CN103452164A

CN103452164A - 一种新型的自动化太阳能空气取水装置

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Publication number: CN103452164A
Application number: CN2013103172749A
Authority: CN
Inventors: 刘光宇; 李兵; 李少兵; 薛安克
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN103452164B

Abstract

本发明公开了一种新型的自动化太阳能空气取水装置。本发明包括空气取水装置、控制单元和电力单元。具体包括冷凝器、储液罐、换热器、热电堆、泵、散热片、液位开关、温度传感器、第一电磁阀、第二电磁阀、第一控制点、第二控制点和第三控制点。电力单元包括光伏组件与电力输送线两部分。冷凝器设置在储液罐内，储液罐中部输出的不凝气管道贯穿换热器后与泵的输入端相连接，储液罐底部输出端与淡水管道相连接；第二路空气管道与泵的输入端相连接，泵的输出端与冷却风管道的一端相连接，散热片与热电堆的散热端相连接，热电堆的吸热端与储液罐内冷凝器相连接。本发明具有节能性好、结构紧凑、运行过程自动化、智能化、最优化等多种优点。

Description

一种新型的自动化太阳能空气取水装置

技术领域

本发明属于新能源应用与水处理领域，具体涉及到一种新型的自动化太阳能空气取水装置。

背景技术

地球表面70%为海洋，15%为沙漠，沙漠和海岛地区人们都缺乏淡水资源。地球表面上的水在地心引力和太阳辐射热的作用下，气态、液态、固态等三态不断迁移和转化，大气层永远成为地表水循环的中转站。随着大气环流作用，即使沙漠缺水地区的空气含湿量与其他地区差别不大，例如：在早晨，沙漠地区的相对湿度可达到90%，在白天高温情况下降到了20%。从空气获取淡水在理论上可行。

从空气中获取淡水的最简单方式是收集雨水，然而，在缺乏雨水的地区可行性较差。采用人工方法，主要是致冷结露方法、吸附材料吸附-脱附方法。致冷结露方法是利用冷凝器将空气的热量吸走，降低空气温度，当低于露点后，则水汽凝结成水滴，收集水滴可以产生淡水。吸附材料吸附-脱附方法是某些多孔材料，例如：沸石、硅胶，有吸收水分子的特性，待吸附材料吸收了很多水分子后，再采用某种脱附方法，通常加热方法，就可以让水汽脱离吸附材料，再聚集后形成水滴，收集水滴可以产生淡水。可见，空气取水方法是需要消耗很多能量，用于产生制冷、蒸发等吸热或放热过程。

人们已经发明了一些简单的装置，结合太阳能，利用太阳能的热能或转化后的电能。然而，这些装置缺乏一些能量能量回收再利用的环节，而且，这些装置几乎没有实现自动化、智能化、性能优化。因此，能量利用率低、产水量低，没有大规模推广。

换热技术，是一种很好的节能技术，常用于将某一工艺过程的废气、废水的余热进行回收再利用。热电堆技术（一种热泵)，是一种最先进的空调技术，与传统压缩机制冷相比，没有运动部件、没有冷媒、结构十分紧凑，常用于小型设备的制冷。自动化技术，基于传感器、执行器等仪表，常常结合单片机、工控机等现代计算机控制系统，实现先进的数学方法或控制算法，能实现工艺的自动化、智能化、信息化、最优化。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型的自动化太阳能空气取水装置。本发明具有节能性好、结构紧凑、运行过程自动化、智能化、最优化等多种优点。

本发明包括空气取水装置、控制单元和电力单元。

空气取水装置包括冷凝器、储液罐、换热器、热电堆、泵、散热片。第一路空气管道贯穿换热器后与冷凝器相连接，冷凝器设置在储液罐内，并与储液罐内顶部相连接，储液罐中部输出的不凝气管道贯穿换热器后与泵的输入端相连接，储液罐底部输出端与淡水管道相连接；第二路空气管道与泵的输入端相连接，泵的输出端与冷却风管道的一端相连接，冷却风管道的另一端开口朝向散热片，散热片与热电堆的散热端相连接，热电堆的吸热端与储液罐内冷凝器相连接。

所述的储液罐通过内壁上的环形隔板分为上下两个部分，上部分用于放置冷凝器，下部分为集液腔，用于收集水滴；环形隔板为两端开放的圆台，其下底面与储液罐内壁固定，上底面悬空；

空气取水装置工作过程如下：第一路空气管道通过换热器预热后遇到冷凝器，若气体降低到露点，水分子在冷凝器的网状结构凝结成水滴后坠落，并被收集到储液罐底部的集液腔内；第一路空气管道中的不凝气（主要氧气、氮气、二氧化碳等气体）通过不凝气管道从储液罐内排出，并经过换热器与第一路空气管道中的空气换热，收集冷量；最终不凝气和第二路空气管道在泵的作用下均用于散热片的冷却风；同时，热电堆作为一种热泵，能够吸收低品位热源的热量并释放到热端，热电堆工作后致使冷凝器的热量被吸走，达到给冷凝器制冷的作用。

控制单元包括液位开关LS1、温度传感器TS1、第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3。第一电磁阀V1设置在淡水管道内，即与储液罐底部输出端相连接的管道内；第二电磁阀V2设置在第二空气管道内，即与泵输入端相连接的管道内；液位开关LS1设置在储液罐腔体内，且位于储液罐中下位置的内壁上；温度传感器TS1设置冷凝器内；第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别与热电堆、泵、第二电磁阀V2相连接。控制单元控制过程如下：温度传感器TS1检测到冷凝器的温度后，在线反馈给第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3，通过第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别在线调节热电堆的驱动电流、泵的转速和第二电磁阀V2的开合；液位开关LS1用于监测储液罐储液腔是否水位已满，若满则打开第一电磁阀V1，让淡水排出。

电力单元包括光伏组件与电力输送线两部分，光伏组件的输出端通过电力输送线分别与泵和热电堆相连接，为其供电。光伏组件在太阳光照射下产生直流电，直流电被调制后，通过电力输送线输送到热电堆、泵以及控制系统的用电部件上。

本发明工作流程如下：

系统启动后，读取外部手动操作指令，按照指令决定是否进入工作状态。若开始工作，分两类控制。一类用于决定是否排水，若排水，则启动排水程序，反之，进入不排水程序，此控制方式简单，主要是用液位开关的信号开合电磁阀，即第二电磁阀V2。另一类用于控制空气取水过程，主要分为两个循环，一个是冷凝器温度低于露点温度的情况下，进行正常的冷凝-冷却工作循环；另一个是冷凝器温度高于露点温度的情况下，当冷凝器的温度高于空气露点的时候，则冷凝器不在工作区间内，此时，第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别给出各自的控制信号，第一控制点CC1给出控制命令终止给热电堆供电，第三控制点CC3给出控制命令打开第二电磁阀V2，允许第二路空气管道通入空气，第二控制点CC2加快泵的转速，强力给散热片制冷，使得热电堆两端的温差快速地缩小到一个较小的范围内，这个工作循环通常很快，能在规定时间内结束，然后，控制系统进入下一个工作循环，第三控制点CC3给出命令关闭第二电磁阀V2，第二路空气管道通入的空气不再作为冷却风，第二控制点CC2给出命令降低泵的转速，让第二路空气管道中通入的空气充分地通过冷凝器，并通过换热器回收冷量，第一控制点CC1给出控制命令使得热电堆工作在最佳操作点上。此时，热电堆产生的制冷量非常大，令冷凝器的温度低于空气露点，让系统继续产生淡水。若冷凝器温度再次高于露点温度，则控制系统切换到前一个工作循环，给散热片降温。此外，储液罐储液腔液位被检测已满状态后，液位开关LS1触发第一电磁阀V1打开，让淡水排出，反之亦然。综上看出，设备的每个物料流和传热过程都得到了有效的控制，该控制系统能够完成工艺所需的控制功能。

本发明的有益效果如下：

本发明节能性好，不但利用换热器进行冷量回收，而且利用温度较低的排出气体对热电堆进行更有效的降温，提高了热电堆的制冷效率。

本发明具有自动化、智能化、最优化等先进功能，所有的物料流动和吸热排热过程得到了自动化控制程序的控制，通过检测到反馈信号运行，各控制单元协调控制，使得系统控制过程融合了人工智能，使系统工作在最佳状态。

本发明环保性好，使用了太阳能新能源，不污染环境。

本发明结构紧凑，易于实现小型化、便携式，适用面广，可以用于沙漠地区、海岛、苦咸水地区、缺乏淡水的作业平台的人们使用，具有很好的实用价值。

附图说明

图1 是本发明示意图。

图2 是本发明工作流程。

图中，冷凝器1、储液罐2、换热器3、热电堆4、散热片5、泵6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种新型的自动化太阳能空气取水装置，包括空气取水装置、控制单元和电力单元。

空气取水装置包括冷凝器1、储液罐2、换热器3、热电堆4、散热片5、泵6。第一路空气管道贯穿换热器3后与冷凝器1相连接，冷凝器1设置在储液罐2内，并与储液罐2内顶部相连接，储液罐2中部输出的不凝气管道贯穿换热器3后与泵6的输入端相连接，储液罐2底部输出端与淡水管道相连接；第二路空气管道与泵6的输入端相连接，泵6的输出端与冷却风管道的一端相连接，冷却风管道的另一端开口朝向散热片5，散热片5与热电堆4的散热端相连接，热电堆4的吸热端与储液罐2内冷凝器1相连接。

空气取水装置工作过程如下：第一路空气管道通过换热器预热后遇到冷凝器，若气体降低到露点，水分子在冷凝器的网状结构凝结成水滴后坠落，并被收集到储液罐底部的集液腔内；第一路空气管道中的不凝气（主要氧气、氮气、二氧化碳等气体）通过不凝气管道从储液罐内排出，并经过换热器与第一路空气管道中的空气换热，收集冷量；最终不凝气和第二路空气管道在泵6的作用下均用于散热片的冷却风；同时，热电堆作为一种热泵，能够吸收低品位热源的热量并释放到热端，热电堆工作后致使冷凝器的热量被吸走，达到给冷凝器制冷的作用。

控制单元包括液位开关LS1、温度传感器TS1、第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3。第一电磁阀V1设置在淡水管道内，即与储液罐2底部输出端相连接的管道内；第二电磁阀V2设置在第二空气管道内，即与泵6输入端相连接的管道内；液位开关LS1设置在储液罐腔体内，且位于储液罐中下位置的内壁上；温度传感器TS1设置冷凝器内；第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别与热电堆4、泵6、第二电磁阀V2相连接。控制单元控制过程如下：温度传感器TS1检测到冷凝器的温度后，在线反馈给第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3，通过第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别在线调节热电堆的驱动电流、泵的转速和第二电磁阀V2的开合；液位开关LS1用于监测储液罐储液腔是否水位已满，若满则打开第一电磁阀V1，让淡水排出。

电力单元包括光伏组件与电力输送线两部分，光伏组件的输出端通过电力输送线分别与泵6和热电堆相连接，为其供电。光伏组件在太阳光照射下产生直流电，直流电被调制后，通过电力输送线输送到热电堆、泵以及控制系统的用电部件上。

本发明工作流程如下：

如图2所示，系统启动后，读取外部手动操作指令，按照指令决定是否进入工作状态。若开始工作，分两类控制。一类用于决定是否排水，若排水，则启动排水程序，反之，进入不排水程序，此控制方式简单，主要是用液位开关的信号开合电磁阀，即第二电磁阀V2。另一类用于控制空气取水过程，主要分为两个循环，一个是冷凝器温度低于露点温度的情况下，进行正常的冷凝-冷却工作循环；另一个是冷凝器温度高于露点温度的情况下，当冷凝器的温度高于空气露点的时候，则冷凝器不在工作区间内，此时，第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别给出各自的控制信号，第一控制点CC1给出控制命令终止给热电堆供电，第三控制点CC3给出控制命令打开第二电磁阀V2，允许第二路空气管道通入空气，第二控制点CC2加快泵的转速，强力给散热片制冷，使得热电堆两端的温差快速地缩小到一个较小的范围内，这个工作循环通常很快，能在规定时间内结束，例如：30秒。然后，控制系统进入下一个工作循环，第三控制点CC3给出命令关闭第二电磁阀V2，第二路空气管道通入的空气不再作为冷却风，第二控制点CC2给出命令降低泵的转速，让第二路空气管道中通入的空气充分地通过冷凝器，并通过换热器回收冷量，第一控制点CC1给出控制命令使得热电堆工作在最佳操作点上。此时，热电堆产生的制冷量非常大，令冷凝器的温度低于空气露点，让系统继续产生淡水。若冷凝器温度再次高于露点温度，则控制系统切换到前一个工作循环，给散热片降温。此外，储液罐储液腔液位被检测已满状态后，液位开关LS1触发第一电磁阀V1打开，让淡水排出，反之亦然。综上看出，设备的每个物料流和传热过程都得到了有效的控制，该控制系统能够完成工艺所需的控制功能。

考虑到具体控制算法的多样性、可选择性，例如：切换控制方法，最大制冷点搜索方法，集中式控制方法、解耦控制等不同控制算法，本专利不提供具体的控制算法，用户可结合图2工作流程图来设计具体控制程序。

Claims

1. 一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于包括空气取水装置、控制单元和电力单元；

空气取水装置包括冷凝器、储液罐、换热器、热电堆、泵、散热片，第一路空气管道贯穿换热器后与冷凝器相连接，冷凝器设置在储液罐内，并与储液罐内顶部相连接，储液罐中部输出的不凝气管道贯穿换热器后与泵的输入端相连接，储液罐底部输出端与淡水管道相连接；第二路空气管道与泵的输入端相连接，泵的输出端与冷却风管道的一端相连接，冷却风管道的另一端开口朝向散热片，散热片与热电堆的散热端相连接，热电堆的吸热端与储液罐内冷凝器相连接；

控制单元包括液位开关LS1、温度传感器TS1、第一电磁阀V1、第二电磁阀V2、第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3；第一电磁阀V1设置在淡水管道内，即与储液罐底部输出端相连接的管道内；第二电磁阀V2设置在第二空气管道内，即与泵输入端相连接的管道内；液位开关LS1设置在储液罐腔体内，且位于储液罐中下位置的内壁上；温度传感器TS1设置冷凝器内；第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别与热电堆、泵、第二电磁阀V2相连接；

电力单元包括光伏组件与电力输送线两部分，光伏组件的输出端通过电力输送线分别与泵和热电堆相连接，为其供电。

2.如权利要求1所述的一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于所述的储液罐通过内壁上的环形隔板分为上下两个部分，上部分用于放置冷凝器，下部分为集液腔，用于收集水滴；环形隔板为两端开放的圆台，其下底面与储液罐内壁固定，上底面悬空。

3.如权利要求1所述的一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于所述的空气取水装置工作过程如下：第一路空气管道通过换热器预热后遇到冷凝器，若气体降低到露点，水分子在冷凝器的网状结构凝结成水滴后坠落，并被收集到储液罐底部的集液腔内；第一路空气管道中的不凝气通过不凝气管道从储液罐内排出，并经过换热器与第一路空气管道中的空气换热，收集冷量；最终不凝气和第二路空气管道在泵的作用下均用于散热片的冷却风；同时，热电堆作为一种热泵，能够吸收低品位热源的热量并释放到热端，热电堆工作后致使冷凝器的热量被吸走，达到给冷凝器制冷的作用。

4.如权利要求1所述的一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于所述的控制单元控制过程如下：温度传感器TS1检测到冷凝器的温度后，在线反馈给第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3，通过第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别在线调节热电堆的驱动电流、泵的转速和第二电磁阀V2的开合；液位开关LS1用于监测储液罐储液腔是否水位已满，若满则打开第一电磁阀V1，让淡水排出。

5.如权利要求1所述的一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于所述的光伏组件在太阳光照射下产生直流电，直流电被调制后，通过电力输送线输送到热电堆、泵以及控制系统的用电部件上。

6.如权利要求1所述的一种新型的自动化太阳能空气取水装置，其特征在于所述的装置启动后，读取外部手动操作指令，按照指令决定是否进入工作状态，若开始工作，分两类控制：一类用于决定是否排水，若排水，则启动排水程序；反之，进入不排水程序，该程序是用液位开关的信号开合电磁阀，即第二电磁阀V2；另一类用于控制空气取水过程，分为两个循环，一个是冷凝器温度低于露点温度的情况下，进行正常的冷凝-冷却工作循环；另一个是当冷凝器的温度高于空气露点的时候，则冷凝器不在工作区间内，此时，第一控制点CC1、第二控制点CC2和第三控制点CC3分别给出各自的控制信号，第一控制点CC1给出控制命令终止给热电堆供电，第三控制点CC3给出控制命令打开第二电磁阀V2，允许第二路空气管道通入空气，第二控制点CC2加快泵的转速，强力给散热片制冷，使得热电堆两端的温差快速地缩小到一个较小的范围内，这个工作循环通常很快，能在规定时间内结束，然后，控制系统进入下一个工作循环，第三控制点CC3给出命令关闭第二电磁阀V2，第二路空气管道通入的空气不再作为冷却风，第二控制点CC2给出命令降低泵的转速，让第二路空气管道中通入的空气充分地通过冷凝器，并通过换热器回收冷量，第一控制点CC1给出控制命令使得热电堆工作在最佳操作点上；若冷凝器温度再次高于露点温度，则控制系统切换到前一个工作循环，给散热片降温，此外，储液罐储液腔液位被检测已满状态后，液位开关LS1触发第一电磁阀V1打开，让淡水排出，反之亦然。