CN107842062A - 适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置。该制水装置包括水蒸气富集系统、制水系统、自动控制系统以及装置外壳。本发明空气制水装置采用一体化设计，结构简单紧凑、安全可靠，无运动部件，无固定设备，制作简单，便携性好；同时，本发明空气制水装置中通过电化学反应使得集气罐内的空气中水蒸气富集，其所需的低压直流电由太阳能光伏组件提供；水蒸气富集过程受空气温湿度影响较小，有较宽的可操作温度和优越的低露点性能，可在高温低湿情况下正常运行，甚至在空气湿度小于5~10%RH时都仍可继续工作，特别适用于沙漠等高温低湿环境中的空气制水，可连续工作，取水效率高。
Description
技术领域
本发明涉及空气制水技术领域，具体涉及一种适用于高温低湿环境的空气制水装置。
背景技术
当今世界，淡水资源日渐匮乏，淡水短缺问题日益严峻。尤其是沙漠、海岛等干旱地区，短缺情况非常严重，严重威胁到了这些地区人类的生存和发展。
沙漠是典型的缺水地区，世界上沙漠或面临沙漠化威胁的地区达陆地面积的50％甚至更高，并且由于气候变化这一比例还在逐渐变大。沙漠地区人口占世界人口的10％左右。同时，沙漠中蕴藏着极其丰富的石油、天然气等矿物资源。然而沙漠地区降雨稀少且蒸发强烈，导致径流水资源极度匮乏。这给居民生活、工业生产、经济开发、科学考察及军事部署等都带来了巨大的困难。
目前，解决沙漠地区的淡水供应问题主要有三种途径：(1)异地送水；(2) 海水淡化；(3)空气取水。前两种方法较为传统，但都不能从根本上很好地解决沙漠这一特定区域、特定应用环境下的淡水水源问题。运输水有十分高昂的运输成本，还受制于运输条件。海水淡化严重受制于用水区域地理位置的影响，难以在广阔的沙漠地区应用。
空气取水方式是近年来受到广泛关注的一种更加节能环保的制水方式，尤其适用于没法获得其他水资源的苛刻沙漠自然条件。事实上，大气本身就是一个巨大的淡水库，空气中水蒸气清洁且可再生，在没有地表水源的情况下，空气可成为我们获取淡水的重要水源。例如，我国的塔克拉玛干沙漠，其全年平均相对湿度也有20～30％左右，将空气中的水蒸气分离并转化为液态水，具有巨大的潜力。同时，白天沙漠光照强度大，光照时间长，有利于采用光伏系统来驱动空气制水装置。
如何高效节能地从空气中获取淡水是众多科研人员共同关心的课题。目前空气取水的主要方法有冷却结露法、吸附法及膜分离法等，但对于沙漠环境，均存在不足之处。由于沙漠中空气温度高、湿度低，为制得所需的露点温度所消耗的能量大，冷却过程效率较低。吸附法利用干燥剂的吸湿、解吸过程，对水质可能有一定影响，易导致水安全问题。而膜分离法需要较高压力，能耗高并且系统复杂而限制了其应用。
例如，中国专利CN1131359C描述了一种吸附式空气取水装置，采用特定的吸附剂强化取水效果，但由于沙漠等地区空气湿度较低，吸附效率低，能量消耗大，且有可能导致水的污染。中国专利CN 101851946B描述了一种利用分离膜富集空气水蒸气的制水方法和装置，利用分离膜富集空气中的水蒸气，再通过对富集气体降温从而制造液体水的方法。但需要较高压力(典型的，采用压缩机将空气升压至4～15bar)，能耗较大且系统复杂，并具一定的危险性。中国专利CN01102877.7公开了一种太阳能吸附式空气取水器，利用太阳能聚光罩和相变蓄冷冷凝罩进行吸附过程，但体积过于庞大，结构十分复杂，且吸附剂吸附量较低，取水量无法满足要求。
利用电解质膜富集空气水蒸气是一项十分新颖的技术，通过在电解质膜两侧施加低压直流电场，利用电解反应及电渗效应使得水蒸气逐步由阳极侧转移到阴极侧，使得阴极侧中空气的水蒸气逐步富集。该技术有较宽的可操作温度和优越的低露点性能，可在低湿(5-10％甚至以下)情况下正常运行；水蒸气富集过程中无需吸附剂，无有害物质；其结构简单紧凑，无固定设备，适于制作便携装置；同时，其采用单一低压直流电能，非常适合与光伏或风力发电等可再生能源有机结合。因此，这一水蒸气富集技术非常适合应用于空气制水装置中，特别是针对沙漠等高温低湿环境中的空气制水。
现有关研究中，目前尚未有将电解质膜富集空气水蒸气技术应用于制水方面的相关研究。专利97101826.X公布了一种基于电解质膜的精密仪器仪表除湿装置，但其只有降低空气湿度这一性能，且效率不高，实施方式也比较简单。因此，开发一种高效节能、适用于高温低湿环境的空气制水装置，对解决现有空气制水装置在该环境中的不足，推进其工业化进程具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置。该制水装置高效节能、适用于高温低湿环境、制得的水水质好、携带方便。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，包括水蒸气富集系统、制水系统、自动控制系统以及装置外壳；
所述水蒸气富集系统包括太阳能光伏组件、控制输出电路以及电解质膜单元；所述电解质膜单元直接与太阳能光伏组件的背光面连接，同时电解质膜单元与太阳能光伏组件通过控制输出电路进行电路连接；太阳能光伏组件、控制输出电路和电解质膜单元组成一体化的水蒸气富集系统；
所述电解质膜单元由靠近太阳能光伏组件的背光面一侧至另一侧，依次包括流通空气气道、阳极集电层、质子交换膜电极和阴极集电层；所述流通空气气道的上下侧或两侧分别设置有空气进气口和空气出气口，且空气进气口的进口处设置有第一风机；所述阳极集电层和阴极集电层分别与控制输出电路的正极和负极连接；
所述制水系统包括集气罐、冷却盘管以及气液分离器；所述集气罐的上部开口区域直接与电解质膜单元的阴极集电层的底部连接；所述集气罐在上下侧或底部两侧分别设置有第一进气口和第一出气口；所述第一出气口处内设置有第二风机和第一温湿度传感器；所述第一进气口处内设置有风阀及第二温湿度传感器；所述集气罐的上部设有补气阀；
所述第一出气口与冷却盘管的进口端连通；所述冷却盘管的出口端与气液分离器连通；所述气液分离器的上方设置有第二出气口；所述第二出气口通过管道与集气罐的第一进气口连通；所述气液分离器的底部设置有出水口，且出水口上安装有出水阀；
所述水蒸气富集系统的太阳能光伏组件以及流通空气气道处于装置外壳的外部，且装置外壳的顶部与流通空气气道的底部密封衔接，水蒸气富集系统的其余结构部分以及制水系统均处于装置外壳的内部；所述气液分离器底部的出水口伸出装置外壳的外部；所述装置外壳的壳体外装有第三温度湿度传感器；
所述自动控制系统包括控制面板，控制面板通过电路分别与太阳能光伏组件、电解质膜单元、第一温湿度传感器、第二温湿度传感器、第三温度湿度传感器、风阀、第一风机以及第二风机连接。
进一步地，所述流通空气气道为太阳能光伏组件的背光面与电解质膜单元的阳极集电层所组成的夹层，在空气制水过程中，流通空气气道内的流通空气可降低太阳能光伏组件的背光面的温度，有效提高太阳能光伏组件的工作效率。
进一步地，所述阳极集电层和阴极集电层的材料均选自包括金属筛网或金属孔板，可使电流均匀的分布于质子交换膜电极的表面上。
进一步地，由阳极集电层至阴极集电层的方向，所述质子交换膜电极的结构依次包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层。
更进一步地，所述质子交换膜电极中的质子交换膜选自包括Nafion隔膜，可选择性透过氢质子。
更进一步地，所述质子交换膜电极中的阳极催化层及阴极催化层的材料均选自包括Pt、Ir或IrO2，且分别负载于质子交换膜两侧，用于催化析氧反应。
更进一步地，所述质子交换膜电极(7)中的阳极扩散层及阴极扩散层的材料均选自包括碳纸或碳布，覆盖于催化层的外侧，用于支撑、传导电流和气体扩散。
装置工作运行过程中，电解质膜单元在低压直流电场下，阳极集电层与质子交换膜电极接触处的表面处发生电解水反应2H2O→4H++O2+4e-，消耗水分子，使流通空气气道内的空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极进入电解质膜单元的阴极集电层，H+在阴极集电层与质子交换膜电极接触处的表面处发生还原反应4H++O2+4e-→2H2O，消耗氢质子和电子，集气罐内的空气湿度升高，实现水蒸气富集。
进一步地，所述流通空气气道内安装有支撑柱，以支撑太阳能光伏组件的重量以及使得流通空气均匀分布于电解质膜单元的阳极集电层的表面。
更进一步地，所述支撑柱的材料选自包括塑料或树脂。
进一步地，所述太阳能光伏组件、控制输出电路、自动控制系统以及包括风机、温湿度传感器和风阀的耗电设备还通过电路与蓄电池连接，将太阳能光伏组件产生的用于装置运行外的多余电能储存于蓄电池中，在无太阳辐射时为装置的正常运行提供电力支持，或作为自动控制系统运行以及包括风机、温湿度传感器和风阀的耗电设备的电力来源，充分利用太阳能。
自动控制系统通过控制包括供电、温度、湿度以及空气流速对应的各类仪器仪表，实现装置系统运行所需的条件。
进一步地，该装置的工作状态包括富集模式和制水模式两种模式，且通过自动控制系统的控制切换，两种模式分别进行或同时进行。
更进一步地，富集模式时，开启流通空气气道的空气进气口的进口处的第一风机，关闭集气罐上的第一出气口处的第二风机，关闭集气罐上的第一进气口处的风阀；太阳能光伏组件经太阳辐射产生低压直流电，并通过控制输出电路提供电解质膜单元运行的电力；此时，流通空气气道内通入环境空气，并在电解质膜单元的阳极集电层与质子交换膜电极接触处的表面发生电解水反应 2H2O→4H++O2+4e-，消耗水分子，流通空气气道内的空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极进入电解质膜单元的阴极集电层，H+在阴极集电层与质子交换膜电极接触处的表面与集气罐内的空气中的水发生还原反应4H++O2+4e-→2H2O，消耗氢质子和电子，集气罐内的空气湿度升高；随着富集模式的运行，集气罐内的空气湿度不断增加，实现水蒸气富集。
在无太阳辐射时，由蓄电池为电解质膜单元的正常运行提供电力。
更进一步地，制水模式时，经富集模式实现水蒸气富集后，开启集气罐的第一出气口处的第二风机，开启集气罐的第一进气口处的风阀，集气罐中水蒸气富集的空气通过第一出气口进入冷却盘管，水蒸气经冷却凝结成液体水珠并沿冷却盘管流入气液分离器中进行存储；液态水在气液分离器存储达到所需量后，开启出水阀将液态水从出水口放出；气液分离器中的空气通过第一进气口循环回到集气罐中。
更进一步优选的，制水模式时，所述冷却的方式包括自然冷却、机械冷却或热电制冷中的一种以上，或者为配合相变材料或光敏材料的自然冷却或机械冷却。
本发明的空气制水装置的制水量与太阳能光伏组件、电解质膜单元、集气罐以及冷却盘管的尺寸均相关，可随用户需要予以调整；本发明的空气制水装置中的水蒸气富集系统中的太阳能光伏组件、控制输出电路以及电解质膜单元采用一体化设计，结构紧凑、简单；同时，制水系统中的集气罐、冷却盘管以及气液分离器均可进行优化设计，置于装置外壳内，减小装置尺寸，使得该装置具有较好的便携性。
本发明的空气制水装置可有效解决其他制水装置在高温低湿环境中应用存在的问题，特别适用于沙漠、海岛等缺水环境中的空气制水。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明空气制水装置中通过电化学反应使得集气罐内的空气中水蒸气富集，其所需的低压直流电由太阳能光伏组件提供；水蒸气富集过程受空气温湿度影响较小，有较宽的可操作温度和优越的低露点性能，可在高温低湿情况下正常运行，甚至在空气湿度5～10％RH及以下时都仍可继续工作，特别适用于沙漠等高温低湿环境中的空气制水，可连续工作，取水效率高；
(2)本发明空气制水装置的水蒸气富集过程中依靠电化学反应，无需任何吸附剂或吸收剂，无有害物质，绿色环保，取水水质好，适于饮用；
(3)本发明空气制水装置采用一体化设计，结构简单紧凑、安全可靠，无运动部件，无固定设备，制作简单，便携性好；
(4)本发明空气制水装置所需的单一低压直流电能由太阳能光伏组件提供，节能环保，且适用于光照强度大、日照时间长的沙漠地区。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置无蓄电池连接的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置有蓄电池连接的结构示意图；
图3为质子交换膜电极的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于此。
本发明的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置如图1所示，包括水蒸气富集系统、制水系统、自动控制系统以及装置外壳22；
水蒸气富集系统包括太阳能光伏组件1、控制输出电路2以及电解质膜单元 3；电解质膜单元3直接与太阳能光伏组件1的背光面连接，同时电解质膜单元3与太阳能光伏组件1通过控制输出电路2进行电路连接；
电解质膜单元3由靠近太阳能光伏组件1的背光面一侧至另一侧，依次包括流通空气气道5、阳极集电层6、质子交换膜电极7和阴极集电层8；流通空气气道5的上下侧或两侧分别设置有空气进气口和空气出气口，且空气进气口的进口处设置有第一风机；阳极集电层6和阴极集电层8分别与控制输出电路2 的正极和负极连接；
阳极集电层6与阴极集电层8的材料选自包括金属筛网或金属孔板，可使电流均匀的分布于质子交换膜电极的表面上；
由阳极集电层6至阴极集电层8的方向，质子交换膜电极7的结构依次包括阳极扩散层(7-1)、阳极催化层(7-2)、质子交换膜(7-3)、阴极催化层 (7-4)和阴极扩散层(7-5)，如图3所示；质子交换膜(7-3)的材料选自包括Nafion隔膜，可选择性透过氢质子；阳极催化层(7-2)及阴极催化层(7-4) 的材料选自包括Pt、Ir或IrO2，且分别负载与质子交换膜(7-3)两侧，用于催化析氧反应；阳极扩散层(7-1)或阴极扩散层(7-5)的材料选自包括碳纸或碳布，覆盖于催化层的外侧，用于支撑、传导电流和气体扩散；
流通空气气道5为太阳能光伏组件1的背光面与电解质膜单元3的阳极集电层6所组成的夹层，流通空气气道5的厚度为10～1000mm；流通空气气道5 内安装有支撑柱9，以支撑太阳能光伏组件1的重量以及使得流通空气均匀分布于电解质膜单元3的阳极集电层6的表面；支撑柱9的材料为塑料或树脂；
制水系统包括集气罐4、冷却盘管10以及气液分离器18；集气罐4的上部开口区域直接与电解质膜单元3的阴极集电层8的底部连接；集气罐4在上下侧或底部两侧分别设置有第一进气口14和第一出气口13；第一出气口13处内设置有第二风机和第一温湿度传感器15；第一进气口14处内设置有风阀16及第二温湿度传感器17；集气罐4的上部设有补气阀12；
第一出气口13与冷却盘管10的进口端连通；冷却盘管10的出口端与气液分离器18连通；气液分离器18的上方设置有第二出气口21；第二出气口21通过管道与集气罐4的第一进气口14连通；气液分离器18的底部设置有出水口 19，且出水口19上安装有出水阀20；
水蒸气富集系统的太阳能光伏组件1以及流通空气气道5处于装置外壳22 的外部，且装置外壳22的顶部与流通空气气道5的底部密封衔接，水蒸气富集系统的其余结构部分以及制水系统均处于装置外壳22的内部；所述气液分离器 18底部的出水口19伸出装置外壳22的外部；装置外壳22的壳体外装有第三温度湿度传感器23；
自动控制系统包括控制面板，控制面板通过电路分别与太阳能光伏组件1、电解质膜单元3、第一温湿度传感器15、第二温湿度传感器17、第三温度湿度传感器23、风阀16、第一风机以及第二风机连接；
太阳能光伏组件1、控制输出电路2、自动控制系统以及包括风机、温湿度传感器和风阀等耗电设备还通过电路与蓄电池24连接(结构示意图如图2所示)，将太阳能光伏组件1产生的用于装置运行外的多余电能储存于蓄电池24中，在无太阳辐射时为装置的正常运行提供电力支持，或作为自动控制系统运行以及包括风机、温湿度传感器和风阀等耗电设备的电力来源，充分利用太阳能；
该装置的工作状态包括富集模式和制水模式两种模式，且通过自动控制系统的控制切换，两种模式分别进行或同时进行；
富集模式时，开启流通空气气道5的空气进气口的进口处的第一风机，关闭集气罐4上的第一出气口13处的第二风机，关闭集气罐4上的第一进气口14 处的风阀；太阳能光伏组件1经太阳辐射产生低压直流电，并通过控制输出电路2提供电解质膜单元3运行的电力；此时，流通空气气道5内通入环境空气，并在电解质膜单元3的阳极集电层6与质子交换膜电极7接触处的表面发生电解水反应2H2O→4H++O2+4e-，消耗水分子，流通空气气道5内的空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极7进入电解质膜单元3的阴极集电层8，H+在阴极集电层8与质子交换膜电极7接触处的表面与集气罐4 内的空气中的水发生还原反应4H++O2+4e-→2H2O，消耗氢质子和电子，集气罐内的空气湿度升高；随着富集模式的运行，集气罐4内的空气湿度不断增加，实现水蒸气富集；
制水模式时，经富集模式实现水蒸气富集后，开启集气罐4的第一出气口 13处的第二风机，开启集气罐4的第一进气口14处的风阀16，集气罐4中水蒸气富集的空气通过第一出气口13进入冷却盘管10，水蒸气经冷却凝结成液体水珠并沿冷却盘管10流入气液分离器18中进行存储，冷却的方式包括自然冷却、热电制冷或机械冷却中的一种或以上，或者为配合相变材料或光敏材料的自然冷却或机械冷却；液态水在气液分离器18存储达到所需量后，开启出水阀 20将液态水从出水口19放出；气液分离器18中的空气通过第一进气口14循环回到集气罐4中。
本发明具体实施方式的空气制水装置的制水量与太阳能光伏组件1、电解质膜单元3、集气罐4以及冷却盘管10的尺寸均相关，可随用户需要予以调整。
实施例1
本实施例为所述装置在富集模式及制水模式分别运行情况下的原理。
使用过程中，白天日照充足，该装置处于富集模式，开启流通空气气道5外的第一风机；关闭集气罐4第一出气口13处的第二风机，关闭第一进气口14处的风阀16；接通太阳能光伏组件1与控制输出电路2，接通控制输出电路2与电解质膜单元3；环境空气通过流通空气气道5；在太阳能光伏组件1提供的直流电场下，电解质膜阳极集电层6与质子交换膜电极7接触处的表面发生电解水反应，消耗水分子，使流通空气气道5内的环境空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极7进入电解质膜单元3的阴极集电层8，H+在阴极集电层8与质子交换膜电极7接触处的表面发生还原反应，消耗氢质子和电子，使集气罐4内的空气湿度增加；随着时间推移，环境空气不断通过流通空气气道5，集气罐4内空气湿度不断增加，实现水蒸气的富集；
夜晚周围空气温度较低，该装置处于制水模式，关闭流通空气气道5外的第一风机；开启集气罐4第一出气口13处的第二风机，开启集气罐4第一进气口14 处的风阀16；集气罐4中水蒸气富集的空气通过第一出气口13进入冷却盘管10，水蒸气凝结成液态水珠，沿冷却盘管10内表面流下；凝结水经冷却盘管10下端进入气液分离器18中；当气液分离器18中存得所需水量后，开启水阀20使水通过出水口19流出，获得饮用水；而气液分离器18中的空气通过第二出气口21回到集气罐4中；这一过程反复进行，直至第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)低于设定值、不具备产水能力后，关闭系统。
该装置的温湿度设定值由自动控制系统采集第一温湿度传感器15、第二温湿度传感器17以及第三温湿度传感器23的数值后，自动计算得出；并根据计算结果控制第一出气口13处的第二风机、第一进气口14处的风阀16以及出水口19 的开启与关闭；
该制水装置的冷却盘管10由沙漠地区夜间温度较低、风速较大的环境空气自然冷却，或者为配合相变材料或光敏材料的自然冷却；
本发明的空气制水装置的制水量与太阳能光伏组件1、电解质膜单元3、集气罐4以及冷却盘管10的尺寸均相关，可随用户需要予以调整；针对本实施例，由于白天均处于富集模式，为充分利用较长的日照时间，集气罐4的尺寸较其他实施例偏大；
该运行模式可较为充分的利用高温低湿地区白天充足的日照、夜间较低的空气温度及较大的风速，制水效率较高；但因富集模式和制水模式分别运行，无法实现连续制水。
实施例2
本实施例为所述装置在富集模式及制水模式共同运行情况下的工作原理。
使用过程中，开启流通空气气道5外的第一风机，开启集气罐第一出气口13 处的第二风机，开启第一进气口14处的风阀16；接通太阳能光伏组件1与控制输出电路2，接通控制输出电路2与电解质膜单元3；
白天日照充足时，在太阳能光伏组件1提供的直流电场下，环境空气通过流通空气气道5；电解质膜阳极集电层6与质子交换膜电极7接触处的表面发生电解水反应，消耗水分子，使流通空气气道5内的环境空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极7进入电解质膜单元3的阴极集电层8，H+在阴极集电层8与质子交换膜电极7接触处的表面发生还原反应，消耗氢质子和电子，使集气罐4内的空气湿度增加；随着时间推移，环境空气不断通过流通空气气道5，集气罐4内空气湿度不断增加，实现水蒸气的富集；同时，当集气罐4第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)高于设定值时，该制水装置的富集模式及制水模式共同运行；开启第一出气口13处的第二风机，开启第一进气口14处的风阀16；集气罐4中水蒸气富集的空气通过第一出气口13进入冷却盘管 10，水蒸气凝结成液态水珠，沿冷却盘管10内表面流下；凝结水经冷却盘管10 下端进入气液分离器18中；当气液分离器18中存得所需水量后，开启水阀20使水通过出水口19流出，获得饮用水；而气液分离器18中的空气通过第二出气口 21经第一进气口14回到集气罐4中；
工作时，当第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)低于设定值时，关闭集气罐第一出气口13处的第二风机，关闭集气罐第一进气口14处的风阀16；装置暂时切换为富集模式单独运行，使集气罐4内的空气湿度不断升高；当第一出气口13处的空气湿度再度高于设定值时，将装置再次切换为富集模式和制水模式共同运行的工作模式；同时，当夜间或日照不足时，装置暂时切换为制水模式单独运行；关闭流通空气气道5外的第一风机；开启集气罐4第一出气口13处的第二风机，开启集气罐4第一进气口14处的风阀16；
该制水装置的制水量与太阳能光伏组件1、电解质膜单元3、集气罐4、冷却盘管10的尺寸均相关，可随用户需求予以调整；针对本实施例，由于富集模式和制水模式共同运行，集气罐4的尺寸较其他实施例偏小，系统更具有便携性；同时，该实施例可实现连续制水；但因白天通常环境温度较高，富集空气经过冷却盘管10冷凝效率较低，导致产水效率较低。
实施例3
本实施例为如图2所述装置在富集模式及制水模式分别运行情况下的工作原理。
本实施例中，太阳能光伏组件1与蓄电池24连接，蓄电池24与控制输出电路2连接，控制输出电路2与电解质膜单元3连接，自动控制系统以及包括风机、温湿度传感器和风阀 等耗电设备还通过电路与蓄电池24连接；使用过程中，白天，太阳能光伏组件1接收太阳辐射并发电，通过控制输出电路2提供电解质膜单元3运行的电力，并将多余电能用于为蓄电池24充电；蓄电池24 内储存的电能在日照不足时为电解质膜单元提供电力，或作为风机、温湿度传感器、自动控制系统及其他耗电设备的电力来源；
当太阳能光伏组件1或蓄电池24可提供足够电力时，该装置处于富集模式，开启流通空气气道5外的第一风机；关闭集气罐4第一出气口13处的第二风机，关闭第一进气口14处的风阀16；接通太阳能光伏组件1与控制输出电路2，接通控制输出电路2与电解质膜单元3；环境空气通过流通空气气道5；在光伏组件1提供的直流电场下，电解质膜阳极集电层6与质子交换膜电极7接触处的表面发生电解水反应，消耗水分子，使流通空气气道5内的环境空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极7进入电解质膜单元3的阴极集电层 8，H+在阴极集电层8与质子交换膜电极7接触处的表面发生还原反应，消耗氢质子和电子，使集气罐4内的空气湿度增加；随着时间推移，环境空气不断通过流通空气气道5，集气罐4内空气湿度不断增加，实现水蒸气的富集；
当夜晚周围空气温度较低，且蓄电池24无足够电力时，该装置处于制水模式，开启集气罐4第一出气口13处的第二风机，开启集气罐4第一进气口14 处的风阀16；集气罐4中水蒸气富集的空气通过第一出气口13进入冷却盘管 10，水蒸气凝结成液态水珠，沿冷却盘管10内表面流下；凝结水经冷却盘管10 下端进入气液分离器18中；当气液分离器18中存得所需水量后，开启水阀20 使水通过出水口19流出，获得饮用水；而气液分离器18中的空气通过第二出气口21回到集气罐4中；这一过程反复进行，直至第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)低于设定值、不具备产水能力后，关闭系统。
该制水装置的制水量与太阳能光伏组件1、蓄电池24、电解质膜单元3、集气4以及冷却盘管10的尺寸均相关，可随用户需求予以调整；针对本实施例，由于太阳能光伏组件1与蓄电池24连接，可更为充分的利用太阳能，使得该制水装置在太阳能不足或夜间也可以进行富集模式；制水效率较其他实施例偏高；同时，由于连接蓄电池24，太阳能光伏组件1的尺寸较其他实施例偏小；由于该系统处于富集模式的时间较长，集气罐4的尺寸较其他实施例偏大；但增加蓄电池24会增加该装置的复杂性及生产及维护成本。
更具体的，采用面积为0.5×0.5m2，发电效率为13％的太阳能光伏组件，电解质膜的面积为0.25×0.25m2，集气罐及冷却盘管的尺寸根据实验工况进行调整，冷却盘管采用夜间环境空气-机械冷却的方式进行冷却；将该空气制水装置置于温度25℃(夜间)～40℃(日间)、相对湿度30～50％的环境空气中，并采用富集模式及冷却模式分别进行的运行模式。经过一昼夜的运行，系统产水量在5～10L，且受空气温湿度变化影响较小。且依据该空气制水装置的原理以及其在低湿度下的工作情况，在空气湿度5～10％甚至以下仍能正常运行。
实施例4
本实施例为如图2所述装置在富集模式及制水模式共同运行情况下的工作原理。
本实施例中，太阳能光伏组件1与蓄电池24连接，蓄电池24与控制输出电路2连接，控制输出电路2与电解质膜单元3连接，自动控制系统以及包括风机、温湿度传感器和风阀 等耗电设备还通过电路与蓄电池24连接；使用过程中，白天，太阳能光伏组件1接收太阳辐射并发电，通过控制输出电路2提供电解质膜单元3运行的电力，并将多余电能用于为蓄电池24充电；蓄电池24 内储存的电能在日照不足时为电解质膜单元提供电力，或作为风机、温湿度传感器、自动控制系统及其他耗电设备的电力来源；
当太阳能光伏组件1或蓄电池24可提供足够电力时，环境空气通过流通空气气道5；电解质膜阳极集电层6与质子交换膜电极7接触处的表面发生电解水反应，消耗水分子，使流通空气气道5内的环境空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极7进入电解质膜单元3的阴极集电层8，H+在阴极集电层8与质子交换膜电极7接触处的表面发生还原反应，消耗氢质子和电子，使集气罐4内的空气湿度增加；随着时间推移，环境空气不断通过流通空气气道5，集气罐4内空气湿度不断增加，实现水蒸气的富集；同时，当集气罐4第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)高于设定值时，该制水装置的富集模式及制水模式共同运行；开启第一出气口13处的第二风机，开启第一进气口14处的风阀16；集气罐4中水蒸气富集的空气通过第一出气口13 进入冷却盘管10，水蒸气凝结成液态水珠，沿冷却盘管10内表面流下；凝结水经冷却盘管10下端进入气液分离器18中；当气液分离器18中存得所需水量后，开启水阀20使水通过出水口19流出，获得饮用水；而气液分离器18中的空气通过第二出气口21经第一进气口14回到集气罐4中；
工作时，当第一出气口13处的空气湿度(由温湿度传感器15测得)低于设定值时，关闭集气罐第一出气口13处的第二风机，关闭集气罐第一进气口14处的风阀16；装置暂时切换为富集模式单独运行，使集气罐4内的空气湿度不断升高；当第一出气口13处的空气湿度再度高于设定值时，将装置再次切换为富集模式和制水模式共同运行的工作模式；同时，当太阳能光伏组件1或蓄电池24均无法提供足够电力时，装置暂时切换为制水模式单独运行；关闭流通空气气道5 外的第一风机；开启集气罐4的第一出气口13处的第二风机，开启集气罐4的第一进气口14处的风阀16；
该制水装置的制水量与太阳能光伏组件1、电解质膜单元3、集气罐4、冷却盘管10的尺寸均相关，可随用户需求予以调整；针对本实施例，由于太阳能光伏组件1与蓄电池24连接，可更为充分的利用太阳能，使得该制水装置在太阳能不足或夜间也可以进行富集模式及制水模式共同运行；该装置充分利用了高温低湿地区日间阳光充足和夜间空气温度较低这两两部分优势，富集模式和制水模式共同运行，可实现连续制水，制水效率较其他实施例偏高；同时，该实施例中的太阳能光伏组件1的尺寸较其他实施例偏小，且集气罐4的尺寸较其他实施例偏小，使该装置更具有便携性；但是，增加蓄电池24会增加该装置的复杂性及生产及维护成本。
显而易见地，所述描述的仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据本发明获得的其他可替代、修改或同等变形等，均在本发明专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，包括水蒸气富集系统、制水系统、自动控制系统以及装置外壳(22)；
所述水蒸气富集系统包括太阳能光伏组件(1)、控制输出电路(2)以及电解质膜单元(3)；所述电解质膜单元(3)直接与太阳能光伏组件(1)的背光面连接，同时电解质膜单元(3)与太阳能光伏组件(1)通过控制输出电路(2)进行电路连接；
所述电解质膜单元(3)由靠近太阳能光伏组件(1)的背光面一侧至另一侧，依次包括流通空气气道(5)、阳极集电层(6)、质子交换膜电极(7)和阴极集电层(8)；所述流通空气气道(5)的上下侧或两侧分别设置有空气进气口和空气出气口，且空气进气口的进口处设置有第一风机；所述阳极集电层(6)和阴极集电层(8)分别与控制输出电路(2)的正极和负极连接；
所述制水系统包括集气罐(4)、冷却盘管(10)以及气液分离器(18)；所述集气罐(4)的上部开口区域直接与电解质膜单元(3)的阴极集电层(8)的底部连接；所述集气罐(4)在上下侧或底部两侧分别设置有第一进气口(14)和第一出气口(13)；所述第一出气口(13)处内设置有第二风机和第一温湿度传感器(15)；所述第一进气口(14)处内设置有风阀(16)及第二温湿度传感器(17)；所述集气罐(4)的上部设有补气阀(12)；
所述第一出气口(13)与冷却盘管(10)的进口端连通；所述冷却盘管(10)的出口端与气液分离器(18)连通；所述气液分离器(18)的上方设置有第二出气口(21)；所述第二出气口(21)通过管道与集气罐(4)的第一进气口(14)连通；所述气液分离器(18)的底部设置有出水口(19)，且出水口(19)上安装有出水阀(20)；
所述水蒸气富集系统的太阳能光伏组件(1)以及流通空气气道(5)处于装置外壳(22)的外部，且装置外壳(22)的顶部与流通空气气道(5)的底部密封衔接，水蒸气富集系统的其余结构部分以及制水系统均处于装置外壳(22)的内部；所述气液分离器(18)底部的出水口(19)伸出装置外壳(22)的外部；所述装置外壳(22)的壳体外装有第三温度湿度传感器(23)；
所述自动控制系统包括控制面板，控制面板通过电路分别与太阳能光伏组件(1)、电解质膜单元(3)、第一温湿度传感器(15)、第二温湿度传感器(17)、第三温度湿度传感器(23)、风阀(16)、第一风机以及第二风机连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，所述流通空气气道(5)为太阳能光伏组件(1)的背光面与电解质膜单元(3)的阳极集电层(6)所组成的夹层。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，由阳极集电层(6)至阴极集电层(8)的方向，所述质子交换膜电极(7)的结构依次包括阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层和阴极扩散层；所述阳极集电层(6)和阴极集电层(8)的材料均选自包括金属筛网或金属孔板；所述质子交换膜电极(7)中的质子交换膜选自包括Nafion隔膜；所述质子交换膜电极(7)中的阳极催化层及阴极催化层的材料均选自包括Pt、Ir或IrO2，且分别负载于质子交换膜两侧；所述质子交换膜电极(7)中的阳极扩散层及阴极扩散层的材料均选自包括碳纸或碳布。
4.根据权利要求1所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，所述流通空气气道(5)内安装有支撑柱(9)，以支撑太阳能光伏组件(1)的重量以及使得流通空气均匀分布于电解质膜单元(3)的阳极集电层(6)的表面。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，所述支撑柱(9)的材料选自包括塑料或树脂。
6.根据权利要求1所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，所述太阳能光伏组件(1)、控制输出电路(2)、自动控制系统以及包括风机、温湿度传感器和风阀的耗电设备还通过电路与蓄电池(24)连接，将太阳能光伏组件(1)产生的用于装置运行外的多余电能储存于蓄电池(24)中，在无太阳辐射时为装置的正常运行提供电力支持，或作为自动控制系统运行以及包括风机、温湿度传感器和风阀的耗电设备的电力来源。
7.根据权利要求1所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，该装置的工作状态包括富集模式和制水模式两种模式，且通过自动控制系统的控制切换，两种模式分别进行或同时进行。
8.根据权利要求7所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，富集模式时，开启流通空气气道(5)的空气进气口的进口处的第一风机，关闭集气罐(4)上的第一出气口(13)处的第二风机，关闭集气罐(4)上的第一进气口(14)处的风阀；太阳能光伏组件(1)经太阳辐射产生低压直流电，并通过控制输出电路(2)提供电解质膜单元(3)运行的电力；此时，流通空气气道(5)内通入环境空气，并在电解质膜单元(3)的阳极集电层(6)与质子交换膜电极(7)接触处的表面发生电解水反应2H2O→4H++O2+4e-，消耗水分子，流通空气气道(5)内的空气湿度降低；电解水反应产生的H+穿过质子交换膜电极(7)进入电解质膜单元(3)的阴极集电层(8)，H+在阴极集电层(8)与质子交换膜电极(7)接触处的表面与集气罐(4)内的空气中的水发生还原反应4H++O2+4e-→2H2O，消耗氢质子和电子，集气罐内的空气湿度升高；随着富集模式的运行，集气罐(4)内的空气湿度不断增加，实现水蒸气富集。
9.根据权利要求7所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，制水模式时，经富集模式实现水蒸气富集后，开启集气罐(4)的第一出气口(13)处的第二风机，开启集气罐(4)的第一进气口(14)处的风阀(16)，集气罐(4)中水蒸气富集的空气通过第一出气口(13)进入冷却盘管(10)，水蒸气经冷却凝结成液体水珠并沿冷却盘管(10)流入气液分离器(18)中进行存储；液态水在气液分离器(18)存储达到所需量后，开启出水阀(20)将液态水从出水口(19)放出；气液分离器(18)中的空气通过第一进气口(14)循环回到集气罐(4)中。
10.根据权利要求9所述的一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置，其特征在于，所述冷却的方式包括自然冷却、机械冷却或热电制冷中的一种以上，或者为配合相变材料或光敏材料的自然冷却或机械冷却。
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2017
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