梯度引起的。湖泊等淡水环境中，这种密度变化的主要原因是受水温（温跃层）影响，而在海洋和河口等海水环境中，由于水温降低（温跃层）和盐度升高（盐度跃层）的共同作用，水柱中的快速密度变化会软化。
30.淡水和咸水环境交汇的区域，例如海湾和河口附近，经常有强烈的、明确的重跃层。来自较暖的淡水大量径流可以漂浮在较冷的盐水上，进入河口，形成10盐楔。从上到下的混合量将决定偏斜的分层或强度。由于水流的摩擦很少混合，新鲜盐水之间的密度差异占主导地位。
31.在北纬或南纬50
°
或60
°
左右的公海中，重跃层往往会消失。这是由于两极附近的盐度降低和温度变化所致。
32.斜层，例如浓层，是上混合层和下平静深层之间混合的区域障碍，因此在浓层或热跃层以下刺激初级生产更有可能导致有机物质下沉并融入海洋沉积物中。
33.研究表明+/-30
°
纬度范围代表了稳定的温跃层和浓跃层。温带海洋显示出更多的季节性分层并且可能对本发明的不同应用有用。
34.发射光装置可适用于在水面以下50至200m之间提供光区。温跃层和浓跃层的深度
经常重合，但并非总是如此。温跃层和浓跃层通常在地表以下约100至150m处形成。用于发射光装置可以适于在重跃层或温跃层处或下方提供光区，例如在重跃层或温跃层下方100m处。
35.波浪能发电（wave power generation）是以波浪的能量为动力生产电能。波浪能具有能量密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。波浪能发电有多种方式，其中气动传动方式采用空气涡轮波力发电机，把波浪运动压缩空气产生的往复气流能量转换成电能，旋转件不与海水接触，能作高速旋转所以发展较快。在该设备上还存在一个光能能量储存装置，在波浪能无法满足发电的情况下可以利用光能所储存的能量来维持设备的运转。能量储存装置可以是多个光伏电池共同组成。
36.与其他液体相比，水对太阳辐射相对透明，但远低于空气，穿透海面的阳光中，约50%是由长于约780nm的波长组成。这种红外线辐射在上部几米处被迅速吸收并转化为热量。紫外线辐射（《380nm）仅占总辐射的一小部分，除了在非常清澈的远洋水域外，它通常也被迅速散射和吸收。其余50%的辐射包括可见光谱，波长在大约400到700nm之间，可以深入海洋。这些对于有视力的动物特别重要，因为它们也与植物在光合作用中使用的波长大致相同。这些波长通常称为光合有效辐射(par)。
37.因此发射光装置可以包括一个或多个led组合成的矩阵。led可用于发射特定波长的光。发射的光频率可以是可变的，发射光装置可以适于发射具有400到700nm范围内的频率的光。用于发射光装置可以包括点光源，或者可以包括漫射器。这可能取决于要促进的有机生长类型。该设备还可以包括滤光装置。本发明包括未过滤和过滤的光。但是，过滤后的光可能会提供某些优势。过滤装置可以去除红光以停止水的局部升温，也可以去除紫外线。
38.绿色叶绿素的近似最大吸光度为430nm和662nm，因此这些值区域内的光可能会被过滤以用于促进光合作用的排放。对于某些应用，蓝光可能是首选，过滤装置可以提供从400到550nm范围内选择的光波长。
39.发射深度可以根据温度、光强度或压力的变化而变化。在一些实施例中，温度传感器阵列是设备上提供了一个反馈回路，用于调整排放深度以优化生产和封存。
40.变压器可能位于水面附近的上方。这可能需要采取一些措施来防止一些海洋生物的积聚，例如覆盖物或树冠。变压器可以包括浮标或形成浮标的一部分。浮动设备安装起来很简单，并且可以被拴住。
41.生物污垢是微生物、植物、藻类和动物在水下结构上的不良积累。该装置可以包括抗生物污染装置。这可能与发射装置特别相关，以防止光区强度降低或损失。可以使用各种已知的涂层（例如铜和铜基化合物），或者可以建立定期清洁程序。
42.尽管任何情况都有可能发生，但不带活动部件的设备被认为是特别有利的，因为它降低了故障和损坏的可能性，并且因为移除或减少了所需的维护。
43.可以有效地部署一个阵列或设备群以创建一个扩大的光区。这减少了海流将浮游植物移离光区的机会。低于重跃层发光的原理可以应用于本发明的其他方面。例如，除了电能传输，光可以直接从光收集器前发射的光导管中引导。