基于物理温差的智能水汽收集系统的研究*

2020-08-13吕东芳宋雷震

九江学院学报(自然科学版) 2020年2期

吕东芳宋雷震

(1淮南联合大学信息工程学院；2淮南联合大学智能制造学院安徽淮南 232001)

1研究背景及意义

1.1全球水资源现状

地球表面的72%被水覆盖，但是淡水资源仅0.75%，有近70%的淡水固定在南极和格陵兰的冰层中，其余多为土壤水分或深层地下水，不能被利用。地球上只有不到1%的淡水或约0.007%的水可被人类直接利用，中国人均淡水资源只占世界人均淡水资源的1/4。

地球的储水量是很丰富的，共有14.5亿立方千米之多。地球上的水，尽管数量巨大，但是能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。首先，海水又咸又苦，不能饮用，不能浇地，也难以用于工业。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60%。约占世界人口总数40%的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水。更可怕的是，预计到2025年，世界上将会有30亿人面临缺水，40个国家和地区淡水严重不足。

文章设计这款作品旨在收集空气中的水汽来满足缺水地区的用水需求。

2设计方案

2.1总体设计

水汽收集装置大概可分为五大部分，深埋在最地底下的集水区，埋在地下的冷凝区，与集水区相通的通风管，地上的风叶区以及最顶部的太阳能电池装置,如图1所示。

图1 水气收集装置

2.2集水区部分

集水区整体部分设计集水区域如图2所示。

图2 集水区整体部分设计集水区域

材质采用耐腐蚀食品级PE塑料，形状为上半部为圆柱，下半部为圆锥的组合体。上半部圆柱的底面外径为30cm，内径为28cm，高度为10cm。下半部圆锥的底面外径为30cm，内径为28cm，内高度为5cm，整体壁厚为2cm。整个集水区设计容量约为V=m2h+1/3m2h=3.14×(29cm)2×10+1/3×3.14×(29)2×5cm=49.32L。安装时埋在锥尖距地面155cm深处。以上半部圆柱底面的圆心为圆心，半径为14cm开一圆孔，并在此圆孔四周间隔2cm处对称开4个半径为10cm的圆孔，如图3所示。

图3 系统进、排气管

半径为14cm的圆孔用于连接冷凝区，4个半径为10cm的圆孔用于连接通风区。在下半部圆锥内部的一条母线上安装有水位传感器，以顶部太阳能电池为能源工作。

传感器可以将水位信号通过安装在顶部太阳能电池板旁的NBiot技术发送到上位机中。这样可以在一台上位机上检测多个终端，如图4所示。

图4 系物联网

在圆锥顶点内部附近放置抽水管的一端，抽水管经过一根通风管与外部用太阳能电池供电的水泵相连，如图2和图3部分所示。

2.3 冷凝区部分

图5材质采用6061/6063型铝合金，形状为外径为14cm，内径为12cm，高度为150cm的圆柱。圆柱垂直安装，上底面高于地面10cm，下底面与集水区半径为14cm的圆孔连接。连接的部分用法兰及固定螺栓进行加固，如图6所示。

图5 冷凝区部分设计

图6 连接法兰

在圆柱的内壁有10条互为一定角度的，长度为135cm的散热片。散热片顶端距凝水区顶部15cm散热片下边的角度为圆锥锥度的1/2，紧靠在集水区圆锥的母线上。因为要埋在地下，所以冷凝管外表面要涂上防腐蚀涂料。内表面包括散热器表面涂上疏水涂料，有利于凝结的水滴落到集水区中。

系统中特别设计了制冷片，见图7。制冷片也叫热电半导体制冷组件或帕尔贴等，是指一种分为两面，一面吸热，一面散热，起到导热的贴片，本身不会产生冷。将其制冷片嵌入在保温层中与冷凝管外壁紧密固定一起，使其冷面与管壁接触。目的是通过热传导效应，将冷凝管的热量通过制冷片的热面上的散热片传导于空气中，使冷凝管内的温度低于空气温度，通过温度差达到冷凝水的目的。制冷片工作时需要电源由蓄电池提供，由于制冷片与电动风机采用PMW调速控制，因此在增强出水量的同时最大减小系统对电力的需求。

图7 制冷片

2.4排气管部分

排气管部分机械部分设计通风区，如图8所示。

图8 排气管部分机械部分设计通风区

材质采用 6061/6063 型铝合金，形状为外径为 10cm，内径为 9cm，高度为 160cm，倾斜角度为 70 度的圆柱。圆柱下底面与集水区 4 个对应的半径为 10cm 的圆孔连接。连接的部分用法兰及固定螺栓进行加固。上底面装有无动力通风机，使得整个装置的空气循环更流畅。外表面涂上防腐蚀涂料。

2.5 风叶区部分

图9中圆柱材质采用6061/6063型铝合金，形状为外径为14cm，内径为12cm，高度为50cm。圆柱垂直安装，与下方冷凝区连接的部分用法兰及固定螺栓进行加固。上方架设有太阳能电池板。圆柱内部安装有两个风叶，分别为上方以风能驱动的同轴风叶，和下方电动风叶，电机为太阳能电池供电。风能风叶顶部为达里厄型风力发电机涡轮(叶片长度30cm，叶片直径30cm，叶片材

图9 风叶部分设计

料铝合金，叶片数量4幅)，下方为超轻大风压风叶(叶片直径11cm，叶片数量3幅，页面倾角10°)，两风叶处在同一竖直轴上。在风能风叶上安装有太阳能电池供电的转速传感器，一旦传感器检测到其转速低于设置值的时候将会自动启动下方的电机风叶，转速恢复时自动关闭下方电机风叶。下方的电机风叶电机采用防水低功耗型，以蓄电池或是锂电池等为能源由太阳能电池为其充电，所带动的风叶也超轻大风压型。

2.6太阳能电池板部分

太阳能电池板部分设计如图10所示。

图10 太阳能电池板部分设计

太阳能电池板架设在风叶区上端，起到为下方装置遮阳的作用，防止因为太阳对装置的照射，引起装置内的温度升高，温度差减小而影响水的冷凝作用。整个太阳能电池板向南倾斜30°-45°，有利于更好地接受太阳光，在太阳能电池板的下方有一个雨水收集装置，装置下方有一小孔，与冷凝区管壁通过中空不锈钢管连接，保证装置所在地区下雨的时候可以更好地收集雨水。同时不锈钢与冷凝管内壁固定起到支撑太阳能板的作用。实验中采用为单晶硅太阳能电池板输出18V50W高效5线，转换效率可以达20%以上。由于所生要的电能主要用于电动风机和制冷片的驱动，所以该装置不采用太阳能追踪装置。如果量产可能使用更为轻便的柔性太阳能电池，安装面积可以更大，功率也可以增大，制冷效果更好，出水量更多。