節(jié)能型太陽(yáng)能空氣制水器的實(shí)驗(yàn)研究

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(yáng)能的問(wèn)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(yáng)能為能源，利用冷凝技術(shù)將潮濕的空氣降到露點(diǎn)以下，形成冷凝水匯集到儲(chǔ)水箱中，再經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)濾后得到清潔合格的飲用水。設(shè)備制水的效率相對(duì)較高，在空氣溫度為20～30℃、空氣相對(duì)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(tái)、野外探險(xiǎn)、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(yáng)能；壓縮機(jī)；節(jié)?。恢憋?/p>

中圖分類號(hào)： TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)海域中有7000 多個(gè)面積在500 平方米以上的海島，總面積接近8萬(wàn)平方千米，其中400多個(gè)島嶼有常住人口3000多萬(wàn)人[1]。中國(guó)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(guó)家大力開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)地帶。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近八成的中國(guó)島嶼地帶淡水資源嚴(yán)重缺乏，已成為了制約中國(guó)島嶼（如海南西沙群島）開(kāi)發(fā)利用的重要因素。此外，國(guó)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(wèn)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(wú)法有效地解決淡水資源短缺的問(wèn)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(lái)，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(wèn)題的有效方法之一，也是近年國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，我國(guó)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(wèn)題。本項(xiàng)目將針對(duì)這些問(wèn)題，探索將太陽(yáng)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(wèn)題，同時(shí)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(yáng)能和海島資源，因此，太陽(yáng)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(jià)值和地方特色。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

太陽(yáng)能空氣制水器制水器主要由太陽(yáng)能電池、過(guò)充過(guò)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(guò)濾器、增壓水泵、壓力開(kāi)關(guān)和水閥等組成，如圖1所示。

系統(tǒng)原理：太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化成電能，先通過(guò)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(shí)，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(diǎn)時(shí)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(shí)，空氣制水裝置將自動(dòng)停止工作。水箱與增壓水泵之間有水管相連，當(dāng)水閥開(kāi)啟時(shí)，水在增壓水泵的增壓下，通過(guò)過(guò)濾器得到合格的飲用水，而當(dāng)水閥關(guān)閉時(shí)，壓力開(kāi)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(yáng)能供電裝置

空氣制水器采用的是太陽(yáng)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(yáng)能電池板的基本原理是由太陽(yáng)電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，直接將太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能供電裝置平均每天可供制水器連續(xù)工作6.49小時(shí)。海南地處熱帶地區(qū)，有著充足的光照，提供了該設(shè)備運(yùn)行的能源。

1.3 控制系統(tǒng)

太陽(yáng)能空氣制水器采用一個(gè)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(kāi)關(guān)，逆變器啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，制水裝置啟動(dòng)按鈕，濕度閾值設(shè)定按鈕，壓力開(kāi)關(guān)等。當(dāng)總電源開(kāi)關(guān)打開(kāi)和啟動(dòng)逆變器時(shí)，控制系統(tǒng)開(kāi)始工作，可通過(guò)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(shí)，制水器自動(dòng)工作，不滿足要求時(shí)，制水器自動(dòng)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(guò)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(shí)，空氣制水裝置自動(dòng)啟動(dòng)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(guò)蒸發(fā)器時(shí)被冷卻，溫度降低到露點(diǎn)溫度以下，在蒸發(fā)器表面形成凝結(jié)水[3-4]，通過(guò)導(dǎo)管收集到水箱中儲(chǔ)存。在水箱內(nèi)有一個(gè)水位傳感器，當(dāng)檢測(cè)到水箱內(nèi)水量少于一定閾值、濕度達(dá)到設(shè)定值的時(shí)候，并且蓄電池電量符合要求時(shí)，設(shè)備將自動(dòng)開(kāi)始工作。而當(dāng)水量大于一定閾值或蓄電量不足時(shí)，停止制水。

1.5 水過(guò)濾系統(tǒng)

水過(guò)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(jí)過(guò)濾部分。當(dāng)水龍頭打開(kāi)時(shí)，增壓水泵自動(dòng)啟動(dòng)，水箱中的水依次經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)濾系統(tǒng)中作用是前置過(guò)濾，去除自來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)濾水中的異色異味，改善口感。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

海南的年平均氣溫在23～26℃之間，年平均相對(duì)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(shí)每刻都在變化，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)工況復(fù)雜多變[8]。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇在?？谑泻Ｄ蠋煼洞髮W(xué)物理樓六樓，分別在空氣濕度為56.1%～79.8%之間的五個(gè)工況，環(huán)境溫度維持在20～30℃之間進(jìn)行測(cè)試，每1度電的制水量如表2所示。

實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(huì)停留在一定的數(shù)值附近。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，盡量設(shè)置相對(duì)濕度在70%以上時(shí)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(shí)間段自動(dòng)啟動(dòng)制水。

3 結(jié)論

以太陽(yáng)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(gè)裝置低能耗、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)污染，成本相對(duì)較低。研究發(fā)現(xiàn)，制水效率會(huì)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(tái)、野外探險(xiǎn)、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(diǎn)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)】

[1]張耀光.中國(guó)島嶼經(jīng)濟(jì)體在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的作用和地位[J].2013（01）.

[2]關(guān)根志，雷娟，吳紅霞，等.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[J].水電與新能源.2013（01）.

[3]劉玉德，王碩，吳剛，等.空氣制水技術(shù)研究現(xiàn)狀及其發(fā)展應(yīng)用[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2017，（2）：30-32.

[4]劉建勛，臧潤(rùn)清，趙東，等.空氣制水裝置的性能研究[J].低溫與超導(dǎo)，2015，43（2）：71-75.

[5]楊琳娜.家用活性炭?jī)羲鲗?duì)飲用水中有機(jī)物深度凈化性能研究[D].上海師范大學(xué).2014.4.

[6]蔣莉蓉.家用凈水器技術(shù)與其展望[J].中山大學(xué)研究生學(xué)刊（自然科學(xué)醫(yī)學(xué)版）2016，37（1）：25-34.

[7]蔡大鑫，劉少軍，田光輝，等.海南島旅游氣候資源分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技.2010（16）.

[8]陳光明，陳國(guó)邦，等.制冷與低溫原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.endprint