CN102134870A - 交互吸附式太阳能风能空气取水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交互吸附式太阳能风能空气取水器，太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，依程序驱动3台吸附床单元交互进行供热/脱附/冷凝/贮水、冷却/吸附的连续循环运行，单片机工控单元按已编程序并参照实时采集特征点的温湿度数据指令控制整机系统智能运作、启动或关闭设备；应用太阳能与风能互补向空气取水器的运转提供更多更长时间的自然清洁能源，小型太阳能电池板供电装置提供电控组件电力，整机无需电网或燃油机供电，基本为零碳排放。本技术方案可以较大地提高可再生能源空气取水效率，能够从空气中获取更多量的水。整机系统为模块化组件插接集成，现场安装及维修方便，可以较快形成规范化定型产品进入市场。

Description

交互吸附式太阳能风能空气取水器

技术领域

本发明涉及一种交互吸附式太阳能风能空气取水器，属于太阳能风能吸附式空气取水器技术领域。

背景技术

利用可再生能源从空气中获取液态水，对于淡水资源匮乏的地区是非常有价值的。几种可能实现的方法中，太阳能吸附法是可行途径之一，已有的太阳能吸附式空气取水器的技术方案，中国专利(申请号)01113489.5、中国专利(申请号)200410053390.5、中国专利(申请号)ZL02261055.3是将吸附床做成太阳能集热器的主体，阳光将放置于太阳能集热器内的吸附剂加热，水汽工质从吸附剂上脱附(又称解吸附)后，在冷凝器液化成液态水流入贮水罐。夜间，集热器内的吸附剂随大气环境自然冷却并开始吸附空气中的水汽，直到吸附剂的最大水份吸附平衡值，24小时为一个循环周期。中国专利(申请号)200610013085.2吸附床也做成太阳能集热器，将吸附床、冷凝器、吸附工质储液器组成封闭系统，白天太阳能集热使吸附床吸附的工质气体脱附，在冷凝器液化并存入储液器。夜间吸附床自然冷却，吸附剂对工质吸附使储液器工质气化降温，在储液器外壁上有空气凝结水产生而获取水。这些技术方案的优点是“不用电，没有传动机件”，结构简单，造价低廉，但太阳能取水效率很低。中国专利(申请号)200610025350.9的技术方案是在吸附房内放置多个进、出水管相并联的吸附床组件，组件多少由取水量决定。白天太阳能集热器的热水将这些组件同时加热，水汽脱附在冷凝器液化进入储水器，夜间开始吸附空气中水汽的过程，用风机增强空气流通。太阳能取水效率也较低。

已有的太阳能吸附式空气取水器取水效率低，整体结构技术方案中，普遍缺乏将太阳能风能资源互补综合利用、微电子测控技术与吸附剂工质对吸附特性技术参数相结合。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术方案的不足，提供一种交互吸附式太阳能风能空气取水器，以太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动3台吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行，太阳能电池板供电装置提供电控组件电力。本技术方案可以较大地提高可再生能源空气取水效率，从空气中获取更多的淡水，可以较快形成规范化定型产品投向市场。

吸附床单元是装有吸附剂的箱体，箱体各面有聚氨脂泡沫塑料保温层，与外界隔热。吸附床单元内敷设有对吸附剂加热、冷却的水管，以同一出、入接口与热源水或冷却水环路相接。一组被单片机工控单元程序控制的电磁阀将处于供热/脱附工作时段的吸附床单元吸附剂空间与冷凝器、贮水箱联接组成与大气相隔离的闭路系统；将处于冷却/吸附工作时段的吸附床单元吸附剂空间与通气管联接组成与大气通联的开路系统。一组温控水泵，将太阳能集热器及风能风热转换器产生的热水共同存贮到绝热良好的热源水箱中，太阳辐射能及风能转换为热能，以水为热载体的热源水依程序向彼此独立的3台(或2台以上)吸附床单元A1、A2、A3...提供吸附剂脱附的热能，以附图3台为例首先向A1供热，电磁阀将热源水切向A1单元供热时，另一电磁阀同步将A1的吸附剂空间切向冷凝器、贮水箱，A1的吸附剂空间与冷凝器、贮水箱组成与大气相隔离的闭路系统。供热使A1的吸附剂增温并将已吸附的水工质脱附，脱附的过饱和水汽进入翅式冷凝器凝结液化，液化水流入贮水箱。冷凝器上的汽化潜热可以用热交换回收热水或直排大气。

当A1单元的供热/脱附时段段完结后，电磁阀将热源水切向吸附床单元A2供热，另一电磁阀同步将冷凝器、贮水箱与A1断开，与A2的吸附剂空间连接。A2的吸附剂空间与冷凝器、贮水箱组成与大气相隔离的闭路系统。这时的A1单元被电磁阀切向冷却水源，另一电磁阀同步将A1的吸附剂空间通过通气管与大气相通，处于冷却/吸附工作状况的A1吸附剂空间转成与大气通联的开路状态。由冷却水箱提供大气环境温度的冷却水使A1吸咐剂强制快速降温，A1进入吸附时段，吸咐床内的吸附剂开始迅速吸附空气中水汽，为下次脱附准备足量的水份。

当A2单元供热/脱附时段完结后，热源水切向下一个A3单元；A2单元切向冷却水进入吸附工况时段，A2的吸附剂空间也同步与冷凝器、贮水箱断路而转成与大气相通联的开路吸附状态；A3的吸附剂空间与冷凝器、贮水箱组成与大气相隔离的闭路系统。当A3的供热/脱附时段完结后，开始下一个轮回周期，热源水又切回A1；A3切向冷却水源，A3单元同步进入冷却/吸附的工况时段，A3的吸附剂空间也同步与冷凝器、贮水箱断路而转成与大气相通联的开路吸附状态。管路中被单片机工控单元程序指令控制的电磁阀和微型水泵使吸附床单元A1、A2、A3交互进行供热/脱附/冷凝/贮水、冷却/吸附的连续循环运行。

吸附床单元的供热/脱附、冷却/吸附时段步长时间，主要由所选用吸附剂与水组成工质对的等温吸附曲线、等压吸附曲线、定温脱附时间曲线等技术参数而定。脱附与吸附时段步长时间的比决定该空气取水器系统需配置几台吸附床单元做交互运行，对现有的多种吸附剂与水工质对的吸附特性资料综合分析表明，将脱附与吸附时段步长时间的比定为1∶2为宜，如有需要，也可以定为1∶1或其它，定为1∶2，本发明空气取水器系统中要有3台吸附床单元做交互运行。在全机运转时期内，有1台轮在供热/脱附/冷凝/贮水工况，另2台轮在冷却/吸附工况。如果定为1∶1，空气取水器系统中要有2台吸附床单元做交互运行，在全机运转时期内，1台轮在供热/脱附/冷凝/贮水工况，另1台轮在冷却/吸附工况，即多数情况应配置3台；也可以2台及3台以上，多台吸附床单元按程序做脱附、吸附交互运行，总会有1台是轮在供热/脱附/冷凝/贮水状态，其它在泠却/吸附的状态。这就相当于太阳能风能转换的热能一直处于从空气中产生液态水，能源有效利用率大大提高，可以在同样能量输入和同量吸附剂条件下获取更多的水，这是本发明技术方案的特点。

本发明的另一特点是将微电子测控技术用于空气取水器系统，使设备能自动高效地智能运行。单片机及外围器件构成的单片机工控单元按已定的程序控制管路执行机构电磁阀和微型水泵的运作，使各吸附床单元有序地在供热/脱附/凝结/贮水、冷却/吸附的状况下交互运行。单片机工控单元按常规方法编程，编程的主要依据是所用吸附剂与水构成吸附工质对的技术参数。脱附与吸附时段步长时间比(例如1∶2、1∶1等)是不变的，步长的时间值依据所采用的吸附剂与水的吸附工质对在不同环境条件下吸附、脱附的时间变化特性及与环境因子的关连度，在程序中可以修正微调。传感器将实时采集的热源水温、冷却水温、吸附剂温度、大气温湿度等数据输送给单片机工控单元，可修正各吸附床单元交互在较佳的脱附、吸附工况周期，以获取尽量多的水。

单片机工控单元依据热源水温达到设定的阈值启动或关闭空气取水器系统的运转。在停机时段，所有吸附床单元都处在与大气开路的吸附状态。

单片机工控单元上有取水器设备故障告警信号LED显示与输出，用户可及时发现并排除故障。

气候统计资料表明，多数淡水资源缺泛的地区，不仅太阳辐射能资源丰富，而且风能资源也丰富。本发明设置了一组温控水泵，将太阳能集热器及风能风热转换器产生的热水共同存贮到绝热良好的热源水箱中，应用太阳能与风能转化的热能互补驱动空气取水器运转，可以在太阳高度角较低及云霾天气等太阳辐射能集热功率较小的时候，由风能补充能源，可以使本发明的空气取水器在一天中能有更长的运转时期；甚至在夜间，当风能足够，热源水温度到达额定值时，单片机工控单元同样可以启动空气取水器系统运行。风能可以采取实时供热和蓄能供热两种方式。应用太阳能与风能互补向空气取水器系统提供更多更长时间的自然清洁能源，能够从空气中获取更多量的水，这是本发明的特点。

小型太阳能电池板通过充电控制器与蓄电池向单片机工控单元、水泵、电磁阀等全部电器提供12V或24V直流电源。本发明交互吸附式太阳能风能空气取水器整机系统的运转无需电网或燃油机供电，基本为零碳排放。

贮水箱中从空气中获取的水，用户可根据用途(饮用水、生活用水、农业滴灌用水、工业用水等)选配后续处理设备。

附图说明

附图是本发明技术方案的示意图。如图所示，太阳能集热器1，风能风热转换器2将太阳辐射能及风能转换为热能，以水为热载体存在绝热良好的热水箱3内，21为温控微型水泵(图上P1、P2)，它根据1与3、2与3的水温差值启动。13为散热器，14为冷却水箱。分别向各吸附床单元提供热源水、冷却水的微型水泵5(图上P3、P4)受单片机工控单元17控制。图上箭头代表水流方向。7为吸附床单元，图上A1、A2、A3等为相同结构的3台吸附床单元，每台吸附床单元是以同一进、出水管接口与热源水或冷却水环路相接。

单片机工控单元17控制电磁阀6(图上F1、F2、F3、F4)及微型水泵5(图上P3、P4)向处于供热/脱附、冷却/吸附运作时段的各吸附床单元7(A1、A2、A3等)分别提供热源水、冷却水的同时，电磁阀9(图上F5、F6、F7)将相应的吸附床单元的吸附剂空间分别与冷凝器11、贮水器12连接组成与大气隔离的闭路系统；与通气管10(图上Q1、Q2、Q3)连接组成与大气通联的开路系统。电磁阀9受单片机工控单元17控制，与电磁阀6同步运作。

任何一个吸附床单元处于供热/脱附的工况时段，电磁阀9总是同步将该单元的吸附剂空间与冷凝器11、贮水器12相连接；而处于冷却/吸附工况时段，总是同步将其吸附剂空间通过通气管与大气联通。

水温传感器4(图上T4、T5)，环境大气温湿度传感器20，每个吸附床的吸附剂上嵌入温度传感器8(图上T1、T2、T3)，它们将实时采集的热源水温度，冷却水温度，各吸附床单元吸附剂的温度及环境大气温湿度数据输送给单片机工控单元17，16为传感器信息输入总线，15为控制信息输出总线。单片机工控单元17上有空气取水器设备系统故障告警信号LED显示与输出。

小型太阳能电池板19通过充电控制与蓄电池单元18向单片机工控单元、水泵、电磁阀提供12V或24V直流电源。

具体实施方式

近年来，由于众多领域的需要，吸湿材料吸附剂的研制有很大进展，国内外已经开发出的多种复(组)合吸附剂，对水汽的吸附量更大，吸附、脱附速度更快；其中不少品种在60℃-80℃条件下就可以很好地脱附。它们还有取材方便，配制简单，成本低的特点。这些成就对推动太阳能吸附式空气取水器技术领域的进一步发展起了重要作用，本发明的实施可以选择其中比较合适的品种使用。吸附床单元是以水为载体对吸附剂进行供热/脱附和冷却/吸附的核心部件，结构设计应充分考虑对吸附床上的吸附剂有良好的传热传质效果。通气管的设置应考虑到当吸附床单元与大气开放时，吸附空间的空气与外界空气有良好的对流，通气管上应有过滤措施以防止尘埃及昆虫进入。

本发明中所用低压直流微型水泵及温控直流微型水泵、低压直流电磁阀、翅片式冷凝器及冷却水翅片散热器等都可选用市售标准化产品。热电阻温度传感器精度0.5℃，湿敏陶瓷湿度传感器精度5％，这些传感器稳定性好，价格低廉，虽精度较低，在本设备中已满足要求。

单片微型计算机简称单片机，是现代微电子信息技术发展的重要标志，可靠性好，价格已很便宜。市场上规格较多，本发明空气取水器系统可选用8位单片机配外围器件构成工控单元。

单片机工控单元按常规方法编程，编程依据主要由所选用吸附剂与水构成吸附工质対的吸附、脱附特性曲线技术参数而定，要有完整详细的实验技术资料。吸附剂的水汽相对脱附、吸附量g(水汽重)/g(干吸附剂重)在一定环境条件下随时间的变化曲线是非线性的，起始阶段很快，时间越长越缓慢。一般而言，在适用的常规工况条件下，吸附剂的脱附速度要远快于吸附速度，多数情况把脱附时段步长时间与吸附时段步长时间的比定为1∶2为宜，这时空气取水器系统中要有3台吸附床单元做交互运行，如果步长时间比定为1∶1，空气取水器系统中要有2台吸附床单元做交互运行，也可以其它比值；即多数情况应配置3台，也可以2台及3台以上。脱附、吸附时段的步长时间可在分折所选用的吸附剂的时间变化曲线，折选起始变化迅速，其变化量已有较大部份的一段；综合分析脱附量、吸附量随时间变化特性，从有利于一天总取水量最多上找出较优的单次平均脱附与吸附步长时间及步长比。依据所采用的吸附剂的吸附、脱附特性与环境条件物理因数关连度，在程序中设有步长时间值修正微调系数。热源水温、冷却水温、吸附剂温度、大气温湿度等参数送入单片机工控单元，可修正各吸附床单元交互在较佳的脱附、吸附工况周期。

市场现有的平板式、真空管式太阳能集热器提供70℃-80℃的热水一般都可做到，风热转换器选用定型产品。根据日平均出水量，吸附剂特性，系统效率，工作环境条件范围及系统损耗等预算出大致所需热源水的输入供热量，热源水箱容量，冷却水箱容量，吸附剂量(干重)；参考所使用纬度地区的太阳辐射能及风能气候资料可估算出所需太阳能集热器的功率及在太阳高度角低或云霾天气的时候互补风力机的输出热功率，可从市场上选择与本发明整机系统相匹配的太阳能集热器、风能风热转换器定型产品配套。

根据空气取水器系统所用的微型水泵、电磁阀、工控单元等全部电器一天最大消耗功率确定蓄电池容量，再根据所用地区太阳辐射气候资料等换算出所用太阳能电池板的的输出功率。为保证足够的电能储备，实际用的小型太阳能光伏供电装置容量比计算值要大1-2倍。可从市场上按所需规格购置定型产品配套，其价位已较低廉。

贮水箱中从空气中获取的水，可根据用户的用途(饮用水、生活用水、农业滴灌用水、工业用水等)灵活选配后处理设备，市场上都有成熟产品相配。这些后续处理设备，以选配件方式提供给用户选择。

本发明可以较快形成产品进入市场，按日均取水量区间制造出结构一致的大、中、小型规范化定型产品，整机系统由几个组件构成，为模块化的结构，插接集成，现场安装及维修都很方便。

Claims (9)

1.一种交互吸附式太阳能风能空气取水器，包括有太阳能集热器、风能风热转换器、热源水箱、冷却水箱、吸附床单元、冷凝器、贮水箱、散热器、通气管、电磁阀、管路和水泵、单片机工控单元、温度和湿度传感器、太阳能电池板供电装置，其特征是太阳能、风能互补能源转化的热源水和相配的冷却水，在单片机工控单元指令控制下，依程序驱动3台吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行，太阳能电池板供电装置提供电控组件电力。

2.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是在太阳能集热器和热源水箱之间及风能风热转换器和热源水箱之间设置了温控水泵，将太阳能与风能所转化的热能，以水为载体，将热能共同存贮到绝热良好的热源水箱中，应用太阳能与风能所转化的热能进行互补，可以在太阳高度角较低或云霾天气等太阳辐射能集热功率小的时候，由风能补充能源，风能可以采取实时供热和蓄能供热两种结构。

3.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是热源水和相配的冷却水，通过管路中被程序控制的电磁阀和微型水泵实现依序驱动3台吸附床单元交互进行供热/脱附、冷却/吸附的连续循环运行。

4.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是管路中被程序控制的电磁阀同步将处于供热/脱附工作时段的吸附床单元吸附剂空间与冷凝器、贮水箱联接组成与大气相隔离的闭路系统；将处于冷却/吸附工作时段的吸附床单元吸附剂空间与通气管联接组成与大气通联的开路系统。

5.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是供热/脱附、冷却/吸附时段的步长时间是依据所用吸附剂与水构成的吸附工质对的技术参数决定，脱附与吸附时段步长时间的比决定该空气取水器系统需配置几台吸附床单元做交互运行，可定为1∶2、1∶1或其它，1∶2要配置3台、1∶1要配置2台，多数吸附剂情况的配置如权利要求1内所说的是3台，如有需要，也可以2台及3台以上，全机2台以上做脱附、吸附交互运行，总是有1台依序轮处在供热/脱附/冷凝/贮水状态，其它是轮处在泠却/吸附的状态。

6.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是设置有热源水箱、冷却水箱的水温传感器，大气温湿度传感器，每台吸附床单元的吸附剂上都嵌入温度传感器，它们实时采集的热源水温、冷却水温、环境大气温湿度、各吸附床吸附剂温度的数据送入单片机工控单元处理以进行整机系统运转的智能控制。

7.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是由单片机及外围器件构成的单片机工控单元按程序控制管路执行机构电磁阀和微型水泵的运作，使各吸附床单元有序地在供热/脱附/冷凝/贮水、冷却/吸附的状况下高效地智能交互运行，单片机工控单元编程的主要依据是所用吸附剂与水构成吸附工质对的技术参数；单片机工控单元分析处理温度及湿度传感器所采集的数据指令控制各吸附床单元交互在较佳的脱附、吸附工况周期，启动或关闭空气取水器设备；单片机工控单元上有空气取水器设备系统故障告警信号LED显示与输出。

8.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是设置了太阳能电池板供电装置向空气取水器系统全部电器提供12V或24V直流电源，本发明整机设备系统的运转无需电网或燃油机供电，基本为零碳排放。

9.如权利要求1所述的交互吸附式太阳能风能空气取水器，其特征是如果将太阳能、风能互补能源转化的热源水更换为工业余热水、地热水等其它低品味热源水，本发明空气取水器装置可同样运行。