节能型太阳能空气制水器的实验研究

钱一聪+严世胜+李明洋+宴辅璋+贺天昊

【摘 要】为了解决海岛、沙漠等淡水资源短缺和充分利用太阳能的问题，研究一种可直接从空气中制取饮用水的设备。该设备以太阳能为能源，利用冷凝技术将潮湿的空气降到露点以下，形成冷凝水汇集到储水箱中，再经过多级过滤后得到清洁合格的饮用水。设备制水的效率相对较高，在空气温度为20～30℃、空气相对湿度为80%的工况下，每度电可制水约1.6kg。可广泛应用于海上钻井平台、野外探险、大型出海商船和海岛旅游胜地等淡水缺乏的地方。

【关键词】空气制水；太阳能；压缩机；节省；直饮

中图分类号： TK519 文献标识码： A 文章编号： 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

中国海域中有7000 多个面积在500 平方米以上的海岛，总面积接近8万平方千米，其中400多个岛屿有常住人口3000多万人[1]。中国的众多岛屿具有丰富的生物、矿产和能源等自然资源，已成为了近十年国家大力开发的重点地带。然而，据统计，近八成的中国岛屿地带淡水资源严重缺乏，已成为了制约中国岛屿（如海南西沙群岛）开发利用的重要因素。此外，国内水污染行为日趋严重，进一步降低了淡水资源的利用率。目前，解决淡水资源短缺问题的主要措施有节约用水、海水淡化等，但是这些措施仍无法有效地解决淡水资源短缺的问题。

空气制水技术是指利用一定的技术手段把湿空气中的水分提取出来，净化消毒后得到安全合格的饮用水，被认为是解决淡水资源短缺问题的有效方法之一，也是近年国内外研究的热点，我国仍处于起步阶段。当前已研制的空气制水设备普遍存在能耗高，出水效率低的问题。本项目将针对这些问题，探索将太阳能光伏发电应用于空气制水技术，有效解决空气制水技术能源供应不足的问题，同时提高和优化制水效率。海南地处高温潮湿的热带地区，且具有丰富的太阳能和海岛资源，因此，太阳能空气制水器的研制具有深远的科学前沿意义、经济价值和地方特色。

1 系统设计

1.1 系统结构及原理

太阳能空气制水器制水器主要由太阳能电池、过充过放保护器、蓄电池、逆变器、控制系统、空气制水装置、蓄水箱、水过滤器、增压水泵、压力开关和水阀等组成，如图1所示。

系统原理：太阳能电池板将光能转化成电能，先通过蓄电池保护器向蓄电池充电，然后经逆变器转为220V的交流电，向空气制水装置、增压水泵和控制系统供电。当空气制水器工作时，空气制水装置中的冷凝器温度降低，风机将潮湿的空气吸到制水装置中，当潮湿的空气达到露点时形成水珠汇集到蓄水箱中。为了防止水溢出，水箱中的水位到达设定值时，空气制水装置将自动停止工作。水箱与增压水泵之间有水管相连，当水阀开启时，水在增压水泵的增压下，通过过滤器得到合格的饮用水，而当水阀关闭时，压力开关中的水压增大，控制系统将控制增压水泵停止工作。

1.2 太阳能供电装置

空气制水器采用的是太阳能电池板供电，装置使用2块英利绿色能源控股有限公司生产的YL250P多晶硅电池，其主要参数如表1。太阳能电池板的基本原理是由太陽电池板进行光电转换，直接将太阳辐射能转换为电能[2]。该电池板平均每天约可发电1.5kW·h，电池和逆变器的转换效率约80%，所以太阳能供电装置平均每天约可输出电量1.2kW·h。由于空气制水机的额定功率为0.185 kW，所以太阳能供电装置平均每天可供制水器连续工作6.49小时。海南地处热带地区，有着充足的光照，提供了该设备运行的能源。

1.3 控制系统

太阳能空气制水器采用一个CR304单片机将控制功能集于一体的控制系统，还包含总电源开关，逆变器启动开关，制水装置启动按钮，湿度阈值设定按钮，压力开关等。当总电源开关打开和启动逆变器时，控制系统开始工作，可通过控制面板依据所在地环境设定制水器工作的条件，当条件满足要求时，制水器自动工作，不满足要求时，制水器自动停止，从而提高空气制水器制水的效率。endprint

1.4 空气制水装置

空气制水器主要由空气过滤装器，冷凝器，蒸发器，压缩机和蓄水箱等组成。当空气湿度达到设定值时，空气制水装置自动启动工作，抽风机工作把室外的湿空气送到蒸发器中，湿空气经过蒸发器时被冷却，温度降低到露点温度以下，在蒸发器表面形成凝结水[3-4]，通过导管收集到水箱中储存。在水箱内有一个水位传感器，当检测到水箱内水量少于一定阈值、湿度达到设定值的时候，并且蓄电池电量符合要求时，设备将自动开始工作。而当水量大于一定阈值或蓄电量不足时，停止制水。

1.5 水过滤系统

水过滤系统包括PP棉滤芯、前置颗粒炭滤芯、压缩活性炭滤芯和后置活性炭四级过滤部分。当水龙头打开时，增压水泵自动启动，水箱中的水依次经过PP棉，前置颗粒炭、压缩活性炭和后置活性炭，直接输出合格的饮用水。

过滤系统中的PP棉滤芯主要是由人造化学纤维，聚丙烯材料制成。在过滤系统中作用是前置过滤，去除自来水中粒径大于 5μm的胶体杂质以及微泥、细菌病毒、有机污染矿物质杂物等，属于物理截留[5]。过滤系统中的活性炭有非常多的微孔，因而具有很强的吸附能力，能有效地吸附水中的有机污染物。此外，在活化过程中，活性碳表面的非结晶部位形成一些含氧官能团，这些基团使活性碳具有化学吸附和催化氧化、还原性能，能有效去除水中一些金属离子[6]。前置颗粒炭和压缩活性炭吸附水中的重金属小分子有机物，异色异味，后置活性炭进一步过滤水中的异色异味，改善口感。

2 实验结果及分析

海南的年平均气温在23～26℃之间，年平均相对湿度在76%～86%之间[7]。室外空气的温度、湿度不仅随季节变化，而且在同一季节的每昼夜、每时每刻都在变化，导致实验工况复杂多变[8]。实验场地选择在海口市海南师范大学物理楼六楼，分别在空气湿度为56.1%～79.8%之间的五个工况，环境温度维持在20～30℃之间进行测试，每1度电的制水量如表2所示。

实验数据表明，环境温度在25℃附近，空气湿度在50%～80%区间时，随着空气湿度的上升，制水效率也提高。当环境温度为25℃附近、空气湿度为80%附近，空气制水器制水量会停留在一定的数值附近。因此，在实际应用中，尽量设置相对湿度在70%以上时让空气制水器工作，可以选择一天中的早晨、傍晚环境湿度较高的时间段自动启动制水。

3 结论

以太阳能发电技术应用在空气制水器中，能够合理地利用自然资源，生产出安全清洁、可直接饮用的饮用水。整个装置低能耗、高效率、结构简单、无污染，成本相对较低。研究发现，制水效率会随着湿度的提升而升高。该制水器不仅可以应用于海上钻井平台、野外探险、大型出海商船和海岛旅游胜地等淡水缺乏的地方，還可以根据不同的环境特点进行改造，如应用于抗震救灾特殊条件下的直接饮用水需求。

【参考文献】

[1]张耀光.中国岛屿经济体在国家经济中的作用和地位[J].2013（01）.

[2]关根志，雷娟，吴红霞，等.太阳能发电技术[J].水电与新能源.2013（01）.

[3]刘玉德，王硕，吴刚，等.空气制水技术研究现状及其发展应用[J].自动化应用，2017，（2）：30-32.

[4]刘建勋，臧润清，赵东，等.空气制水装置的性能研究[J].低温与超导，2015，43（2）：71-75.

[5]杨琳娜.家用活性炭净水器对饮用水中有机物深度净化性能研究[D].上海师范大学.2014.4.

[6]蒋莉蓉.家用净水器技术与其展望[J].中山大学研究生学刊（自然科学医学版）2016，37（1）：25-34.

[7]蔡大鑫，刘少军，田光辉，等.海南岛旅游气候资源分析[J].现代农业科技.2010（16）.

[8]陈光明，陈国邦，等.制冷与低温原理[M].北京：机械工业出版社，2000.endprint