CN112095712A - 一种冷凝空气取水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷凝空气取水系统，包括：太阳能供电装置和半导体制冷装置；其中，所述太阳能供电装置包括：依次连接的太阳能电池板、控制器和蓄电池；所述半导体制冷装置包括：支架、冷凝板和半导体制冷片；所述支架顶端设有至少一个冷凝板，所述冷凝板形状呈V型，在所述V型冷凝板的两侧面外底部分别安装有所述半导体制冷片；所述半导体制冷片材质为碲化铋；所述蓄电池与所述半导体制冷片电连接。该系统根据半导体制冷原理，采用碲化铋半导体制冷，在保证较低能耗时，也能保证较高的制冷系数，提高冷凝取水的效率；且在重力作用下，V型冷凝板将冷凝结成的水滴迅速汇集在一起并流向地面，实现水的收集和可利用化。

Description

一种冷凝空气取水系统

技术领域

本发明涉及空气冷凝取水领域，特别涉及一种冷凝空气取水系统。

背景技术

中国部分地区严重缺水，气候干旱少雨，白天地表温度高蒸发强烈，土壤存水性差，不利于植被生长。常规种植方法耗水量大，加上该类地区取水，引水，运水困难，消耗成本很大。以沙漠为例，白天温度高，湿度低，但是夜间温度低，湿度高，空气中含有丰富水蒸气。由水循环过程可知，随环境温度高，地表水会蒸发，同时，空气中的水汽含量也随之增加。水循环是多环节的自然过程，全球性的水循环涉及蒸发、大气水分输送、地表水和地下水循环以及多种形式的水量储蓄降水、蒸发和土壤固水是水循环的重要环节，这三个环节决定着一个地区的水资源总量。因此，对于缺水地区，如果可以充分利用空气中的水则可改善或缓解该地区水资源匮乏的问题。

近年来，随着科技进步，人们发现从空气中获取水资源的可能性，此技术的突出特点是应用地区不受限制，尤其适用于水质差，水源匮乏的地区。例如沙漠化地区，白天气温高，蒸发量大，空气湿度低，但是，夜间温度降低，空气湿度与其他地区相比并没有太大的差距，这就为空气取水项目提供可行条件。同时，此技术实现平均成本价格更低，调整管理也更加方便简单，更容易被人们接受和大规模推广。

目前，现有技术中存在的空气冷凝取水装置，它们大多利用空调压缩机工质冷凝放热、蒸发吸热循环，在蒸发端将空气冷却，使空气中的水蒸汽冷凝成水，经济成本较高，安装不易。还存在一些风能或风光互补作为冷凝取水的驱动能源，以此降低能耗；而制冷措施通常选择压缩机、冷凝器及蒸发器等组件的热泵循环制冷等，经济成本居高不下；并且，有的为进一步降低空气取水能耗并控制设备投资成本，一些空气取水设备通过深埋地下利用湿热空气与温度较低的深层土壤的温差进行冷凝取水。

但上述冷凝取水还是存在改进的空间，受经济成本、及土壤温差的影响较大，冷凝取水效率并不高。

因此，如何提供一种高效的冷凝取水装置，是同行从业人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种冷凝空气取水系统，可解决冷凝取水效率不高的技术问题。

本发明实施例提供一种冷凝空气取水系统，包括：太阳能供电装置和半导体制冷装置；所述太能能供电装置与半导体制冷装置电连接；

其中，所述太阳能供电装置包括：依次连接的太阳能电池板、控制器和蓄电池；

所述半导体制冷装置包括：支架、冷凝板和半导体制冷片；

所述支架顶端设有至少一个冷凝板，所述冷凝板形状呈V型，在所述V型冷凝板的两侧面外底部分别安装有所述半导体制冷片；所述半导体制冷片材质为碲化铋；

所述蓄电池与所述半导体制冷片电连接。

在一个实施例中，所述V型冷凝板两侧面的夹角为30°～60°。

在一个实施例中，所述V型冷凝板两侧面的表面设有若干条形凹槽，所述条形凹槽延伸至V型冷凝板的夹角处。

在一个实施例中，所述V型冷凝板两侧面的夹角处轴线与地面水平线之间角度为30°～60°。

在一个实施例中，所述V型冷凝板材质为金属铜，两侧面的内表面覆盖TiO₂纳米阵列超疏水膜。

在一个实施例中，所述支架由不锈钢材料制成。

在一个实施例中，所述碲化铋半导体制冷片的最大制冷量和最大制冷系数之间的平衡工况通过如下方式获得：

令

其中，Q表示制冷量；Qm表示平衡工况下的制冷量；θQ表示制冷量Q对于Qm的接近程度；

Z表示制冷片材料的优值系数；

其中，W＝αIΔT+I²R，表示消耗功率；Wm表示平衡工况下的消耗功率；θw表示消耗功率W相当于Wm的接近程度；

T_h表示热端温度；

Q＝αTc-0.5I²R-KΔT；其中，α表示温差电动势率；Tc表示冷端温度；I表示平衡工况下的电流；R表示制冷片的热电堆电阻；K表示制冷片材料导热系数；ΔT表示热端与冷端温差；

θ＝θQ-θw，θ表示制冷量与功耗的综合参量；

令

得到θ最大值时对应的电流值，所述电流值为平衡工况对应的电流值。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种冷凝空气取水系统，包括：太阳能供电装置和半导体制冷装置；所述太能能供电装置与半导体制冷装置电连接；其中，所述太阳能供电装置包括：依次连接的太阳能电池板、控制器和蓄电池；所述半导体制冷装置包括：支架、冷凝板和半导体制冷片；所述支架顶端设有至少一个冷凝板，所述冷凝板形状呈V型，在所述V型冷凝板的两侧面外底部分别安装有所述半导体制冷片；所述半导体制冷片材质为碲化铋；所述蓄电池与所述半导体制冷片电连接。该系统根据半导体制冷原理，采用碲化铋半导体制冷，在保证较低能耗时，也能保证较高的制冷系数，提高冷凝取水的效率；且在重力作用下，V型冷凝板将冷凝结成的水滴迅速汇集在一起并流向地面，实现水的收集和可利用化；进一步通过加装太阳能供电装置为半导体制冷提供电能，实现经济效益最大化并且不会对当地环境造成破坏。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种冷凝空气取水系统的结构图；

图2为本发明实施例提供的水循环示意图；

图3为本发明实施例提供的半导体制冷片电制冷原理图；

图4为本发明实施例提供的一晚上取水量的总和曲线图；

图5为本发明实施例提供的一晚上每个小时内取水量的柱状图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种冷凝空气取水系统，参照图1，包括：太阳能供电装置和半导体制冷装置；太能能供电装置与半导体制冷装置电连接；太阳能供电装置部分利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射转换为电能，提供给半导体制冷装置使用。

其中，上述太阳能供电装置包括：依次连接的太阳能电池板1、控制器2和蓄电池3；上述半导体制冷装置包括：支架4、冷凝板5和半导体制冷片6；半导体制冷装置则是基于帕尔贴效应的应用，利用太阳能供电装置提供的直流电来制冷。该支架顶端设有多个冷凝板5，该冷凝板5形状呈V型，在V型冷凝板5的两侧面外底部分别安装有半导体制冷片6；该半导体制冷片6材质为碲化铋；蓄电池3与半导体制冷片6电连接。

采用半导体制冷结露的方法从空气中获取水分，半导体具有良好的热能量转换特性。根据半导体制冷原理，本发明实施例采用碲化铋半导体制冷，可获得最优工况，即在保证较低能耗时，也能保证较高的制冷系数，可提高冷凝取水的效率。当湿度较高的空气流经制冷片表面时，由于制冷片冷端温度低于露点温度，致使空气中的水分冷凝成水滴。在重力作用下，V型冷凝板将冷凝结成的水滴迅速汇集在一起并流向地面，实现水的收集和可利用化。加装太阳能光伏发电系统为半导体制冷提供电能，实现经济效益最大化并且不会对当地环境造成破坏。

比如图1所示，可在支架顶端等间距设置3个V型冷凝板，V型冷凝板两侧面的夹角为30°～60°；当角度小于30°时，不利于湿空气与冷凝板的接触面积，从而减少冷凝水的获取；而大于60°时，反而不利于水分的收集，且容易造成水分的再次蒸发。因此，可根据该系统所使用的地理环境合理选择相应的角度。以西北干旱城市克拉玛依、乌鲁木齐为例，可优选60°即可。以南京为例，可选择角度为50°。

为了进一步增加冷凝取水的效率，可在制冷片表面加装超疏水薄膜的；具体地，一个较佳的实施例，可采用金属铜材料制作冷凝板，内部表面覆盖TiO₂纳米阵列超疏水膜，支架由不锈钢材料制成。冷凝板制作尺寸为15cm×5cm×0.6cm,两冷凝板夹角为60°，内部表面有60条5cm×0.2cm×0.2cm的条形凹槽，条形凹槽延伸至V型冷凝板的夹角处；可与夹角处的轴线垂直，可利于排水。

将冷凝板整体与地面呈30°～60°，可优选45°放置，即：V型冷凝板两侧面的夹角处轴线与地面水平线之间角度为45°。

通过一系列实验研究，发现在使用碲化铋材质型号为TECI-12706半导体制冷片的条件下，制冷片热端温度会随电流增加随之升高，同时，冷端温度也会随之降低。当电流在3.6A～3.7A限度时，制冷量与功耗的综合参量θ最大，即达到制冷片最优工况条件。可以通过控制电流的大小，改变冷凝板的冷凝效率，使得冷凝取水系统的取水量适合各种植物的生长，从而提高缺水地区植物存活率。

以沙漠干旱地区为例，在具体实施时，将半导体制冷装置放置于0.3米深的沙坑中，可减少沙漠地区强烈风沙对农作物的威胁。如图2所示，为水循环示意图；白天，太阳能板持续工作，将太阳能转变为电能储存在蓄电池里，夜间半导体制冷片利用蓄电池输出的直流电在冷端制冷，加速气态水、液态水以及土壤含水的水循环，让更多的水分可以被农作物吸收，提高水的利用率，提高农作物的成活率。

上述半导体制冷片的工作原理如下：

如图3所示，半导体电偶由N型半导体和P型半导体组成，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在PN接头处，对于P型半导体来讲电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，P型半导体是冷端，而对于N型半导体，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，N型半导体是热端。在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，来实现制冷目的。

上述所采用的超疏水薄膜是利用阳极氧化法在纯钛表面制备的TiO₂纳米管阵列，使用六甲基二硅胺烷对TiO₂纳米管阵列进行表面能处理，得到超疏水薄膜表面。TiO₂纳米管阵列经改性后超疏水效果明显，具有较高的硬度，良好的耐磨性，耐热性和化学稳定性。

对TiO₂纳米阵列薄膜进行表面改性后，六甲基二硅胺烷与薄膜表面的大量羟基自由基发生化学作用，被接枝到薄膜表面，另一端的疏水性基团甲基则处于薄膜的最表层，因此，表面合适的粗糙度和低的表面能二者相互作用，使得改性后的接枝纳米阵列薄膜接触角达到152°，呈现出明显的超疏水性。超疏水膜能够保证冷凝形成的露珠最大化的汇集在一起并滴落在土壤里，避免由于风干的影响减少对水的利用。

当半导体制冷片接通直流电流I时，帕尔贴产生的吸热量与电流I成正比。即可以通过改变电流的大小来改变冷凝空气水气的效率，从而更好的适应当地气候条件的变化，为植被或者农作物提供一个合适的生长环境。

在一个实施例中，上述半导体制冷片的型号除了TECI-12706外，还可以为TECI-12705,TECI-12708,TECI-12710等型号。

下面分别对上述4种型号的半导体制冷片进行实验，接直流电压12V，测试冷端温度Tc，热端温度T_h及系统的电流I随时间变化情况。测试结果如下表1所示：

表1

从实验数据来看，TECI-12705，TECI-12706,TECI-12708这三种型号的制冷片都满足制冷湿度快，冷端温度低的特点，都是需要结合之前制冷片的散热方式---风冷散热方式，采用风扇强制对流散热，增加散热效果。散热风扇型号是直流电压12V，电流0.18A。

当选择上述风扇时，最大只能为40mm×40mm的TECI-12706制冷片散热。若选用更大功率的制冷片，散热装备无法满足要求。因此，为了便于配合散热风扇的需要，可选择TECI-12706型号的制冷片。

半导体制冷片冷凝水计算：随着制冷片温度的不断降低，制冷片表面温度一旦低于露点温度，就会有冷凝水出现。理论凝结水量为：m_w＝m_a(d₂-d₁)

其m_w表示凝结水的水量；

m_a表示湿空气的质量；

d₂表示冷凝后的饱和湿空气的含湿量；

d₁表示初始状态的湿空气的含湿量；

根据珀尔贴效应，半导体冷端吸热量与电流大小成正比，为了能够充分研究工作电流对制冷片制冷能力的影响，在半导体型号相同情况下，散热方式均采用风冷散热，实验5组电流条件下制冷片的制冷能力，这五种电流分别是2A,2.5A,3A,3.5A,4A,4.5A。在本次实验中，制冷片的热端采用风冷散热，同时采用强制对流增强散热效果实验数据每五分钟记录一次，记录一小时。在不同电流作用下，制冷片冷端和热端最终稳定后的温度列表如下：

表2

工作电流	冷端稳定温度	热端稳定温度
			2A	11.4	40.1
2.5A	7.5	41.4
			3A	6.9	43.5
3.5A	7.5	45.8
			4A	7.0	47.7
4.5A	6.5	50.1

从上述表2可以看出：

1、工作电流2.5A,3A,3.5A情况下，冷端温度一直在下降，随着电流的增大，半导体冷端温度下降的幅度也在不断增加，最终能够达到冷端的温度也在不断降低。

2、6种工作电流工况下，随着时间推移，热端温度在不断增加，工作电流越大，最终达到的热端温度也越高。

3、工作电流越大，热端温度上升幅度也越大，在不同电流工况下，基本在40min内完成最终的上升幅度，以后的20min内温度增幅明显小于前40min。

在一个实施例中，对于碲化铋半导体制冷片的最大制冷量工况和最大制冷系数工况来讲，这两种工况均属于极限工况。在最大制冷量工况中，虽然能够得到最大的制冷量，但是消耗了较大的功率，得到较小的制冷系数；而对于最大制冷系数工况来讲，虽然经济性好，耗电少，但是获得的制冷量却很少。为了既能消耗较少的功率，又能获得较大的制冷量，本实施例须要在两种工况间找到一个平衡----最优工况。为了探究三种工况之间的关系：

令

其中，Q表示制冷量；Qm表示平衡工况下的制冷量；θQ表示制冷量Q对于Qm的接近程度；

Z表示制冷片材料的优值系数；

其中，W＝αIΔT+I²R，表示消耗功率；Wm表示平衡工况下的消耗功率；θw表示消耗功率W相当于Wm的接近程度；

T_h表示热端温度；

Q＝αTc-0.5I²R-KΔT；其中，α表示温差电动势率；Tc表示冷端温度；I表示平衡工况下的电流；R表示制冷片的热电堆电阻；K表示制冷片材料导热系数；ΔT表示热端与冷端温差；

θ＝θQ-θw，θ表示制冷量与功耗的综合参量；

令

得到θ最大值时对应的电流值，该电流值为平衡工况对应的电流值。

根据上述实施例中所用型号为TECI-12706的半导体制冷片，参数为：

电偶对数n＝127对；

温差电动势率α＝127×2×2.06×10^-4V/k＝0.0518V/k；

热电堆电阻R＝2.25Ω；

材料导热系数K＝16.1×10^-2W/(cm·K)；

材料的优值系数Z＝2.8×10^-3/k；

任取半导体热电堆冷热端温度差ΔT＝20K，冷端温度Tc＝287K，将上述参数带入公式

求出最优工况下的电流为I＝3.68A。

在制冷片的冷端和热端分别安装温度传感器测量温度。在不同电流作用下，制冷片冷端最终稳定温度如下表：

表3

表4

令I与θ的关系方程为θ＝a+bI+CI²,其中a,b,c均为常数。利用Excel建立回归方程：θ＝-0.0236I²+0.1916I-0.1668

当I＝4.05时，θ取得最大值，即此时是实验条件下的最优工况。与之前通过理论计算出来的最优工况下的电流I＝3.68A相差不大，验证了实验的合理性。

在具体实施时，比如以沙漠环境应用为例：半导体制冷装置工作时间为18：30至次日6点，晚上温湿度每隔一个小时记录一次，同时记录冷凝取水量，列表如下：

表5

取水量的总和如图4所示，每个时间段的取水量如图5所示。

在环境温度、湿度相对稳定的情况，半导体制冷片利用白天太阳能电池板产生的电能能够稳定工作，能够持续冷凝产生水用于灌溉，基本上能满足植物的生长需要。

本发明实施例提供的冷凝空气取水系统，该系统根据半导体制冷原理，采用碲化铋半导体制冷，在保证较低能耗时，也能保证较高的制冷系数，提高冷凝取水的效率；当湿度较高的空气流经制冷片表面时，由于制冷片冷端温度低于露点温度，致使空气中的水分冷凝成水滴，并利用加装在冷凝板表面的超疏水薄膜的超疏水性，且在重力作用下，V型冷凝板将冷凝结成的水滴迅速汇集在一起并流向地面，实现水的收集和可利用化。加装太能能供电装置为半导体制冷提供电能，实现经济效益最大化并且不会对当地环境造成破坏。

使用操作简单，安全性好，且基本不需要维护。蓄电池储能方便，无环境污染。同时，随着太阳能电池产业及半导体工业的迅速发展，热电材料价格逐年降低，制冷性能的不断提高，超疏水薄膜的深入研究，太阳能半导体制冷系统的成本也逐步降低，因此，太阳能半导体制冷系统将有着广阔的应用前景。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种冷凝空气取水系统，其特征在于，包括：太阳能供电装置和半导体制冷装置；所述太能能供电装置与半导体制冷装置电连接；

其中，所述太阳能供电装置包括：依次连接的太阳能电池板、控制器和蓄电池；

所述半导体制冷装置包括：支架、冷凝板和半导体制冷片；

所述支架顶端设有至少一个冷凝板，所述冷凝板形状呈V型，在所述V型冷凝板的两侧面外底部分别安装有所述半导体制冷片；所述半导体制冷片材质为碲化铋；

所述蓄电池与所述半导体制冷片电连接。

2.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述V型冷凝板两侧面的夹角为30°～60°。

3.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述V型冷凝板两侧面的表面设有若干条形凹槽，所述条形凹槽延伸至V型冷凝板的夹角处。

4.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述V型冷凝板两侧面的夹角处轴线与地面水平线之间角度为30°～60°。

5.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述V型冷凝板材质为金属铜，两侧面的内表面覆盖TiO₂纳米阵列超疏水膜。

6.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述支架由不锈钢材料制成。

7.如权利要求1所述的一种冷凝空气取水系统，其特征在于，所述碲化铋半导体制冷片的最大制冷量和最大制冷系数之间的平衡工况通过如下方式获得：

令

其中，Q表示制冷量；Qm表示平衡工况下的制冷量；θQ表示制冷量Q对于Qm的接近程度；

Z表示制冷片材料的优值系数；

其中，W＝αIΔT+I²R，表示消耗功率；Wm表示平衡工况下的消耗功率；θw表示消耗功率W相当于Wm的接近程度；

T_h表示热端温度；

Q＝αTc-0.5I²R-KΔT；其中，α表示温差电动势率；Tc表示冷端温度；I表示平衡工况下的电流；R表示制冷片的热电堆电阻；K表示制冷片材料导热系数；ΔT表示热端与冷端温差；

θ＝θQ-θw，θ表示制冷量与功耗的综合参量；

令

得到θ最大值时对应的电流值，所述电流值为平衡工况对应的电流值。

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