CN112880099A - 一种无电环境空气调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无电环境空气调节系统，包括进风口、过滤系统、杀菌系统、出风口和电源系统，所述进风口在该系统的最底部，往上依次为过滤系统、杀菌系统、出风口，所述电源系统为整个系统供电，所述过滤系统包括活性炭过滤网和高效过滤网，所述杀菌系统包括紫外线杀菌灯和光触媒组件，所述电源系统包括太阳能发电装置和压电发电装置。本发明中，电源系统对用电设备进行供电，过滤系统能够过滤空微小颗粒物和异味等气体分子，对空气中的PM2.5和细菌进行有效过滤，杀菌系统能够灭菌和分解有机污染物，将洁净的空气输送至室内，确保室内人员的健康与安全，提供一种健康洁净的空气环境。

Description

一种无电环境空气调节系统
技术领域
本发明涉及空气调节技术领域，具体领域为一种无电环境空气调节系统。
背景技术
众所周知，人在密闭环境工作时，如潜水艇、地下矿井等封闭环境中，呼吸所排放出大量的CO2、NH3、SO2以及数百种含有机物的有毒有害废气，如得不到及时有效的处理，将会影响工作人员的身体健康，严重时甚至危及生命安全。由此可见，密闭环境中空气质量变得尤为重要，既要保证氧气含量充足又要洁净无污染，同时还需要将每个人的正常代谢产物、不良气味等清除干净。
如今出现各种空气调节装置都需要有电环境，离开电力，所有设备都无法运转，尤其在密闭环境中，如果突然失去电力，设备不能运转的情况下，工作人员的人身安全将受到严重威胁，现有一些非电空调设备，采用天然气、城市煤气、发电废热、工业废热、太阳能、沼气等任何能产生80℃以上的热能为动力、以溴化锂为冷媒进行热交换，从而降低空调循环水温度，达到制冷目的；供热时，可直接加热，通过水循环散热。但上述非电空调设备都未涉及密闭环境中空气净化、空气调节等方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无电环境空气调节系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无电环境空气调节系统，包括进风口、过滤系统、杀菌系统、出风口和电源系统，所述进风口在该系统的最底部，往上依次为过滤系统、杀菌系统、出风口，所述电源系统为整个系统供电，所述过滤系统包括活性炭过滤网和高效过滤网，所述杀菌系统包括紫外线杀菌灯和光触媒组件，所述电源系统包括太阳能发电装置和压电发电装置。
优选的，所述光触媒组件位于紫外线杀菌灯的外部，所述紫外线杀菌灯能够单独工作，构成短波紫外线杀菌系统，所述紫外线杀菌灯能够与光触媒组件协同工作，构成短波紫外线-光触媒杀菌系统，可以杀死经过滤的空气中的细菌和病毒，也可以杀死附着在活性炭过滤网和高效过滤网上的各种有毒有害微生物。
优选的，所述活性炭过滤网位于进风口的上方，当系统工作时，可以过滤空气中的毛发、微小颗粒物和异味等气体分子，所述高效过滤网位于活性炭过滤网的上方，当系统工作时，对空气中的PM.2.5、细菌进行有效过滤。
优选的，还包括风机系统，所述风机系统设置于整个系统的上部、与出风口相连通，通过风机系统的作用，将空气吸入至调节系统内，再将净化后的健康空气通过出风口输送到室内。
优选的，所述电源系统的输入能量分为两部分：太阳能和人体产生的动能，储存在蓄能电池中，所述蓄能电池作为系统的核心部分既可将输入系统的能量进行储存，也可以输出电能对用电设备进行供电。
优选的，所述太阳能发电装置为柔性太阳能电池板，所述柔性太阳能电池板体积较小，可固定在衣服上进行太阳能的收集，分别在运动衣的前身、肩部、后背三个部位放置尺寸适宜的柔性太阳能电池板，从而为太阳能发电装置提供充足的太阳能。
优选的，所述压电发电装置为体积较小、易携带的震源装置，所述震源装置采用将压电陶瓷固定在鞋中的方式，安装压电陶瓷载体的鞋可被看成是一个悬臂梁，将压电陶瓷粘贴到悬臂梁的根部，使压电陶瓷的位置靠近鞋在行走时弯曲程度最大的位置。
优选的，所述太阳能发电装置包括太阳能的储能电路，所述太阳能的储能电路主要包括升压电路，采用MAX1672芯片。
优选的，所述压电发电装置包括人体的动能储能电路，所述人体的动能储能电路主要包括整流电路和升压电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种无电环境空气调节系统，在无电环境下，采用光伏发电和压电发电技术，两者优势互补，通过结合提高发电效率，通过走动发电和太阳能发电储存在蓄能电池中，对用电设备进行供电，过滤系统能够过滤空气中的毛发、微小颗粒物和异味等气体分子，对空气中的PM2.5、细菌进行有效过滤，杀菌系统能够破坏各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA结构，达到灭菌的效果，氧化分解各种有机化合物和部分无机物和杀灭细菌和分解有机污染物，将洁净的空气输送至室内,提供一种健康洁净的空气环境。操作便捷、噪声低、功耗低、体积小、寿命长，确保室内人员的健康与安全。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的供电结构示意图；
图3为电源系统的系统模型示意图；
图4为压电材料的等效模型示意图；
图5为人体的动能储能电路示意图。
图中：1-进风口、2-过滤系统、3-杀菌系统、4-出风口、5-电源系统、6-活性炭过滤网、7-高效过滤网、8-紫外线杀菌灯、9-光触媒组件、10-太阳能发电装置、11-压电发电装置、12-风机系统。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种无电环境空气调节系统，包括进风口1、过滤系统2、杀菌系统3、出风口4和电源系统5，所述进风口1在该系统的最底部，往上依次为过滤系统2、杀菌系统3、出风口4，所述电源系统5为整个系统供电，所述过滤系统2包括活性炭过滤网6和高效过滤网7，所述杀菌系统3包括紫外线杀菌灯8和光触媒组件9，所述电源系统5包括太阳能发电装置10和压电发电装置11。
具体而言，所述光触媒组件9位于紫外线杀菌灯8的外部，所述紫外线杀菌灯8能够单独工作，构成短波紫外线杀菌系统，所述紫外线杀菌灯8能够与光触媒组件9协同工作，构成短波紫外线-光触媒杀菌系统，可以杀死经过滤的空气中的细菌和病毒，也可以杀死附着在活性炭过滤网6和高效过滤网7上的各种有毒有害微生物。所述紫外线杀菌灯8利用紫外线光子的能量破坏各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA(脱氧核糖核酸)结构，使DNA与核蛋白链等各种结构链断裂或发生化学聚合反应而丧失繁殖复制的能力，达到灭菌的效果。光触媒组件为表面具有二氧化钛的载体装置，在紫外线的照射下，会产生类似于光合作用的光催化反应，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞和固化病毒的蛋白质，杀灭细菌和分解有机污染物。
具体而言，所述活性炭过滤网6位于进风口的上方，当系统工作时，可以过滤空气中的毛发、微小颗粒物和异味等气体分子，所述高效过滤网7位于活性炭过滤网6的上方，当系统工作时，对空气中的PM2.5、细菌进行有效过滤，所述活性炭过滤网6和高效过滤网7均可自由更换。
具体而言，还包括风机系统12，所述风机系统12设置于整个系统的上部、与出风口4相连通，通过风机系统12的作用，将空气吸入至调节系统内，再将净化后的健康空气通过出风口4输送到室内。
具体而言，所述电源系统5的输入能量分为两部分：太阳能和人体产生的动能，储存在蓄能电池中，所述蓄能电池作为系统的核心部分既可将输入系统的能量进行储存，也可利用输出的电能对用电设备进行供电。所述电源系统5的系统模型如图3。
根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。太阳能电池在无外加电压时，光照引起的载流子迁移会在P-N结两端产生光生电动势，即光伏效应。如果将P-N结与外电路接通，在光照时就会有电流通过电路，此时P-N结相当于一个电流源。
根据正压电效应，利用压电材料将人体的动能直接转换为电能。压电材料的等效模型如图4。
等效电路中Ca为压电材料等效的寄生电容，可表示为：
Figure BDA0002918095790000051
其中：ε为压电晶体的介电常数，S为极板面积，d为晶体厚度。
为对两种收集的能量进行存储，分别根据太阳能电池和压电材料输出电能的特性进行相应变换，并最终整合在一起为蓄能电池充电。太阳能电池输出直流电，输出电压直接通过升压电路进行升压；压电材料输出交流电，输出需先通过整流电路进行整流，再通过升压电路进行升压。最后两个支路通过并联的连接形式为蓄能电池充电，但由于通过两种方式收集并转换的电压在不同条件下有所不同，会导致倒灌的不良后果，因此，在两个支路分别增加导通压降相对较低的二极管，以达到同时利用两种能源的目的。
具体而言，所述太阳能发电装置10为柔性太阳能电池板，从太阳能发电装置的便携性考虑，太阳能电池板的选取应该尽可能轻便，所述柔性太阳能电池板体积相对较小，可固定在衣服上进行太阳能的收集，分别在运动衣的前身、肩部、后背三个部位放置尺寸适宜的柔性太阳能电池板，在人面对太阳时，位于前身位置和肩部位置的太阳能电池板会受到有效的太阳光照射，在人背对太阳时，位于后背位置和肩部位置的太阳能电池板会受到有效的太阳光照射，使太阳能电池板在衣服上合理分布，从而为太阳能发电装置10提供充足的太阳能，保证太阳能发电装置10高效率的工作，在标准光强条件下太阳能电池的转换效率可表示为：
Figure BDA0002918095790000061
其中：Im、Vm分别表示太阳能电池板发出的最大电流和最大电压，S为模组发电面积，Pin为太阳光的入射功率。通过计算分析，所采用的柔性太阳能电池板的转换效率相对较高，能满足太阳能发电装置高效率的要求。
具体而言，所述压电发电装置11为体积较小、易携带的震源装置，所述震源装置采用将压电陶瓷固定在鞋中的方式，作为安装压电陶瓷载体的鞋可被看成是一个悬臂梁，将压电陶瓷粘贴到悬臂梁的根部，使压电陶瓷的位置靠近鞋在行走时弯曲程度最大的位置。从压电发电装置11的效率考虑，若假设压电材料受到一频率为ω的谐振力F，则压电元件产生的功率P可表示为：
Figure BDA0002918095790000062
其中d为压电元件的横向压电系数，b为压电元件的宽，ε、Ca分别为压电元件等效的介电常数和寄生电容。通过计算可以得出，该压电发电装置的材料选取在相同频率ω和谐振力F条件下满足发电功率较大的压电陶瓷。从压电发电装置11的发电条件和便携性考虑，不能采用体积较大、不易携带的振源装置，在人行走时，鞋的后半部以频率ω进行上下振动。由材料力学可知：
Figure BDA0002918095790000063
其中h为悬臂梁厚度，以拟态函数模拟f(x)。通过计算可以得出：前3阶振型在x＝0处都有最大的应变，因此应该将压电陶瓷粘贴到悬臂梁的根部，即尽可能使压电陶瓷的位置靠近鞋在行走时弯曲程度最大的位置。
具体而言，所述太阳能发电装置10包括太阳能的储能电路，所述太阳能的储能电路的主要部分为升压电路，为了提高储能电路的效率，采用MAX1672芯片，该芯片的静态电流小，电压转换过程能耗极低，符合储能电路对于高效率的要求。
具体而言，所述压电发电装置11包括人体的动能储能电路，所述人体的动能储能电路主要包括整流电路和升压电路，人体的动能储能电路如图5。
其中开关Q1为压电储能电路的核心部件，当电容C的电压满足可为蓄能电池充电的条件时，Q1关闭，使压电陶瓷产生的电能存储在蓄电池当中；当电容C的电压不能满足为蓄能电池充电的条件时，Q1开启，使电容C持续积累电能，直到其两端电压达到为蓄能电池充电的条件。
工作原理：本发明在无电环境下，利用太阳能和人体产生的动能，通过走动发电和太阳能发电储存在蓄能电池中，蓄能电池输出电能为系统提供电能，对用电设备进行供电。风机系统12工作，将空气吸入至调节系统内，空气依次经过过滤系统2和杀菌系统3，当经过活性炭过滤网6时，可以过滤空气中的毛发、微小颗粒物和异味等气体分子，当经过高效过滤网7时，可以对空气中的PM2.5、细菌进行有效过滤，当经过紫外线杀菌灯时，可以破坏各种病毒、细菌以及其它致病体的DNA结构，丧失繁殖复制的能力，达到灭菌的效果，当经过光触媒组件时，可氧化分解各种有机化合物和部分无机物，能破坏细菌的细胞和固化病毒的蛋白质，杀灭细菌和分解有机污染物，然后将净化后的健康空气通过出风口4输送到室内。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种无电环境空气调节系统，包括进风口(1)、过滤系统(2)、杀菌系统(3)、出风口(4)和电源系统(5)，所述进风口(1)在该系统的最底部，往上依次为过滤系统(2)、杀菌系统(3)、出风口(4)，所述电源系统(5)为整个系统供电，其特征在于：所述过滤系统(2)包括活性炭过滤网(6)和高效过滤网(7)，所述杀菌系统(3)包括紫外线杀菌灯(8)和光触媒组件(9)，所述电源系统(5)包括太阳能发电装置(10)和压电发电装置(11)。
2.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述光触媒组件(9)位于紫外线杀菌灯(8)的外部，所述紫外线杀菌灯(8)能够单独工作，构成短波紫外线杀菌系统，且所述紫外线杀菌灯(8)能够与光触媒组件(9)协同工作，构成短波紫外线-光触媒杀菌系统。
3.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述活性炭过滤网(6)位于进风口的上方，所述高效过滤网(7)位于活性炭过滤网(6)的上方。
4.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：还包括风机系统(12)，所述风机系统(12)设置于整个系统的上部、与出风口(4)相连通，通过风机系统(12)的作用，将空气吸入至调节系统内，再将净化后的健康空气通过出风口(4)输送到室内。
5.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述电源系统(5)的输入能量分为两部分：太阳能和人体产生的动能，储存在蓄能电池中，所述蓄能电池作为系统的核心部分既可将输入系统的能量进行储存，也可以输出电能对用电设备进行供电。
6.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述太阳能发电装置(10)为柔性太阳能电池板，所述柔性太阳能电池板固定在衣服上进行太阳能的收集，分别为安装在运动衣的前身、肩部、后背三个部位放置尺寸适宜的柔性太阳能电池板，从而为太阳能发电装置(10)提供充足的太阳能。
7.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述压电发电装置(11)为震源装置，所述震源装置采用将压电陶瓷固定在鞋中的方式，安装压电陶瓷载体的鞋可被看成是一个悬臂梁，将压电陶瓷粘贴到悬臂梁的根部，使压电陶瓷的位置靠近鞋在行走时弯曲程度最大的位置。
8.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述太阳能发电装置(10)包括太阳能的储能电路，所述太阳能的储能电路包括升压电路，采用MAX1672芯片。
9.根据权利要求1所述的一种无电环境空气调节系统，其特征在于：所述压电发电装置(11)包括人体的动能储能电路，所述人体的动能储能电路包括整流电路和升压电路。
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