CN103410196B - 辐射降温捕水装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种辐射降温捕水装置，用于捕捉空气中的水分，包括：金属板，金属板的上表面形成有辐射降温层；辅助降温系统；太阳能供电组件；以及控制器，控制器与辅助降温件及太阳能供电组件分别连接，以在金属板未达到露点时控制辅助降温件对金属板降温；以及水收集组件，水收集组件设在金属板的下方用于收集金属板上凝结的水。根据本发明的辐射降温捕水装置，在满足条件的情况下可以通过金属板直接捕捉空气中的水。而且，通过设置辅助降温系统，可以对金属板进一步降温，提高了金属板的捕水量。另外，辅助降温系统采用太阳能作为动力源，在运行时，无需其它动力源，适合在各种环境下使用，且对环境无污染。

Description

辐射降温捕水装置

技术领域

本发明涉及一种辐射降温捕水装置。

背景技术

现有的从空气中捕捉水分的被动式装置，通常都使用聚乙烯膜作为捕水表面，在夜间利用天空背景辐射从空气中捕水。这种捕水方式至少存在以下缺点：由于聚乙烯膜很薄，易破损，难以添加其他动力辅助式装置；传统的聚乙烯薄膜是被动式的，受天气条件的约束比较大。比如，在干燥天气或大气污染物较多的条件下，其无法直接通过天空背景辐射将捕水表面的温度降低到露点以下；使用聚乙烯膜捕水，即使能够达到露点，可以有水凝出，但受天空背景辐射热流密度的制约，在捕水量上有所受限，无法得到足够多的水。

对于海岛而言，如何获得淡水资源是一个大难题。目前采用的反渗透技术(ReverseOsmosis)和电渗析技术(Electrodialysis)虽然效率高，但建设成本高，维护困难，而且驱动高压泵或产生直流电场都需要消耗大量能源，此外这些方法所用的大型设备在运行时会产生环境污染。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明提供一种辐射降温捕水装置，所述辐射降温捕水装置适应性强，捕水能力好，在适合的条件下可以自动收集空气中的水，且无污染，制造成本低。

根据本发明的实施例的辐射降温捕水装置，用于捕捉空气中的水分，包括：金属板，所述金属板的上表面形成有辐射降温层；辅助降温系统，所述辅助降温系统包括：辅助降温件，所述辅助降温件与所述金属板的下表面相对设置，以对所述金属板进行降温；太阳能供电组件，所述太阳能供电组件包括：太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池；以及控制器，所述控制器与所述辅助降温件及所述太阳能供电组件分别连接，以在所述金属板未达到露点时控制所述辅助降温件对所述金属板降温；以及水收集组件，所述水收集组件设在所述金属板的下方用于收集所述金属板上凝结的水。

根据本发明的实施例的辐射降温捕水装置，首先，在满足条件的情况下可以通过金属板直接捕捉空气中的水。其次，通过设置辅助降温系统，可以对金属板进一步降温，提高了金属板的捕水量，适合在各种环境下进行捕水；另外，辅助降温系统采用太阳能作为动力源，在运行时，无需其他动力源，适合在各种环境下使用，且对环境无污染。

根据本发明的一个实施例，辐射降温捕水装置进一步包括：第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板所处的环境温度，并将环境温度信息发送给所述控制器；第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板的辐射降温层的温度，并将所述辐射降温层的温度信息发送给所述控制器；湿度传感器，所述湿度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板所处的环境的湿度，并将环境湿度信息发送给所述控制器，其中控制器通过接收到的所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述湿度传感器检测到的信息，判断所述金属板的上表面温度是否达到露点，以在所述金属板的上表面温度未达到露点时，控制辅助降温件对所述金属板降温。

根据本发明的一个实施例，所述辅助降温件为半导体制冷片，所述半导体制冷片的冷面与所述金属板的下表面贴合。

根据本发明的一个实施例，所述辅助降温件进一步包括：与所述半导体制冷片的热面贴合的翅片散热器。

根据本发明的一个实施例，所述半导体制冷片为多个，且间隔布置，相邻的两个半导体制冷片之间设有与所述金属板底面连接的隔热海绵。

根据本发明的一个实施例，所述辐射降温层是通过对所述金属板的上表面进行酸碱腐蚀或表面氧化烧蚀构造成。

根据本发明的一个实施例，所述辐射降温层为涂布在所述金属板的上表面的氟硅烷层或哑光漆层。

根据本发明的一个实施例，所述金属板为平板状，且所述金属板倾斜设置。

根据本发明的一个实施例，所述金属板的倾斜角度为20-40度。

根据本发明的一个实施例，所述金属板为曲面板状。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的辐射降温捕水装置的结构示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的辐射降温捕水装置的金属板与辅助降温件的连接关系示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的辐射降温捕水装置的辅助降温系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请是基于发明人对下面的事实的发现：在晴朗的夜间，室外放置的物体，与天空、周围空气、地面及地面物体之间会产生热交换。热交换的主要形式为：物体与天空、地面物体、周围空气之间的热辐射；与物体与周围空气之间的热传导及对流换热。而在这样的热交换下，物体达到热平衡。在晴朗的夜空下，地面物体和宇宙背景之间热辐射在8-14μm波段内红外透射率较高，如果地面物体可以提高此波段的红外发射率，则可以获得比周围环境更低的温度。

可见，如果能够提高物体对天空辐射的红外波段的发射率，减少与地面物体间的直接热辐射以及与周围空气的对流换热，那么就可以更有效地通过辐射换热的方法在晴朗的夜空中获得比周围环境更低的温度。

当辐射降温表面的温度低于周围空气温度一定程度时(即要求辐射降温表面的温度低于周围空气温度和湿度所对应的露点值)，空气中的水蒸气就会在表面上凝结成小水滴。利用这一原理，我们可以从空气中捕捉水分，解决一些地区的缺水问题。

通过辐射降温获取空气中的水蒸气作为一种可用的水资源，这一方法特别适合在干旱少雨，或是干湿季降水量差别很大的地区，从潮湿空气中捕获的露水是一种持续稳定的水源。

根据QT-X 50-2007《地面气象观测规范第六部分空气温度和湿度的观测》标准的附录A中规定：露点没有直接计算公式，可采用新系数的马格拉斯公式求出初值，再采用逐渐逼近(最多三次方)方法求出露点。

$T_d=\frac{b\×\log \frac{e}{E_0}}{a-\log \frac{e}{E_0}}$

$e=\frac{U\×E_w}{100}$

$\begin{array}{c}\log E_w=10.79574(1-\frac{T_1}{T})-5.028\log \left(\frac{T_1}{T}\right)+1.50475\×{10}^{-4}\\ \×[1-{10}^{-8.2929(1-\frac{T_1}{T})}]+0.42873\×{10}^{-3}\×[{10}^{4.76955(1-\frac{T_1}{T})}-1]+0.78614\end{array}$

式中，

e——水汽压，单位为百帕(hPa)

E₀——0℃时的饱和水汽压，取6.7018hPa

a——系数，取7.69

b——系数，取243.92

U——相对湿度，单位为百分率

E_w——纯水液面饱和水汽压，单位为百帕

T₁——水的三相点温度，273.16K

T——热力学温度，T＝t+273.15K

t——空气温度

结合申请人收集到的天气数据。在一般的夜晚，如果温度为15℃，湿度为80％，在这样的天气条件下计算出露点温度为11.59℃。此时，只要辐射降温可以产生3.41℃的温差，原理上就可以使空气中的水汽凝结。

如果利用辐射降温的办法设计装置，收集空气中的水分，不仅可以为缺水地区提供一种持续稳定的淡水来源，而且对环境的无污染，消耗的能量较小，节能环保。

下面，发明人将参照附图对本发明的辐射降温捕水装置进行详细的描述。其中，图1显示了根据本发明的一个实施例的辐射降温捕水装置的结构示意图，图2显示了根据本发明的一个实施例的辐射降温补水装置的金属板与辅助降温件的连接关系示意图，图3显示了根据本发明的一个实施例的辅助降温系统的结构示意图。

下面参考图1描述根据本发明实施例的辐射降温捕水装置，其用于捕捉空气中的水分，尤其适合在夜晚捕捉空气中的水分，包括：金属板10、辅助降温系统20以及水收集组件30。

具体地，金属板10的上表面可以形成有辐射降温层(未示出)，辐射降温层具有较大的发射率ε，以在满足条件的情况下，可以在辐射降温层上形成水滴。辅助降温系统20可以包括：辅助降温件21、太阳能供电组件22以及控制器23。具体地，辅助降温件21与金属板10的下表面相对设置，以对金属板10进行降温，以使金属板10尽量低于环境温度，以便于在金属板10的辐射降温层上形成水滴。太阳能供电组件22可以包括：太阳能电池板221以及与太阳能电池板221连接的蓄电池222，以为辅助降温件21提供能量使其对金属板10降温。控制器23可以与辅助降温件21及太阳能供电组件22分别连接，以在金属板10未达到露点时控制辅助降温件21对金属板10降温。水收集组件30可以设在金属板10的下方用于收集金属板10上凝结的水。例如，水收集组件30可以为设在金属板10下方的开口较小的容器。

根据本发明的实施例的辐射降温捕水装置，首先，在满足条件的情况下可以通过金属板10直接捕捉空气中的水。其次，通过设置辅助降温系统，可以对金属板10进一步降温，提高了金属板的捕水量；另外，辅助降温系统采用太阳能作为动力源，在运行时，无需其它动力源，适合在各种环境下使用，且对环境无污染。

如图3所示，根据本发明的一个实施例，辐射降温捕水装置可以进一步包括：第一温度传感器41、第二温度传感器42以及湿度传感器50。

具体而言，第一温度传感器41可以与控制器23连接，以检测金属板10所处的环境温度，并将环境温度信息发送给控制器23。第二温度传感器42与控制器23连接，以检测金属板10的辐射降温层的温度，并将辐射降温层的温度信息发送给控制器23。湿度传感器50与控制器23连接，以检测金属板10所处的环境的湿度，并将环境湿度信息发送给控制器23，其中控制器23通过接收到的第一温度传感器41、第二温度传感器42、湿度传感器50检测到的信息，判断金属板10的上表面温度是否达到露点，以在金属板10的上表面温度未达到露点时，控制辅助降温件21对金属板10降温。由此，可以对辐射降温捕水装置进行自动控制，提高工作效率。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，辅助降温件21可以为半导体制冷片，半导体制冷片的冷面与金属板10的下表面贴合。由此，可以通过半导体制冷片对金属板10进行降温，以使金属板10尽快达到露点。根据本发明的一个实施例，辅助降温件21可以进一步包括：与半导体制冷片的热面贴合的翅片散热器29。翅片散热器29可以提高半导体制冷片的热面的散热效率，提高半导体制冷片的制冷效率。根据本发明的一个实施例，为了提高金属板10与半导体制冷片之间的传热效率，半导体制冷片的冷面与金属板10的下表面之间可以设有导热硅脂层(未示出)。

如图2所示，根据本发明的一个实施例，半导体制冷片可以为多个，且间隔布置，相邻的两个半导体制冷片之间设有与金属板10底面连接的隔热海绵27。由此，可以提高半导体制冷片的散热效率。

根据本发明的一个实施例，辐射降温层是可以通过对金属板10的上表面进行酸碱腐蚀或表面氧化烧蚀构造成。由此，可以提高金属板10的发射率ε，使金属板10尽快达到露点。根据本发明的一个实施例，辐射降温层也可以为涂布在金属板10的上表面的氟硅烷层或哑光漆层。

如图1所示，根据本发明的一个实施例，金属板10为平板状，且金属板10倾斜设置。由此，可以更适于水的滚落，提高水的收集效率。根据本发明的一个实施例，金属板10的倾斜角度为20-40度。其中在倾斜角度为30度时，水的收集效率最高。可以理解的是，金属板10的形状并不限于此，例如，根据本发明的一个实施例，金属板10可以为曲面板状。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种辐射降温捕水装置，用于捕捉空气中的水分，其特征在于，包括：

金属板，所述金属板的上表面形成有辐射降温层；

辅助降温系统，所述辅助降温系统包括：

辅助降温件，所述辅助降温件与所述金属板的下表面相对设置，以对所述金属板进行降温；

太阳能供电组件，所述太阳能供电组件包括：太阳能电池板以及与所述太阳能电池板连接的蓄电池；以及

控制器，所述控制器与所述辅助降温件及所述太阳能供电组件分别连接，以在所述金属板未达到露点时控制所述辅助降温件对所述金属板降温；以及

水收集组件，所述水收集组件设在所述金属板的下方用于收集所述金属板上凝结的水；

所述辐射降温层是通过对所述金属板的上表面进行酸碱腐蚀或表面氧化烧蚀构造成；或

所述辐射降温层为涂布在所述金属板的上表面的氟硅烷层或哑光漆层。

2.根据权利要求1所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，进一步包括：

第一温度传感器，所述第一温度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板所处的环境温度，并将环境温度信息发送给所述控制器；

第二温度传感器，所述第二温度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板的辐射降温层的温度，并将所述辐射降温层的温度信息发送给所述控制器；

湿度传感器，所述湿度传感器与所述控制器连接，以检测所述金属板所处的环境的湿度，并将环境湿度信息发送给所述控制器，其中

控制器通过接收到的所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述湿度传感器检测到的信息，判断所述金属板的上表面温度是否达到露点，以在所述金属板的上表面温度未达到露点时，控制辅助降温件对所述金属板降温。

3.根据权利要求1所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述辅助降温件为半导体制冷片，所述半导体制冷片的冷面与所述金属板的下表面贴合。

4.根据权利要求3所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述辅助降温件进一步包括：与所述半导体制冷片的热面贴合的翅片散热器。

5.根据权利要求3所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述半导体制冷片为多个，且间隔布置，相邻的两个半导体制冷片之间设有与所述金属板底面连接的隔热海绵。

6.根据权利要求1所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述金属板为平板状，且所述金属板倾斜设置。

7.根据权利要求6所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述金属板的倾斜角度为20-40度。

8.根据权利要求1所述的辐射降温捕水装置，其特征在于，所述金属板为曲面板状。