CN104775476A - 一种仿仙人掌集水的空气凝水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种仿仙人掌集水的空气凝水装置,包括底座、水箱、制冷箱、太阳能板、遮阳板和马达，底座前后两侧设置有支撑框，在两个支撑框顶端由另一个支撑框连接在一起；在顶部支撑框上设置有太阳能顶板，在太阳能顶板上设置有太阳能支架，在太阳能支架上设置有太阳能板；在底座左侧设置有制冷箱，在制冷箱右侧设置有马达，在底座上设置有阻尼器，阻尼器一端设置在底座上，另一端设置在底座前端的支撑框上。来吸收近海空气中的大量水汽。水汽由密度很大的细小水珠组成，可吸附在各种物体的表面，遇冷则会凝结成较大的水珠。由于海边湿度高以及海风的规律作用，水汽能够大范围流动，较好的拦截、液化这些水蒸气，收集到数量可观的淡水资源。
Description
技术领域
本发明涉及空气凝水设备领域，尤其是涉及一种仿仙人掌集水的空气凝水装置。
背景技术
水是生命之源，但由于世界人口的急剧增长以及工业用水量的增加，目前，世界范围内出现了较严重的水资源短缺。解决水资源短缺，既要开源，又要节流。
在开源方面，人类很早就将目光投向了大海。在淡水资源严重匮乏的中东地区，如以色列等国家，已经把海水淡化作为解决水资源短缺的主要措施。传统的海水淡化属于能量密集型产业，无论是采用渗透法还是闪蒸法的海水淡化模式，均存在设备复杂、维护困难、能耗及成本过于高昂等问题。目前已有的新能源海水淡化模式，如太阳能海水淡化等，其建设及维护成本较高且效率低，仅作为当下的示范性工程使用，推广使用有一定的局限性。
而在沿海地区，不仅海洋是大的水资源库，海边空气因其较高的湿度，空气保水量较高。查阅资料发现，通常情况下海边空气的相对湿度在80％左右。因此当气温33℃时，如表1所示，空气中水汽含量为即每100m3空气中含水量为28.56g/m3，如果将空气温度降低至28℃，此时饱和空气含水量降低到m0＝27.3g/m3，其中过饱和的水汽则凝结成小水滴，其冷凝量换算为：Δm＝m-m0＝28.56-27.3＝1.26g/m3。即在此条件下，当风速为2m/s时，500s内在与风向垂直的1m2的平面上能从空气中收集到1.26L水，可见近海空气中的含水量是十分可观的。而根据计算，近海空气中水汽的含盐量远低于海水中的含盐量，能够达到饮用水的含盐量标准。因此，如果能收集这些空气中的水，将能够有效解决近海以及岛礁等地区的淡水资源匮乏的问题。
基于“雾水工程”，拟设计一种仿叶脉的空气凝水系统，来吸收近海空气中的大量水汽。水汽由密度很大的细小水珠组成，可吸附在各种物体的表面，遇冷则会凝结成较大的水珠。由于海边湿度高以及海风的规律作用，水汽能够大范围流动，如果能较好的拦截、液化这些水蒸气，将能够收集到数量可观的淡水资源。
发明内容
本发明要解决的问题是一种仿仙人掌集水的空气凝水装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种仿仙人掌集水的空气凝水装置,包括底座、水箱、制冷箱、太阳能板、遮阳板和马达，所述的底座前后两侧设置有支撑框，在两个支撑框顶端由另一个支撑框连接在一起；在顶部支撑框上设置有太阳能顶板，在太阳能顶板上设置有太阳能支架，在太阳能支架上设置有太阳能板；在底座左侧设置有制冷箱，在制冷箱右侧设置有马达，在底座上设置有阻尼器，阻尼器一端设置在底座上，另一端设置在底座前端的支撑框上；在底座前端的支撑框上设置有冷却铜管，冷却铜管后侧设置有网面，在冷却铜管下端设置有集水槽；冷却铜管一端通过连接管与制冷箱相连，另一端通过连接管连接到马达，马达与制冷箱通过连接管相连。
进一步，所述的集水槽倾斜设置，在集水槽低的一端设置有集水管，集水管连接到水箱。
进一步，所述的水箱上设置有水龙头。
进一步，所述的太阳能顶板上设置有遮阳板支架。
进一步，所述的遮阳板支架上设置有遮阳板。
进一步，所述的制冷箱左侧设置有风扇。
进一步，所述的支撑框之间由合页连接。
本发明具有的优点和有益效果是：来吸收近海空气中的大量水汽。水汽由密度很大的细小水珠组成，可吸附在各种物体的表面，遇冷则会凝结成较大的水珠。由于海边湿度高以及海风的规律作用，水汽能够大范围流动，较好的拦截、液化这些水蒸气，收集到数量可观的淡水资源。
附图说明
图1是本发明立体图；
图2是本发明左视图；
图3是本发明正视图；
图4是本发明爆炸图。
图中：1、太阳能板 101、太阳能支架 102、太阳能顶板
2、遮阳板 201、遮阳板支架 3、冷却铜管
301、网面 4、水箱 401、水龙头
5、阻尼器 6、马达 7、制冷箱
701、风扇 8、连接管 9、底座
10、支撑框 1001、合页 11、集水槽
12、集水管
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
一种仿仙人掌集水的空气凝水装置,包括底座9、水箱4、制冷箱7、太阳能板1、遮阳板2和马达6，底座9前后两侧设置有支撑框10，在两个支撑框10顶端由另一个支撑框10连接在一起；在顶部支撑框10上设置有太阳能顶板102，在太阳能顶板102上设置有太阳能支架101，在太阳能支架101上设置有太阳能板1；在底座9左侧设置有制冷箱7，在制冷箱7右侧设置有马达6，在底座9上设置有阻尼器5，阻尼器5一端设置在底座9上，另一端设置在底座9前端的支撑框10上；在底座9前端的支撑框10上设置有冷却铜管3，冷却铜管3后侧设置有网面301，在冷却铜管3下端设置有集水槽11；冷却铜管3一端通过连接管8与制冷箱7相连，另一端通过连接管8连接到马达6，马达6与制冷箱7通过连接管8相连。
集水槽11倾斜设置，在集水槽11低的一端设置有集水管12，集水管12连接到水箱4；水箱4上设置有水龙头401；太阳能顶板102上设置有遮阳板支架201；遮阳板支架201上设置有遮阳板2；制冷箱7左侧设置有风扇701；支撑框10之间由合页1001连接。
本系统主要由汽水收集系统、介质水冷却循环循环系统以及自保护系统三部分构成，其中汽水收集系统为以铜管为主脉，不锈钢滤丝网为分支的仿叶脉结构设计；介质水冷却循环系统利用太阳能板1产生电能提供给制冷芯片，制冷芯片给介质水降温，再利用波浪能驱动海水泵，通过双单向阀的设计，将管内的介质水经海水冷却后压回网面301，如此循环来给网面301降温；
自保护系统通过采用阻尼器5以及平行四边形机构来实现：大风时，自行减小网面301与风向的夹角从而保护设备免遭大风破坏；当风速减小时，网面301能自行恢复到与风向垂直方向上，增大与水汽的接触面积，提高冷凝效率。
仿照仙人掌刺座的集水原理，其集水过程大致分为以下几步：凝结、导流、吸收，本作品对集水网的涂料、目数，导水的流道以及水流回收的集水槽11进行了相应的设计。
网面301用亲水涂料NC308浸润处理，NC308是一种无色、无毒的透明液体，主要成分为纳米二氧化硅，是一种含有诸多纳米组分而合成复配的纳米涂料，具有很多纳米效应，其通过形成超亲水表面层与基材键合。将网面301在涂料混合液中浸润一段时间，保证均匀粘附后，用紫外线烘烤20min，即形成透明无色的涂层，其时效可达六个月。
超亲水材料的使用，使空气中的雾气通过网面301凝结时，不会形成单个的水滴，而是形成水膜均匀的铺在表面，这样水滴就不会分散，从而提高网面301的凝水效率。
金属网格的交叉点作为凝结核，相对于其他位置，较易形成水滴凝结，而凝结核的多少取决于网孔的细密程度，用金属网的目数来表示；目数过大，网孔小，水滴易粘附在网格上，不易留下；目数过小，网孔大，水滴不易凝聚，凝聚的水珠不能及时疏导，易被蒸发或污染。
因此，通过实验对比测试，选取了最佳的集水网目数，以提高凝水和导水的效率。
导水流道设计根据热力学的理论，物质会寻求存在于最低能量的状态，而氢键便是个可以减少化学能的办法。水是极性物质，并因此可以在内部形成氢键，而疏水物不是电子极化性的，它们无法形成氢键，所以水会对疏水物产生排斥，而使水本身可以互相形成氢键。利用疏水性涂料可以对固体表面进行疏水处理，处理后的表面不易被水滴粘附。因此采取构筑疏水涂层的方式，对收集的液滴进行导流，已形成的液滴迅速被回收，也便于后续水汽的凝结，达到连续性集水的效果。
网面301采用扇面式45°斜织的折叠结构，一方面增大与空气的接触面积，另一方面扇面斜织结构可以方便液滴的导流，使其沿网格的脉络迅速向中间的疏水流道聚集，提高回收速率。
由于水的凝结、收集都是暴露在空气中的，因此会遭到空气中杂质的污染，设计在集水槽11上安装有活性炭隔层，对收集的水进行初次过滤，同时活性炭隔层还能避免灰尘和沙砾的进入。活性炭隔层，经特殊工艺加工而成，集吸附、过滤、截获、催化作用于一体，能有效去除水中的有机物、余氯及其他放射性物质，并有脱色、去除异味的功效。
由于网面301温度对汽水凝结效率有较大影响，因此，设计了水循环系统对网面301进行降温，以提高集水效率。
管道内的水媒为淡水，淡水在海水内部与海水进行热交换，避免了海水直接进入管道对管道内部所造成的的腐蚀。
在采用水循环系统方面，充考量了温度对集水效率的影响，温度对集水效率的影响主要作用在饱和湿度上。
在环境温度33℃时，相对空气湿度80％时，假设网面301温度为28℃，则理论冷凝水的量为m＝35.7×80％-27.3＝1.26g/m3。因此当网面301温度与环境温度相差越大时，饱和湿度差越大，冷凝水的量也越大。
为了使集水效果更好，使用制冷片对流经铜管的水进行降温，并通过铜管的热传递使网面301也降低一定温度，实现网面301与空气有更大的温度差，从而提高凝水效率；海边光能充足，为了合理利用太阳能，使该装置更适合在海边使用，采用太阳能发电的方法给制冷片提供电能。
使用18V，80W的太阳能电池板收集太阳能为制冷提供能量，通过LM2678降压芯片将电压与电流稳定在12V、5A来保证制冷片能够正常工作。LM2678单片集成电路是一种电压变换器，它有较高的变换效率，最大输出电流可达5A，输出电压可以为固定电压3.3V、5V、12V或可调。考虑到集水间歇性工作及太阳能能源受天气限制的原因，使用12V蓄电池和LM2678芯片组成充电电路来储存集水系统不工作时的太阳能来克服天气影响。
制冷部分使用半导体制冷模块，由TEC1-12706半导体制冷片、风扇701、铝片式散热板、调压电路(LM2678芯片及其基本电路)组成。半导体制冷片利用珀尔帖效应来导致半导体两面产生温差，热面经过散热板、风扇701等散热措施保证常温，冷面即可达到制冷效果，该模块最高制冷功率可达60W，可维持网面301温度17℃。
使用单片机、DS1302时钟芯片、光敏电阻及模数转换芯PCF8591来控制继电器进而控制制冷模块的工作与电源方式选择。以南沙永暑礁的环境为例，得知在每天4:00到8:00也就是清晨湿度最大，温度最低蒸发最慢，有利于高效率集水并收集。因此，利用DS1302时钟芯片记录时间，当时间符合上述时间段时，单片机驱动继电器开关闭合，让集水系统开始工作，否则集水系统处于不工作状态。
当集水系统在工作的时候，与太阳能电池板安装在一起的光敏电阻经过模数转换后将数据传送给单片机，由单片机判断当前光照是否满足使用电池板，如不满足则通过控制继电器使用蓄电池供电，反之使用太阳能电池板。
当集水系统不工作时，且光照满足时，将利用控制继电器利用电池板给蓄电池充电。不满足时断开继电器。为防止蓄电池持续充电导致电池超过蓄电量导致损坏，在充电电路中串连一个定值电阻，将电阻两端电压通过模数转换将数据发送给单片机。当电池电量变多时，电压变高，电流下降，通过检测电流来判断电池是否快要充满。当电流小于安全值时，断开继电器，结束充电。
网面301受力和风速呈平方比关系，因此风速对本装置安全性影响较大，有必要设计大风情况下的网面301自保护系统，以实现安全高效的集水，同时在也有利于降低结构上的成本。
为实现大风自保护，设计由平行四边形机构、阻尼器5以及支撑座构成的自保护系统；阻尼器5其中，平行四边形机构是指各构件呈平行四边形的平面连杆机构，这种机构的特点之一是相对杆始终保持平行，且两连杆的角位移、角速度和角加速度也始终相等，因此，在装置进行自保护的过程中可以保证装置上方的太阳板倾角不变以及遮阳板2水平，简单易行。阻尼器5起阻碍平行四边形机构因受风力而收拢的作用，，当网面301受力过大时，支架向后倾倒，以实现自保护。
自保护系统有助于提高装置对不同风速条件的适应性，提高了集水效率，同时避免了因风速不均匀而引起的网面301抖动，减少了疲劳破坏。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种仿仙人掌集水的空气凝水装置,包括底座(9)、水箱(4)、制冷箱(7)、太阳能板(1)、遮阳板(2)和马达(6)，其特征在于：所述的底座(9)前后两侧设置有支撑框(10)，在两个支撑框(10)顶端由另一个支撑框(10)连接在一起；在顶部支撑框(10)上设置有太阳能顶板(102)，在太阳能顶板(102)上设置有太阳能支架(101)，在太阳能支架(101)上设置有太阳能板(1)；在底座(9)左侧设置有制冷箱(7)，在制冷箱(7)右侧设置有马达(6)，在底座(9)上设置有阻尼器(5)，阻尼器(5)一端设置在底座(9)上，另一端设置在底座(9)前端的支撑框(10)上；在底座(9)前端的支撑框(10)上设置有冷却铜管(3)，冷却铜管(3)后侧设置有网面(301)，在冷却铜管(3)下端设置有集水槽(11)；冷却铜管(3)一端通过连接管(8)与制冷箱(7)相连，另一端通过连接管(8)连接到马达(6)，马达(6)与制冷箱(7)通过连接管(8)相连。
2.根据权利要求1所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的集水槽(11)倾斜设置，在集水槽(11)低的一端设置有集水管(12)，集水管(12)连接到水箱(4)。
3.根据权利要求2所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的水箱(4)上设置有水龙头(401)。
4.根据权利要求1所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的太阳能顶板(102)上设置有遮阳板支架(201)。
5.根据权利要求4所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的遮阳板支架(201)上设置有遮阳板(2)。
6.根据权利要求1所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的制冷箱(7)左侧设置有风扇(701)。
7.根据权利要求1所述的一种仿仙人掌集水的空气凝水装置，其特征在于：所述的支撑框(10)之间由合页(1001)连接。
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| CN201510135213.XA CN104775476A (zh) | 2015-03-26 | 2015-03-26 | 一种仿仙人掌集水的空气凝水装置 |
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