錢一聰+嚴(yán)世勝+李明洋+宴輔璋+賀天昊

【摘 要】為了解決海島、沙漠等淡水資源短缺和充分利用太陽能的問題，研究一種可直接從空氣中制取飲用水的設(shè)備。該設(shè)備以太陽能為能源，利用冷凝技術(shù)將潮濕的空氣降到露點以下，形成冷凝水匯集到儲水箱中，再經(jīng)過多級過濾后得到清潔合格的飲用水。設(shè)備制水的效率相對較高，在空氣溫度為20～30℃、空氣相對濕度為80%的工況下，每度電可制水約1.6kg?？蓮V泛應(yīng)用于海上鉆井平臺、野外探險、大型出海商船和海島旅游勝地等淡水缺乏的地方。

【關(guān)鍵詞】空氣制水；太陽能；壓縮機(jī)；節(jié)?。恢憋?/p>

中圖分類號： TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0032-002

【Abstract】In order to solve the problem of shortage of fresh water resources such as islands and deserts and make full use of solar energy， a device that can directly obtain drinking water from air is studied. The device uses solar energy as a source of energy and uses condensation technology to reduce the humid air below the dew point to form condensed water which is collected in a storage tank and filtered through multiple stages to obtain clean and acceptable drinking water. Equipment water efficiency is relatively high， the air temperature is 20 ～ 30 ℃， the relative humidity of 80% of the conditions， water can be made about 1.6kg per kWh. Can be widely used in offshore drilling platforms， field expeditions， large merchant marine and island resorts lack of fresh water.

【Key words】Air water； Solar energy； Compressor； Save； Direct drink

0 引言

中國海域中有7000 多個面積在500 平方米以上的海島，總面積接近8萬平方千米，其中400多個島嶼有常住人口3000多萬人[1]。中國的眾多島嶼具有豐富的生物、礦產(chǎn)和能源等自然資源，已成為了近十年國家大力開發(fā)的重點地帶。然而，據(jù)統(tǒng)計，近八成的中國島嶼地帶淡水資源嚴(yán)重缺乏，已成為了制約中國島嶼（如海南西沙群島）開發(fā)利用的重要因素。此外，國內(nèi)水污染行為日趨嚴(yán)重，進(jìn)一步降低了淡水資源的利用率。目前，解決淡水資源短缺問題的主要措施有節(jié)約用水、海水淡化等，但是這些措施仍無法有效地解決淡水資源短缺的問題。

空氣制水技術(shù)是指利用一定的技術(shù)手段把濕空氣中的水分提取出來，凈化消毒后得到安全合格的飲用水，被認(rèn)為是解決淡水資源短缺問題的有效方法之一，也是近年國內(nèi)外研究的熱點，我國仍處于起步階段。當(dāng)前已研制的空氣制水設(shè)備普遍存在能耗高，出水效率低的問題。本項目將針對這些問題，探索將太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用于空氣制水技術(shù)，有效解決空氣制水技術(shù)能源供應(yīng)不足的問題，同時提高和優(yōu)化制水效率。海南地處高溫潮濕的熱帶地區(qū)，且具有豐富的太陽能和海島資源，因此，太陽能空氣制水器的研制具有深遠(yuǎn)的科學(xué)前沿意義、經(jīng)濟(jì)價值和地方特色。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

太陽能空氣制水器制水器主要由太陽能電池、過充過放保護(hù)器、蓄電池、逆變器、控制系統(tǒng)、空氣制水裝置、蓄水箱、水過濾器、增壓水泵、壓力開關(guān)和水閥等組成，如圖1所示。

系統(tǒng)原理：太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能，先通過蓄電池保護(hù)器向蓄電池充電，然后經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)為220V的交流電，向空氣制水裝置、增壓水泵和控制系統(tǒng)供電。當(dāng)空氣制水器工作時，空氣制水裝置中的冷凝器溫度降低，風(fēng)機(jī)將潮濕的空氣吸到制水裝置中，當(dāng)潮濕的空氣達(dá)到露點時形成水珠匯集到蓄水箱中。為了防止水溢出，水箱中的水位到達(dá)設(shè)定值時，空氣制水裝置將自動停止工作。水箱與增壓水泵之間有水管相連，當(dāng)水閥開啟時，水在增壓水泵的增壓下，通過過濾器得到合格的飲用水，而當(dāng)水閥關(guān)閉時，壓力開關(guān)中的水壓增大，控制系統(tǒng)將控制增壓水泵停止工作。

1.2 太陽能供電裝置

空氣制水器采用的是太陽能電池板供電，裝置使用2塊英利綠色能源控股有限公司生產(chǎn)的YL250P多晶硅電池，其主要參數(shù)如表1。太陽能電池板的基本原理是由太陽電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能[2]。該電池板平均每天約可發(fā)電1.5kW·h，電池和逆變器的轉(zhuǎn)換效率約80%，所以太陽能供電裝置平均每天約可輸出電量1.2kW·h。由于空氣制水機(jī)的額定功率為0.185 kW，所以太陽能供電裝置平均每天可供制水器連續(xù)工作6.49小時。海南地處熱帶地區(qū)，有著充足的光照，提供了該設(shè)備運行的能源。

1.3 控制系統(tǒng)

太陽能空氣制水器采用一個CR304單片機(jī)將控制功能集于一體的控制系統(tǒng)，還包含總電源開關(guān)，逆變器啟動開關(guān)，制水裝置啟動按鈕，濕度閾值設(shè)定按鈕，壓力開關(guān)等。當(dāng)總電源開關(guān)打開和啟動逆變器時，控制系統(tǒng)開始工作，可通過控制面板依據(jù)所在地環(huán)境設(shè)定制水器工作的條件，當(dāng)條件滿足要求時，制水器自動工作，不滿足要求時，制水器自動停止，從而提高空氣制水器制水的效率。endprint

1.4 空氣制水裝置

空氣制水器主要由空氣過濾裝器，冷凝器，蒸發(fā)器，壓縮機(jī)和蓄水箱等組成。當(dāng)空氣濕度達(dá)到設(shè)定值時，空氣制水裝置自動啟動工作，抽風(fēng)機(jī)工作把室外的濕空氣送到蒸發(fā)器中，濕空氣經(jīng)過蒸發(fā)器時被冷卻，溫度降低到露點溫度以下，在蒸發(fā)器表面形成凝結(jié)水[3-4]，通過導(dǎo)管收集到水箱中儲存。在水箱內(nèi)有一個水位傳感器，當(dāng)檢測到水箱內(nèi)水量少于一定閾值、濕度達(dá)到設(shè)定值的時候，并且蓄電池電量符合要求時，設(shè)備將自動開始工作。而當(dāng)水量大于一定閾值或蓄電量不足時，停止制水。

1.5 水過濾系統(tǒng)

水過濾系統(tǒng)包括PP棉濾芯、前置顆粒炭濾芯、壓縮活性炭濾芯和后置活性炭四級過濾部分。當(dāng)水龍頭打開時，增壓水泵自動啟動，水箱中的水依次經(jīng)過PP棉，前置顆粒炭、壓縮活性炭和后置活性炭，直接輸出合格的飲用水。

過濾系統(tǒng)中的PP棉濾芯主要是由人造化學(xué)纖維，聚丙烯材料制成。在過濾系統(tǒng)中作用是前置過濾，去除自來水中粒徑大于 5μm的膠體雜質(zhì)以及微泥、細(xì)菌病毒、有機(jī)污染礦物質(zhì)雜物等，屬于物理截留[5]。過濾系統(tǒng)中的活性炭有非常多的微孔，因而具有很強(qiáng)的吸附能力，能有效地吸附水中的有機(jī)污染物。此外，在活化過程中，活性碳表面的非結(jié)晶部位形成一些含氧官能團(tuán)，這些基團(tuán)使活性碳具有化學(xué)吸附和催化氧化、還原性能，能有效去除水中一些金屬離子[6]。前置顆粒炭和壓縮活性炭吸附水中的重金屬小分子有機(jī)物，異色異味，后置活性炭進(jìn)一步過濾水中的異色異味，改善口感。

2 實驗結(jié)果及分析

海南的年平均氣溫在23～26℃之間，年平均相對濕度在76%～86%之間[7]。室外空氣的溫度、濕度不僅隨季節(jié)變化，而且在同一季節(jié)的每晝夜、每時每刻都在變化，導(dǎo)致實驗工況復(fù)雜多變[8]。實驗場地選擇在海口市海南師范大學(xué)物理樓六樓，分別在空氣濕度為56.1%～79.8%之間的五個工況，環(huán)境溫度維持在20～30℃之間進(jìn)行測試，每1度電的制水量如表2所示。

實驗數(shù)據(jù)表明，環(huán)境溫度在25℃附近，空氣濕度在50%～80%區(qū)間時，隨著空氣濕度的上升，制水效率也提高。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃附近、空氣濕度為80%附近，空氣制水器制水量會停留在一定的數(shù)值附近。因此，在實際應(yīng)用中，盡量設(shè)置相對濕度在70%以上時讓空氣制水器工作，可以選擇一天中的早晨、傍晚環(huán)境濕度較高的時間段自動啟動制水。

3 結(jié)論

以太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在空氣制水器中，能夠合理地利用自然資源，生產(chǎn)出安全清潔、可直接飲用的飲用水。整個裝置低能耗、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、無污染，成本相對較低。研究發(fā)現(xiàn)，制水效率會隨著濕度的提升而升高。該制水器不僅可以應(yīng)用于海上鉆井平臺、野外探險、大型出海商船和海島旅游勝地等淡水缺乏的地方，還可以根據(jù)不同的環(huán)境特點進(jìn)行改造，如應(yīng)用于抗震救災(zāi)特殊條件下的直接飲用水需求。

【參考文獻(xiàn)】

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