CN103821198A - 一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，属于基于太阳能的绿色制水技术领域。该系统包括太阳能电池板、压缩机、冷凝器、节流装置、储水罐、带仿生表面的蒸发器、蓄电池；该系统中，太阳能电池板、压缩机、蓄电池为系统的动力系统；带仿生表面的蒸发器既是冷凝水制成装置又是冷凝汽提供装置。本发明采用了太阳能这种可再生能源，不仅符合目前节能减排的大趋势而且使得本发明能在不提供人为能源时工作，使得本发明能在较为严酷的环境下工作；本发明使用了高效地蒸发式制冷系统制冷凝水，相比于半导体制冷和吸附式制冷凝水相比效率大大提高；本发明采用了仿生表面，使设备的制水效率有了进一步提升。

Description

一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，属于基于太阳能的绿色制水技术领域。

背景技术

水作为生命的源泉，在经济和社会发展中是不可替代的资源。由于人类大规模开采及环境破坏以及由此带来的气候异常，使得水资源的供求矛盾变得越来越尖锐，加上我国水资源时间和空间分布极不均匀，以及水体污染的加剧，使得水资源问题成为制约我国经济社会发展的瓶颈问题。我国有些区域如岛屿、沿海地区，虽然空气潮湿但却缺少淡水，淡水资源成为阻止这些地区发展的首要问题。因此，为在岛屿、沿海潮湿但缺少淡水地区工作的人们提供淡水保障成为开发这些地区的先决条件。

由于地心引力、太阳辐射和大气环流的作用，会造成地表水在固、液、气三态之间转化和地区之间转移，使得大气成为一个巨大的淡水库，加上空气中水蒸气清洁且可再生，在没有地表水源的情形下，空气就有望成为我们获取淡水的重要水源。

发明名称为“太阳能吸附式空气取水装置”的中国发明专利申请（公开号为CN1323938）与发明名称为“吸附式空气取水装置”的中国发明专利申请（公开号为CN1321815）中，发明装置主要由吸附床、冷凝器、净水系统和储水器等构成。虽然该发明专利实现了一日多次循环向空气取水的过程，解决了海洋和沙漠地区淡水获取的问题，但该装置存在吸附和取水过程不能够同时进行的缺点。发明名称为“从空气中取水的机器”的中国发明专利申请（公开号为：CN1369598）中，通过电制冷循环使蒸发器中温度低于空气露点温度从空气中制取水，该发明实现了从空气中制取水的目的，但由于采用电制冷循环，运行时需要供电，不但存在运行成本高，而且在缺少电力的环境工作无法工作。发明名称为“太阳能半导体空气源饮水机”的中国发明专利申请（公开号为：202761046U）中，该发明由太阳能光伏发电带动半导体制冷，由于半导体制冷效率极低，故该发明存在制水速度慢、效率低的缺点。

鉴于上述情况，本发明意在发明一种即环保又高效的制水方法和装置。本发明提出的太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水方法，采用太阳能这种可再生能源，真正达到了零能耗。由于在太阳能电池板后接装了蓄电池，从而保证了设备制水的连续性。由于本发明采用了高效的蒸汽式制冷方式，所以其制水速率远高于半导体制冷和吸附式制冷的空气凝结制水装置。并且，本发明还采用了仿生表面使得凝结其表面的水滴迅速脱落，提高了空气凝结制水的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，该系统采用仿生表面将空气中的水蒸汽凝结，并将压缩蒸汽制冷与太阳能这种可再生清洁能源相结合，从而实现低能耗的绿色空气凝结制水。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，该系统包括太阳能电池板、压缩机、冷凝器、节流装置、储水罐、带仿生表面的蒸发器、蓄电池；该系统中，太阳能电池板、蓄电池为系统的供能系统；压缩机、冷凝器、节流装置、带仿生表面的蒸发器为系统的制冷系统；同时带仿生表面的蒸发器为整个系统的制水装置；储水罐为系统的储存装置；

本系统的工作过程如下，太阳能电池板在太阳光的辐射下产生直流电，并向蓄电池输送电能，为蓄电池充电；蓄电池带动压缩机运转，压缩机压缩从带仿生表面的蒸发器输送来的低压气态制冷剂，将其压缩成高压气态制冷剂并输送到冷凝器中；冷凝器冷却从压缩机输送来的高压气态制冷剂，使其在冷凝器中凝结成高压液体而后输送到节流装置中；节流装置对冷凝器输入的高压液态制冷剂进行节流使其变为低压气液两相制冷剂，再输送到带仿生表面的蒸发器；带仿生表面的蒸发器使从节流装置输入的低压液态制冷剂在其中蒸发从而制冷冷却带仿生表面的蒸发器，而后低压气态的制冷剂被重新送入压缩机中，完成一次制冷循环；带仿生表面的蒸发器被冷却后在与空气强制对流或自然对流的条件下，空气中的水蒸气在其表面凝结，由于带仿生表面的蒸发器特有的仿生微观表面结构使水珠迅速从带仿生表面的蒸发器中存入储水罐中。

所述带仿生表面的蒸发器可为管片式强制对流仿生表面蒸发器或蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器；管片式强制对流仿生表面蒸发器的肋板采用仿生凝结板，并在换热器外装设风机；蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器采用蛇形盘管，仿生凝结板分别贴于蛇形盘管两侧。

所述压缩机可以为直流压缩机或交流压缩机，当压缩机为直流压缩机时可以由太阳能电池板或蓄电池直接驱动，也可用太阳能电池板为蓄电池充能，驱动压缩机；当压缩机为交流压缩机时，太阳能电池板为蓄电池充能，而后加逆变器，驱动压缩机。

所述太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统的节流装置可选用毛细管，也可选用热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管。

所述带仿生表面的蒸发器中的仿生冷凝板可采用超疏水表面的结构；同时，仿生冷凝板也可采用疏水仿生基面亲水突出仿生表面或采用超疏水仿生基面超亲水突出仿生表面。

与现有技术相比，本发明具有如下有益特征。

1、本发明采用了太阳能这种可再生能源，不仅符合目前节能减排的大趋势而且使得本发明能在不提供人为能源时工作，使得本发明能在较为严酷的环境下工作。

2、本发明使用了高效的蒸发式制冷系统制冷凝水，相比于半导体制冷和吸附式制冷凝水相比效率大大提高。

3、本发明采用了仿生表面，其特殊的微观结构使冷却板表面的水滴迅速脱落落入储水罐中，使设备的制水效率有了进一步提升。

附图说明

图1为太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统原理图。

图2为管片式强制对流仿生表面蒸发器示意图。

图3为蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器示意图。

图4为仿生超疏水表面示意图。

图5为（超）疏水仿生基面（超）亲水突出仿生表面示意图。

图中：1、太阳能电池板，2、压缩机，3、冷凝器，4、节流装置，5、储水罐，6、带仿生表面的蒸发器，7、蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1-5所示，一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，该系统包括太阳能电池板1、压缩机2、冷凝器3、节流装置4、储水罐5、带仿生表面的蒸发器6、蓄电池7；该系统中，太阳能电池板、蓄电池为系统的供能系统；压缩机、冷凝器、节流装置、带仿生表面的蒸发器为系统的制冷系统；同时带仿生表面的蒸发器为整个系统的制水装置；储水罐为系统的储存装置；

本系统的工作过程如下，太阳能电池板1在太阳光的辐射下产生直流电，并向蓄电池7输送电能，为蓄电池7充电；蓄电池7带动压缩机2运转，压缩机2压缩从带仿生表面的蒸发器6输送来的低压气态制冷剂，将其压缩成高压气态制冷剂并输送到冷凝器3中；冷凝器3冷却从压缩机2输送来的高压气态制冷剂，使其在冷凝器3中凝结成高压液体而后输送到节流装置4中；节流装置4对冷凝器3输入的高压液态制冷剂进行节流使其变为低压气液两相制冷剂，再输送到带仿生表面的蒸发器6；带仿生表面的蒸发器6使从节流装置4输入的低压液态制冷剂在其中蒸发从而制冷冷却带仿生表面的蒸发器6，而后低压气态的制冷剂被重新送入压缩机2中，完成一次制冷循环；带仿生表面的蒸发器6被冷却后在与空气强制对流或自然对流的条件下，空气中的水蒸气在其表面凝结，由于带仿生表面的蒸发器6特有的仿生微观表面结构使水珠迅速从带仿生表面的蒸发器6中存入储水罐5中。

所述带仿生表面的蒸发器6可为管片式强制对流仿生表面蒸发器或蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器；管片式强制对流仿生表面蒸发器的肋板采用仿生凝结板，并在换热器外装设风机；蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器采用蛇形盘管，仿生凝结板分别贴于蛇形盘管两侧。

所述压缩机可以为直流压缩机或交流压缩机，当压缩机为直流压缩机时可以由太阳能电池板或蓄电池直接驱动，也可用太阳能电池板为蓄电池充能，驱动压缩机；当压缩机为交流压缩机时，太阳能电池板为蓄电池充能，而后加逆变器，驱动压缩机。

所述太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统的节流装置可选用毛细管，也可选用热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管。

所述带仿生表面的蒸发器6中的仿生冷凝板可采用超疏水表面的结构；同时，仿生冷凝板也可采用疏水仿生基面亲水突出仿生表面或采用超疏水仿生基面超亲水突出仿生表面。

实施例一采用管片式强制对流仿生表面蒸发器的太阳能驱动空气凝结制水系统

如图2所示，该制水系统的带仿生表面的蒸发器6采用管片式强制对流仿生表面蒸发器，带仿生表面的蒸发器6中的蒸发器采用管片式换热器，管片式换热器中的肋板采用仿生凝结板，在板管片式换热器外加装风机。采用管片式强制对流仿生表面蒸发器，由于强制对流作用，增加了空气与仿生冷表面的对流换热，使得制水量提升。如图5所示，由于可采用（超）疏水仿生基面（超）亲水突出仿生表面结构，突出的（超）亲水表面可加速水的凝结，而基底的（超）疏水表面可加速水沿仿生凝结板下落，从而进一步加大了仿生凝结板的凝水量。

实施例二采用蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器的太阳能驱动空气凝结制水系统

如图3所示，该制水系统的带仿生表面的蒸发器6采用蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器见图，蒸发器采用蛇形盘管，仿生凝结板分别贴于蛇形管两侧。如图4所示，由于仿生冷凝板采用超疏水表面的结构，因为其特殊表面结构，水滴与仿生表面的接触角大于150°从而形成超疏水表面，使在仿生冷表面凝结的水快速沿仿生凝结板下落，加大了水的凝结量。这种结构虽然相比于蒸发器与仿生凝结板的组合可为管片式强制对流仿生表面换热器型的制水量在理论上有所下降，但由于其结构简单，便于制造与维护，成本大大降低，可行性高。

Claims (5)

1.一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，其特征在于：该系统包括太阳能电池板（1）、压缩机（2）、冷凝器（3）、节流装置（4）、储水罐（5）、带仿生表面的蒸发器（6）、蓄电池（7）；该系统中，太阳能电池板（1）、蓄电池（7）为系统的供能系统；压缩机（2）、冷凝器（3）、节流装置（4）、带仿生表面的蒸发器（6）为系统的制冷系统；同时带仿生表面的蒸发器（6）为整个系统的制水装置；储水罐（5）为系统的储存装置；

本系统的工作过程如下，太阳能电池板（1）在太阳光的辐射下产生直流电，并向蓄电池（7）输送电能，为蓄电池（7）充电；蓄电池（7）带动压缩机（2）运转，压缩机（2）压缩从带仿生表面的蒸发器（6）输送来的低压气态制冷剂，将其压缩成高压气态制冷剂并输送到冷凝器（3）中；冷凝器（3）冷却从压缩机（2）输送来的高压气态制冷剂，使其在冷凝器（3）中凝结成高压液体而后输送到节流装置（4）中；节流装置（4）对冷凝器（3）输入的高压液态制冷剂进行节流使其变为低压气液两相制冷剂，再输送到带仿生表面的蒸发器（6）；带仿生表面的蒸发器（6）使从节流装置（4）输入的低压气液两相制冷剂在其中蒸发从而制冷冷却带仿生表面的蒸发器（6），而后低压气态的制冷剂被重新送入压缩机（2）中，完成一次制冷循环；带仿生表面的蒸发器（6）被冷却后在与空气强制对流或自然对流的条件下，空气中的水蒸气在其表面凝结，由于带仿生表面的蒸发器（6）特有的仿生微观表面结构使水珠迅速从带仿生表面的蒸发器（6）中存入储水罐（5）中。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，其特征在于：所述带仿生表面的蒸发器（6）可为管片式强制对流仿生表面蒸发器或蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器；管片式强制对流仿生表面蒸发器的肋板采用仿生凝结板，并在换热器外装设风机；蛇形盘管自然对流仿生表面蒸发器采用蛇形盘管，仿生凝结板分别贴于蛇形盘管两侧。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，其特征在于：压缩机（2）可以为直流压缩机或交流压缩机，当压缩机（2）为直流压缩机时可以由太阳能电池板（1）或蓄电池（7）直接驱动，也可用太阳能电池板（1）为蓄电池（7）充能，驱动压缩机（2）；当压缩机（2）为交流压缩机时，太阳能电池板（1）为蓄电池（7）充能，而后加逆变器，驱动压缩机（2）。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，其特征在于：所述太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统的节流装置（4）可选用毛细管，也可选用热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能驱动仿生冷表面空气凝结制水系统，其特征在于：所述带仿生表面的蒸发器（6）中的仿生冷凝板可采用超疏水表面的结构；同时，仿生冷凝板也可采用疏水仿生基面亲水突出仿生表面或采用超疏水仿生基面超亲水突出仿生表面。

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