竟靜靜，王玉巍，曾德千

(1.新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司 新疆卷煙廠，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

“空氣集水”是收集空氣中的氣態(tài)水變?yōu)橐簯B(tài)水，目前在國內(nèi)外均有應(yīng)用。2007年，英國水務(wù)科學(xué)公司研制出“空氣集水”機(jī)，它每天能從單純的空氣中收集500加侖的可飲用水，已經(jīng)上市，每臺(tái)30萬美元；2017年7月，東華大學(xué)的郭建生、余玉蝶等人研發(fā)了沙漠甲蟲Stenocara，該裝置通過背部表面的特殊結(jié)構(gòu)從空氣中獲取水，可解決某些環(huán)境下淡水獲取困難的問題。由于這些裝置價(jià)格昂貴、集水效率低、應(yīng)用范圍小，研制一種不消耗常規(guī)能源、集水效率高、應(yīng)用范圍廣的空氣集水系統(tǒng)勢在必行。

新疆降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈，作物生長所需水分主要依靠人工灌溉方式予以滿足[1]，水資源是該區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)賴以維系和發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。

針對此，本研究將利用新疆太陽能和風(fēng)能資源豐富的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)空氣集水系統(tǒng)[2]。

1 研制背景

農(nóng)業(yè)中的失水現(xiàn)象主要是由植物蒸騰作用與土地水分蒸發(fā)作用導(dǎo)致的[3]。據(jù)估計(jì)，1株玉米從出苗到收獲需消耗四、五百斤水。風(fēng)光互補(bǔ)空氣集水系統(tǒng)能充分利用風(fēng)能與太陽能，對農(nóng)業(yè)中的失水進(jìn)行回收再利用[4]。

集水裝置主要收集由植物蒸騰作用與土地水分蒸發(fā)作用產(chǎn)生的農(nóng)田濕空氣，以緩解新疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水問題，并對農(nóng)田土壤濕度進(jìn)行監(jiān)控，對農(nóng)作物進(jìn)行合理灌溉，為農(nóng)作物提供有利的生長環(huán)境。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

利用光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電提供系統(tǒng)所需電能，風(fēng)力機(jī)亦可用于驅(qū)動(dòng)空氣收集裝置，將空氣收集裝置收集到的濕空氣進(jìn)行冷凝，并將冷凝水存入儲(chǔ)水罐中。土壤濕度傳感器收集周圍的土壤濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷土壤是否需要灌溉。當(dāng)單片機(jī)檢測到土壤過于干旱時(shí)，控制水泵從儲(chǔ)水罐中抽水對干旱區(qū)域進(jìn)行灌溉。

總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

圖1中，驅(qū)動(dòng)單元包括垂直軸風(fēng)力機(jī)和直流電機(jī)，有風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)直接給空氣收集裝置提供動(dòng)力，無風(fēng)時(shí)由電機(jī)帶動(dòng)空氣收集裝置工作；傳動(dòng)單元包括傳動(dòng)齒輪、加速齒輪和齒輪換位裝置；空氣收集單元使用軸流式與貫流式的組合葉片；冷凝單元包括冷凝管和儲(chǔ)水罐；光伏發(fā)電和控制單元包括光伏電池板、蓄電池、濕度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、液位傳感器和單片機(jī)系統(tǒng)。

2.2 單元設(shè)計(jì)

(1)驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元用來驅(qū)動(dòng)空氣收集單元收集濕空氣，采用風(fēng)力機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。考慮到農(nóng)田風(fēng)向多變，并且要求風(fēng)力機(jī)高效率工作，本文采用垂直軸風(fēng)力機(jī)。為進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)效率，降低啟動(dòng)風(fēng)速，垂直軸風(fēng)機(jī)葉片采用S型+H型[5]。S型風(fēng)機(jī)葉片啟動(dòng)風(fēng)速低，H型風(fēng)機(jī)葉片效率較高，將兩種風(fēng)機(jī)葉片結(jié)合起來可提高風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用效率并可以相應(yīng)地降低啟動(dòng)風(fēng)速。在有風(fēng)無風(fēng)兩種情況下，空氣收集裝置的齒輪部分需要在風(fēng)機(jī)與電機(jī)之間切換。

在有風(fēng)的情況下由風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣收集裝置工作，在無風(fēng)情況下需要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣收集裝置，保證系統(tǒng)持續(xù)工作。風(fēng)力機(jī)外側(cè)為H型風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為S型結(jié)構(gòu)。

(2)傳動(dòng)單元。傳動(dòng)單元是連接驅(qū)動(dòng)單元和空氣收集單元的橋梁，該單元需要對驅(qū)動(dòng)單元所提供的機(jī)械能利用變速器進(jìn)行加速處理，以達(dá)到設(shè)備能夠高效率工作的目的。在有風(fēng)或者無風(fēng)狀態(tài)下可切換工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠長時(shí)間工作。

在系統(tǒng)高負(fù)荷工作時(shí)傳動(dòng)單元還需要對系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)或?qū)鲃?dòng)單元與其他單元進(jìn)行脫離。

(3)空氣收集單元?？諝馐占瘑卧闹饕饔檬牵蔑L(fēng)機(jī)葉片對濕空氣進(jìn)行收集，并將收集來的濕空氣送入冷凝單元。目前的主要采用各種風(fēng)力機(jī)進(jìn)行收集，包括離心式風(fēng)機(jī)、軸流式風(fēng)機(jī)、貫流式風(fēng)機(jī)[6]。

由于設(shè)計(jì)采用風(fēng)光互補(bǔ)的能量來源，其穩(wěn)定性并不理想，并且系統(tǒng)所運(yùn)載的流體為空氣，并不需要很高的揚(yáng)程。從設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上來看，軸流式風(fēng)機(jī)葉片能夠滿足本次設(shè)計(jì)要求，為增加空氣收集效率，需要添加貫流式風(fēng)機(jī)輔助運(yùn)行。通過風(fēng)機(jī)在有風(fēng)時(shí)同軸帶動(dòng)或無風(fēng)時(shí)電機(jī)帶動(dòng)空氣收集單元將周圍空氣收集起來傳送至冷凝裝置中。

由于市場上貫流式風(fēng)機(jī)都是以單向送風(fēng)為主，后側(cè)進(jìn)風(fēng)前側(cè)出風(fēng)，流體需要橫穿兩層葉片，系統(tǒng)并不需要貫流式風(fēng)機(jī)的單向送風(fēng)能力，而是需要貫流式風(fēng)機(jī)收集周圍空氣，所以需要對傳統(tǒng)貫流式風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造為將周圍空氣向中心匯聚的形式。

空氣收集裝置由貫流式風(fēng)機(jī)與軸流式風(fēng)機(jī)組成，先由貫流式風(fēng)機(jī)將周圍的濕空氣收集至中心處，再由軸流式風(fēng)機(jī)將貫流式中心匯聚的濕空氣送入冷凝設(shè)備中。貫流式風(fēng)機(jī)收集周圍的空氣會(huì)在風(fēng)機(jī)內(nèi)部相互抵消，所以需要添加光滑的導(dǎo)流平面，將周圍的空氣引向軸流式風(fēng)機(jī)，再將軸流式風(fēng)機(jī)為濕空氣增加動(dòng)能將濕空氣送入冷凝裝置。而軸流式與貫流式旋轉(zhuǎn)方向一致，會(huì)在空氣收集裝置中形成渦流，則需要在冷凝裝置管口處添加一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的一個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)。

兩個(gè)軸流式風(fēng)機(jī)在空氣收集裝置中屬于串聯(lián)運(yùn)行，而在管路系統(tǒng)中一般流量較小并且阻力過大時(shí)才能使用風(fēng)機(jī)串聯(lián)，與此同時(shí)采用串聯(lián)的兩個(gè)軸流式風(fēng)力機(jī)時(shí)需要注意盡量采用性能線性曲線相同的兩個(gè)風(fēng)機(jī)。

空氣收集裝置如圖2所示。

圖2 空氣收集裝置

(4)冷凝單元。冷凝單元的主要作用是將空氣收集單元送來的濕空氣進(jìn)行降溫，通過降溫冷凝的方法將濕空氣中的水分提取出來并進(jìn)行儲(chǔ)存。目前主要的制冷方式有空氣壓縮式制冷、蒸汽壓縮制冷、氨-水吸收式制冷、制冷劑制冷等方式[7]?？諝鈮嚎s制冷、蒸汽壓縮制冷還是吸收式制冷功耗都比較高，而制冷劑制冷對環(huán)境又有污染，以上幾種制冷方法均不適合該設(shè)計(jì)。

由于農(nóng)田灌溉頻率非常高土壤一直處于濕潤狀態(tài)，并且農(nóng)田里農(nóng)作物生長茂盛陽光不能直射到地面上，地表部分水分蒸發(fā)式會(huì)吸收地下溫度，農(nóng)田地下溫度較低，本文選擇利用地下的溫度進(jìn)行降溫?fù)Q熱，地下制冷的裝置參照換熱器來設(shè)計(jì)。由空氣收集裝置收集的空氣經(jīng)匯流送入冷凝器入口，濕空氣在冷凝管中經(jīng)過多個(gè)彎道循環(huán)1周后從另一端出口排除，中間冷凝出的水分從每個(gè)彎道下方的管道流入儲(chǔ)水罐中，管道與儲(chǔ)水罐形成連通器，當(dāng)儲(chǔ)水罐中的水快滿時(shí)水會(huì)堵住冷凝管使其無法繼續(xù)冷凝水分。儲(chǔ)水罐上方與冷凝管出風(fēng)口連接，水泵的抽水管從冷凝管出風(fēng)口伸入儲(chǔ)水罐中取水。

冷凝單元如圖3所示。

圖3 冷凝單元

由于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在烏魯木齊，當(dāng)?shù)貪窨諝獾穆饵c(diǎn)溫度為17 ℃左右，只要將冷凝單元埋入地下達(dá)到露點(diǎn)溫度即可。農(nóng)田當(dāng)中土壤深度越深溫度越低，根據(jù)烏魯木齊大氣和土壤月平均土壤溫度變化規(guī)律，4月～9月，地下70 cm～90 cm是最理想的安裝點(diǎn)。筆者通過土壤溫度傳感器在7月測得當(dāng)土壤深度為60 cm，溫度為17 ℃。考慮不同季節(jié)、不同地點(diǎn)溫度不同，將冷凝單元安裝在地下80 cm較合適。

冷凝單元每小時(shí)生產(chǎn)0.77 L水，若工作10 h，每天可收集7.7 L水。假設(shè)農(nóng)田4天灌溉一次，那么需要30.8 L的儲(chǔ)水罐，為留有一定裕量，制成標(biāo)準(zhǔn)單元35 L的儲(chǔ)水罐。這樣容量的儲(chǔ)水罐埋在地下不會(huì)占用太多土地，對農(nóng)業(yè)種植影響不大。

(5)控制單元?？刂茊卧瓿上到y(tǒng)的整體控制。風(fēng)機(jī)齒輪上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到工作要求時(shí)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)對傳動(dòng)單元進(jìn)行換位。液位傳感器采集儲(chǔ)水罐中的水位數(shù)據(jù)，當(dāng)儲(chǔ)水罐水位過高時(shí)單片機(jī)對限制步進(jìn)電機(jī)對傳動(dòng)單元進(jìn)行換位，不再制水。濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，決定是否需要對農(nóng)田進(jìn)行灌溉，當(dāng)農(nóng)田濕度達(dá)到一定值時(shí)單片機(jī)控制水泵開始灌溉，當(dāng)農(nóng)田土壤濕度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)關(guān)閉水泵。

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)圖

整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)主要用于在土壤濕度過低時(shí)控制水泵對農(nóng)田進(jìn)行灌溉，通過對單片機(jī)設(shè)定濕度上限和濕度下限與土壤濕度進(jìn)行對比，根據(jù)對比出的最終結(jié)果判斷是否需要對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。除此之外，單片機(jī)還需要通過液位傳感器對水位進(jìn)行確認(rèn)，在儲(chǔ)水罐有水的情況下，才允許水泵進(jìn)行灌溉。

傳動(dòng)系統(tǒng)主要用于動(dòng)力切換和脫離驅(qū)動(dòng)單元，在無風(fēng)狀態(tài)下傳動(dòng)單元將動(dòng)力切換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)裝置進(jìn)行工作；在有風(fēng)狀態(tài)下傳動(dòng)單元將動(dòng)力切換為風(fēng)機(jī)[8-9]，由風(fēng)機(jī)帶動(dòng)裝置進(jìn)行工作；在風(fēng)速極高的情況下傳動(dòng)單元將驅(qū)動(dòng)單元和其他單元斷開連接并且觸發(fā)剎車制動(dòng)停止工作。

傳動(dòng)系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)控制流程圖

4 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

本文設(shè)計(jì)地點(diǎn)選在新疆省烏魯木齊市，經(jīng)過監(jiān)測烏魯木齊市空氣濕度在4月份時(shí)保持在53%，而農(nóng)田的濕度應(yīng)比烏魯木齊城市濕度更高。假設(shè)農(nóng)田濕度為60%，本設(shè)計(jì)將30 ℃的溫度降低至10 ℃，可得每立方空氣集水量[10]。

根據(jù)溫度壓力露點(diǎn)水分含量關(guān)系圖可得：

18 g/m3-4 g/m3=14 g/m3

(1)

假設(shè)冷凝管半徑為0.035 m，管內(nèi)濕空氣流速為4 m/s，1 h內(nèi)流入冷凝管內(nèi)的總濕空氣體積如下:

V=πr2sT=π×0.0352×4 m/s×3 600 s=55.4 m3

(2)

式中：V—管內(nèi)空氣體積；T—時(shí)間；r—管內(nèi)半徑；s—空氣流速。

空氣集水裝置每小時(shí)集水量為：

14 g/m3×V=775.6 g=0.77 L

(3)

所以該裝置在理想情況下每小時(shí)收集0.77 L的空氣水。

這種集水量情況下工作，假設(shè)該裝置的集水效率為65%，則該裝置每小時(shí)集水量為0.5 L。烏魯木齊水費(fèi)為3.8元/m3，那么每臺(tái)集水裝置每天可節(jié)約水費(fèi)0.456元。若每8 m3安裝1個(gè)集水灌溉裝置，每畝地1個(gè)月可節(jié)省113.55元的水費(fèi)，現(xiàn)在階段每個(gè)農(nóng)戶都有10畝以上的農(nóng)田，那么平均每個(gè)農(nóng)戶每個(gè)月可節(jié)省1 000元以上的水費(fèi)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為分析本文系統(tǒng)實(shí)際的集水量，筆者做了多次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在某處綠植地，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)過程中，考慮每個(gè)時(shí)刻的溫度、濕度等參數(shù)。

本文以實(shí)驗(yàn)中某一天的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析[11]，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量

表1中反映了空氣濕度與集水量的關(guān)系。數(shù)據(jù)有意避開較高的濕度和較低的濕度，選取的是較為適中的濕度。從數(shù)據(jù)上來看，系統(tǒng)實(shí)際每小時(shí)的集水量偏低，總的實(shí)際集水量和理論集水量有較大差距，僅為理論集水量的0.57%，這和當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中空氣的溫度、濕度均有關(guān)系，理論值是在60%的標(biāo)準(zhǔn)濕度、溫度30 ℃下計(jì)算的，有偏差較正常，實(shí)際過程中空氣濕度大的時(shí)候集水量也會(huì)相應(yīng)增加。

理論值和實(shí)際值不一致，主要有以下幾點(diǎn)原因：

(1)空氣的收集效率低。理論計(jì)算中以濕空氣在冷凝單元中的流速達(dá)到4 m/s為準(zhǔn)，但實(shí)際測試時(shí)測得的空氣流速僅達(dá)到2.7 m/s，導(dǎo)致冷凝裝置中的濕空氣總量不夠。風(fēng)力機(jī)和空氣收集單元均自己設(shè)計(jì)制作，系統(tǒng)所用材料自身重量均較重，轉(zhuǎn)動(dòng)起來自身摩擦阻力較大，當(dāng)風(fēng)力較小時(shí)，有時(shí)風(fēng)力機(jī)不能啟動(dòng)，即使啟動(dòng)轉(zhuǎn)速也較慢。若能夠找到更堅(jiān)韌更輕的材料制作，空氣收集效率會(huì)大大提高。

(2)冷凝效果差。冷凝單元采用地下降溫?fù)Q熱冷凝，雖然儲(chǔ)水罐安裝在地下80 cm，但由于冷凝管比儲(chǔ)水罐高，冷凝管平均分布在地下55 cm-70 cm，溫度剛剛達(dá)到露點(diǎn)。且埋入地下需要采用防腐材料，保證一定硬度，避免鼠蟲咬壞，冷凝管較厚，和土壤的熱交換效果沒有理想中好。

另外，理論計(jì)算過程中假設(shè)的條件均在理想情況下，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部件的摩擦力、風(fēng)速大小、空氣濕度、地表氣溫、地下溫度等因素均會(huì)影響集水量。

6 結(jié)束語

本研究提出了利用風(fēng)光互補(bǔ)作為能量來源進(jìn)行空氣集水灌溉，不需外接電源，很好地利用了新疆豐富的可再生能源；經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)田，亦可用于干旱缺水地區(qū)、無人區(qū)、軍事禁區(qū)等地區(qū)的用水。

研究結(jié)果表明：根據(jù)現(xiàn)在新疆的情況，理論上每畝地1個(gè)月可節(jié)省113.55元的水費(fèi)。雖然實(shí)際情況不會(huì)有這么多，但隨著系統(tǒng)的完善，集水量越大節(jié)約越多，因而該系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。