CN112411674A - 耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置 - Google Patents

耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了耦合气象环境预测的光‑热‑电驱动的高效空气取水装置，属于空气取水技术领域。耦合气象环境预测的光‑热‑电驱动的高效空气取水装置，包括：吸附床、冷凝器、光学组件、光伏发电装置、压缩机、太阳能集热器、检测器、不凝气体净化装置、微处理器、调功器、控制机构、温湿度传感器；光学组件通过聚光分光方式向压缩机提供电能，用以冷凝器进行冷凝；利用光学组件吸收太阳能，解吸生成的水蒸气中的不凝性气体通过检测器和净化装置进行快速净化及取水；温湿度传感器与控制机构实现对装置内空气温湿度的控制，本发明整个装置结合气象环境满足了太阳能集热效率，另一方面实现光电转换，解决了不凝性气体的水蒸气冷凝问题。

Description

耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置
技术领域
本发明涉及空气取水技术领域，更具体地说，涉及耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置。
背景技术
水是生命之源，所有生命的生存和发展都离不开水。根据全球水资源研究所的数据，地球上约97.5％的水属于海洋中的咸水，剩下的2.5％是地表水、极地冰和地下水，很多国家和地区面临着水资源短缺的问题，淡水资源短缺已经成为一个世界性难题，联合国曾在世界水日到来之际提出告诫：如果各国政府不采取有利措施，到2025年将有大约1/3的人口无法获得干净、安全的饮用水供应；
空气中蕴含着大量的水蒸气，拥有着丰富的水资源，从空气中取水可以不受时间和空间的限制，从大气中获取淡水资源具有较大的应用前景，特别是利用太阳能等可再生能源驱动的空气取水技术备受期待。因此，空气取水技术可以成为解决淡水资源短缺问题的有效措施；
随着城市工业的发展，城市水源受到工业污染严重，有些输水管内出现藻类滋生，严重影响了水的质量，造成了水在运输过程中的二次污染，人们长期饮用会引起人体器官的病变，因此，饮用水问题成为了人类面临的严峻问题，但是，现有的空气取水器取水效率较低，电功率消耗高，受其气象环境影响显著，鉴于此，我们提出耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的在于提供耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
2.技术方案
耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体的两侧分别设有入口A和出口A；还包括：光学组件，所述光学组件设置在所述壳体外部上方；发电机构，所述发电机构设置在所述壳体内；取水机构及净化机构，所述取水机构及所述净化机构设置在所述壳体内；第一三通换向阀，所述第一三通换向阀设置在所述壳体内，所述第一三通换向阀的第一端口与所述入口A连通；进气机构，所述进气机构设置在所述壳体内，所述进气机构连接所述第一三通换向阀的第二端口与所述净化机构的入口B；第二三通换向阀，所述第二三通换向阀设置在所述壳体内，所述第二三通换向阀的第一端口与所述出口A连通，所述第二三通换向阀的第二端口与所述净化机构的出口B连通，所述第二三通换向阀的第三端口与所述取水机构的气体入口连通；加热机构，所述加热机构连接所述取水机构的气体出口及所述第一三通换向阀的第三端口；控制机构，所述控制机构设置在所述壳体内；温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在所述壳体外部；检测器，所述检测器设置在所述壳体内；不凝气体净化装置，所述不凝气体净化装置设置在所述壳体内。
优选的，所述净化机构为吸附床，所述吸附床内包括复合固体吸附剂，所述复合固体吸附剂采用活性炭纤维毡+LiCl吸水性盐，所述复合固体吸附剂具有波纹形状和平板形状，交替地填充所述吸附床，所述入口B处设有空气过滤器。
优选的，所述取水机构包括：冷凝器，所述冷凝器设置在所述壳体内，所述第二三通换向阀的第三端口与所述冷凝器的气体入口连通，所述检测器连接所述冷凝器的气体出口，在所述壳体上设有外部接入口，所述外部接入口与所述冷凝器的析出口连通；
集水器，所述集水器与所述冷凝器的析出口连通，所述集水器与所述冷凝器之间设有一次过滤器，所述集水器与上部设有二次过滤器，所述冷凝器与所述集水器之间设有一次过滤器，所述冷凝器与所述集水器之间设有二次过滤器。
优选的，所述温湿度传感器设置在所述壳体外部。
优选的，所述控制机构包括：微处理器，所述微处理器输入端与所述温湿度传感器相连，所述微处理器输出端与第一调功器输入端相连，所述微处理器输入端与温湿度传感器相连；第一调功器，所述微处理器设置在所述壳体内的控制机构中，所述第一调功器的输入端与所述微处理器输出端相连，所述第一调功器的输出端与加热器的控制电路相连；第二调功器，所述微处理器设置在所述壳体内，所述第二调功器的输入端与所述微处理器的输出端相连，所述第二调功器的输出端与所述冷凝器相连。
优选的，所述光学组件排列于所述壳体外部上方，所述光学组件与加热机构连通，所述加热机构包括太阳能集热器，所述太阳能集热器设置在所述壳体内部，所述加热机构还包括加热器，所述加热器设置在所述太阳能集热器与所述第一三通换向阀的第三端口之间的管路上。
优选的，所述进气机构包括进气管以及设置在所述进气管上的风机；其中，所述进气管连接所述第一三通换向阀的第二端口与所述净化机构的入口。
优选的，所述发电机构包括：光伏发电装置，所述光伏发电装置设置在所述壳体内，所述光伏发电装置连接所述光学组件及第一控制器；第一控制器，所述第一控制器设置在所述壳体内，所述第一控制器连接所述光伏发电装置及压缩机；压缩机，所述压缩机设置在所述壳体内，所述冷凝器通过所述压缩机进行制冷，所述光伏发电装置向所述压缩机提供电能。
优选的，所述检测器设置在所述壳体内，所述检测器连接冷凝器与不凝气体净化装置，所述不凝气体净化装置设置在所述壳体内，所述不凝气体净化装置的气体出口从所述壳体外部连接所述加热机构。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)太阳能集热器使得系统可以完全脱离电网运行，操作简单，安全高效，适用性更广。
(2)提高太阳能光-热-电高效传输效率，能够合理分配太阳能向热能和电能的转化比例。
(3)满足太阳能集热效率，同时实现光电转换，可同时满足过程中对热能和电能的需求。
(4)在使用过程中可以为系统的部件进行供电，节约资源。
(5)吸附床高性能吸湿材料的选择，提高了空气取水效率。
(6)结合气象环境的瞬态预测，有助于太阳能驱动高效空气集水。
(7)通过光学组件的使用可以实现太阳能的聚光分光相结合，有效减少能源的消耗，绿色节能环保。
(8)对不凝气体进行检测和冷凝，能够解决不凝气体的混入导致系统能效降低问题，能快速识别系统不凝气体净化需求并及时、快速净化系统，保证制冷系统高效、可靠运行。
(9)外部接入口和两级过滤器使得本装置兼具水质净化器的作用，可以作为净化装置，应用于水质较差的地区。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的控制装置模块示意图；
图中标号说明：1、入口A；2、出口A；3、空气过滤器；4、第一三通换向阀；5、第二三通换向阀；6、吸附床；7、冷凝器；8、一级过滤器；9、二级过滤器；10、集水器；11、光学组件；12、光伏发电装置；13、第一控制器；14、压缩机；15、太阳能集热器；16、加热器；17、检测器；18、开关件；19、不凝气体净化装置；20、微处理器；21、第一调功器；22、第二调功器；23、控制机构；24、温湿度传感器。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1-2,本发明提供一种技术方案：
耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，包括壳体，壳体的两侧分别设有入口和出口；
光学组件，光学组件设置在壳体外部上方；
发电机构，发电机构设置在壳体内；
取水机构及净化机构，取水机构及净化机构设置在壳体内；
第一三通换向阀，第一三通换向阀设置在壳体内，第一三通换向阀的第一端口与入口连通；
进气机构，进气机构设置在壳体内，进气机构连接第一三通换向阀的第二端口与净化机构的入口；
第二三通换向阀，第二三通换向阀设置在壳体内，第二三通换向阀的第一端口与出口连通，第二三通换向阀的第二端口与净化机构的出口连通，第二三通换向阀的第三端口与取水机构的气体入口连通；
加热机构，加热机构连接取水机构的气体出口及第一三通换向阀的第三端口；
控制机构，控制机构设置在壳体内；
温湿度传感器，温湿度传感器设置在壳体外部；
检测器，检测器设置在壳体内；
不凝气体净化装置，不凝气体净化装置设置在壳体内。
进一步的，净化机构为吸附床，入口处设有空气过滤器。
进一步的，取水机构包括：冷凝器，冷凝器设置在壳体内，第二三通换向阀的第三端口与冷凝器的气体入口连通，检测器连接冷凝器的气体出口，在壳体上设有外部接入口，外部接入口与冷凝器的析出口连通；
集水器，集水器与冷凝器的析出口连通，集水器与述冷凝器之间设有一次过滤器，集水器与液体过滤器之间设有二次过滤器，一次过滤装置和二次过滤装置可以集成制造，放置在所述集水器正上方进行全方位过滤。
进一步的，温湿度传感器设置在壳体外部，温湿度传感器与微处理器输入端相连。
进一步的，控制机构包括：微处理器，微处理器设置在壳体内的控制机构中，微处理器输入端与温湿度传感器相连，微处理器输出端与第一调功器输入端相连；
第一调功器，微处理器设置在壳体内的控制机构中，第一调功器的输入端与微处理器输出端相连，第一调功器的输出端与加热器的控制电路相连；
第二调功器，微处理器设置在壳体内的控制机构中，第二调功器的输入端与微处理器的输出端相连，第二调功器的输出端与冷凝器相连。
进一步的，光学组件排列于壳体外部上方，光学组件与加热机构连通，加热机构包括太阳能集热器，太阳能集热器设置在壳体内部，加热机构还包括辅助加热组件加热器，加热器设置在太阳能集热器与第一三通换向阀的第三端口之间的管路上。
进一步的，进气机构包括进气管以及设置在进气管上的风机；其中，进气管连接第一三通换向阀的第二端口与净化机构的入口。
进一步的，发电机构包括：光伏发电装置，光伏发电装置设置在壳体内，光伏发电装置连接光学组件及第一控制器；
第一控制器，第一控制器设置在壳体内，第一控制器连接光伏发电装置及所诉压缩机；
压缩机，压缩机设置在壳体内，冷凝器通过压缩机进行制冷，光伏发电装置向压缩机提供电能。
进一步的，检测器设置在壳体内，检测器连接冷凝器与不凝气体净化装置，不凝气体净化装置设置在壳体内，不凝气体净化装置的气体出口从壳体外部连接加热机构。
如图1所示，本耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置包括入口1、出口2、空气过滤器3、第一第一三通换向阀4和第二第二三通换向阀5、吸附床6、冷凝器7、一级过滤器8、二级过滤器9、集水器10、光学组件11、光伏发电装置12、第一控制器13、压缩机14、太阳能集热器15、加热器16、检测器17、开关件18、不凝气体净化装置19、微处理器20、第一调功器21、第二调功器22、控制机构23和温湿度传感器24，其中，光学组件11包括聚光机构和分光机构，聚光机构上设有透光孔，用于对太阳光进行汇聚并照射到分光机构上；分光机构的受光面设有分光膜，用于接收聚光机构汇聚的太阳光并通过分光膜进行分光，经分光机构的透射光照射到光伏发电装置上用于光伏发电；检测器安装在冷凝回路上，自动检测回路中是否存在不凝气体；开关件安装在不凝气体净化装置与开关件回路之间，开关件依据检测器的检测结果，控制连接管路的导通或关闭；不凝气体净化装置对于分离出来的不凝气体进行快速净化。
除此之外，如图2所示，温湿度传感器与微处理器输入端相连，第一调功器调节加热器的加热功率，第二调功器调节冷凝器的输入功率，所述第二调功器输入端与微处理器输出端相连，从而控制空气温度实现对装置内空气温湿度的控制。
工作原理：在夜晚吸附阶段，打开第一第一三通换向阀4和风机，低温高湿的空气在风机的作用下进入本装置，首先经过空气过滤器3除去空气中的杂质，然后从吸附床6的底部进入，空气中的水分被吸附剂吸附，并释放出吸附热，而后排入大气中。
在白天解吸阶段，转换三通阀A4，太阳光经过光学组件11通过光学聚光和光学分光方式进行光伏发电，第一控制器13对光伏发电装置12产生的电能进行处理和分配，用以冷凝器7进行冷凝；同时利用光学组件11吸收太阳能，太阳能集热器将光能转换为热能，空气流经太阳能空气集热器15，被加热为高温气体(或打开加热器，空气在加热器中被逐步加热，成为高温气体，而后从吸附床6的底部进入，吸附剂再生，解吸出的高温高湿气体进入冷凝器7冷凝，达到露点并析出水，水经一级过滤器8和二级过滤器9后，最后流入底部的集水器10；解吸生成的水蒸气在冷凝器7表面冷凝时存在不凝性气体的水蒸气冷凝，通过检测器自动检测回路中是否存在不凝气体，开关件18依据检测器17的检测结果，控制连接管路的导通或关闭，不凝气体净化装置19对于分离出来的不凝气体进行快速净化及取水，流入底部集水器10；低温饱和空气再次进入集热器10重复上述循环。
在本实施例中，壳体外部的温湿度传感器24通过对外部气象环境进行瞬态预测，实现对环境大气温度和湿度的恒定控制，使用调功器调节冷凝器7的输入功率和加热器16的热量，实现对微环境温湿度的精确控制，更加方便的实现与微环境的耦合和匹配，使得太阳能驱动高效空气集水的效率更高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，包括壳体，其特征在于：所述壳体的两侧分别设有入口A和出口A；
还包括：
光学组件，所述光学组件设置在所述壳体外部上方；
发电机构，所述发电机构设置在所述壳体内；
取水机构及净化机构，所述取水机构及所述净化机构设置在所述壳体内；
第一三通换向阀，所述第一三通换向阀设置在所述壳体内，所述第一三通换向阀的第一端口与所述入口A连通；
进气机构，所述进气机构设置在所述壳体内，所述进气机构连接所述第一三通换向阀的第二端口与所述净化机构的入口B；
第二三通换向阀，所述第二三通换向阀设置在所述壳体内，所述第二三通换向阀的第一端口与所述出口A连通，所述第二三通换向阀的第二端口与所述净化机构的出口B连通，所述第二三通换向阀的第三端口与所述取水机构的气体入口连通；
加热机构，所述加热机构连接所述取水机构的气体出口及所述第一三通换向阀的第三端口；
控制机构，所述控制机构设置在所述壳体内；
温湿度传感器，所述温湿度传感器设置在所述壳体外部；
检测器，所述检测器设置在所述壳体内；
不凝气体净化装置，所述不凝气体净化装置设置在所述壳体内。
2.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述净化机构为吸附床，所述吸附床内包括复合固体吸附剂，所述复合固体吸附剂采用活性炭纤维毡+LiCl吸水性盐，所述复合固体吸附剂具有波纹形状和平板形状，交替地填充所述吸附床，所述入口B处设有空气过滤器。
3.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述取水机构包括：
冷凝器，所述冷凝器设置在所述壳体内，所述第二三通换向阀的第三端口与所述冷凝器的气体入口连通，所述检测器连接所述冷凝器的气体出口，在所述壳体上设有外部接入口，所述外部接入口与所述冷凝器的析出口连通；
集水器，所述集水器与所述冷凝器的析出口连通，所述集水器与所述冷凝器之间设有一次过滤器，所述集水器与上部设有二次过滤器；所述冷凝器与所述集水器之间设有一次过滤器，所述冷凝器与所述集水器之间设有二次过滤器。
4.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述温湿度传感器设置在所述壳体外部。
5.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述控制机构包括：
微处理器，所述微处理器输入端与所述温湿度传感器相连，所述微处理器输出端与第一调功器输入端相连，所述微处理器输入端与温湿度传感器相连；
第一调功器，所述微处理器设置在所述壳体内的控制机构中，所述第一调功器的输入端与所述微处理器输出端相连，所述第一调功器的输出端与加热器的控制电路相连；
第二调功器，所述微处理器设置在所述壳体内，所述第二调功器的输入端与所述微处理器的输出端相连，所述第二调功器的输出端与所述冷凝器相连。
6.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述光学组件排列于所述壳体外部上方，所述光学组件与加热机构连通，所述加热机构包括太阳能集热器，所述太阳能集热器设置在所述壳体内部，所述加热机构还包括加热器，所述加热器设置在所述太阳能集热器与所述第一三通换向阀的第三端口之间的管路上。
7.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述进气机构包括进气管以及设置在所述进气管上的风机；其中，所述进气管连接所述第一三通换向阀的第二端口与所述净化机构的入口。
8.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述发电机构包括：
光伏发电装置，所述光伏发电装置设置在所述壳体内，所述光伏发电装置连接所述光学组件及第一控制器；
第一控制器，所述第一控制器设置在所述壳体内，所述第一控制器连接所述光伏发电装置及压缩机；
压缩机，所述压缩机设置在所述壳体内，所述冷凝器通过所述压缩机进行制冷，所述光伏发电装置向所述压缩机提供电能。
9.根据权利要求1所述的耦合气象环境预测的光-热-电驱动的高效空气取水装置，其特征在于：所述检测器设置在所述壳体内，所述检测器连接冷凝器与不凝气体净化装置，所述不凝气体净化装置设置在所述壳体内，所述不凝气体净化装置的气体出口从所述壳体外部连接所述加热机构。
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