CN114411880A - 一种高效雾水收集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效雾水收集装置，包括高压电源、空气放电元件和雾水收集器；所述空气放电元件包括导电网和垂直于所述导电网的放电探针，所述放电探针靠近所述导电网的一端具有针尖，且所述放电探针与所述导电网之间具有间隔；所述放电探针与所述高压电源的一个电极电连接，所述导电网与所述高压电源的另一个电极电连接；所述雾水收集器与包括固定支架、漏斗和储水容器，所述导电网、所述放电探针和所述漏斗均设置在所述固定支架上，且所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够调节，所述漏斗位于所述导电网的正下方，所述漏斗底端的出水口正对所述储水容器的进水口。本发明的高效雾水收集装置的雾水收集效率高。
Description
技术领域
本发明涉及雾水收集技术领域，特别是涉及一种高效雾水收集装置。
背景技术
根据世界水资源协会的数据，全世界有22亿人无法获得安全的饮用水。很多偏远的干旱、半干旱地区雨水很少，甚至常年无雨，无法对雨水进行收集和利用。然而，很多干旱的沿海地区经常发生浓雾。雾是由直径在一微米至几十微米之间的微小液滴组成的。在这些干旱的沿海地区，浓雾在海面上形成，然后被风吹向干旱的沿海陆地。收集雾水是为这些地区提供清洁淡水的廉价而有效的途径。
研究人员设计了各种人工雾水收集系统，其中一些模仿了动物和植物的雾水收集机制，成功实现了小型的雾水收集。由于具有价格低廉、耐候性好、无需电源供给、便于大面积制备和实施等优点，网式(特别是金属网式)雾水收集器已得到了大规模应用。传统的网式雾水收集器通过惯性碰撞来捕捉和收集雾滴，在风的作用下，雾滴与网格线发生碰撞而沉积，并与后续沉积的雾滴合并长大。当达到临界尺寸后，在重力作用下向下滑动，被收集到容器中。网孔不收集雾滴，但降低了空气阻力，维持了流向雾水收集器的雾滴通量。然而，靠惯性碰撞捕获雾滴的效率很低。此外，雾滴被捕获后，网格的表面粘附使水滴转移、脱落困难，影响后续雾滴的沉积，导致雾水收集连续性较差，最终导致雾水收集效率很低，约为1％-2％。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效雾水收集装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高雾水的收集效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种高效雾水收集装置，包括高压电源、空气放电元件和雾水收集器；所述空气放电元件包括导电网和垂直于所述导电网的放电探针，所述放电探针靠近所述导电网的一端具有针尖，且所述放电探针与所述导电网之间具有间隔；所述放电探针与所述高压电源的一个电极电连接，所述导电网与所述高压电源的另一个电极电连接；
所述雾水收集器包括固定支架、漏斗和储水容器，所述导电网、所述放电探针和所述漏斗均设置在所述固定支架上，且所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够调节，所述漏斗位于所述导电网的正下方，所述漏斗底端的出水口正对所述储水容器的进水口。
优选的，采用发电机作为所述高压电源，所述发电机的转轴上连接有用于驱动所述转轴转动的驱动装置。
优选的，所述发电机采用摩擦纳米发电机；所述驱动装置为风轮，空气中的风能够通过吹动所述风轮转动来驱动所述转轴转动。
优选的，所述发电机还电连接有整流桥，所述放电探针与所述整流桥的负极输出端电连接，所述导电网与所述整流桥的正极输出端电连接。
优选的，所述放电探针和所述导电网的材料为导体或半导体。
优选的，所述放电探针的材料为钨，所述导电网的材料为不锈钢；所述导电网的表面经过表面浸润性调控处理，所述导电网的表面设置有亲水涂层、疏水涂层或润滑涂层。
优选的，所述亲水涂层为超亲水涂层，所述疏水涂层为超疏水涂层。
优选的，所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够在1μm-100mm的范围内调节；所述固定支架上固设有三维位移台，所述放电探针固设在所述三维位移台的移动台面上，且所述移动台面绝缘，通过调节所述三维位移台来调节所述放电探针与所述导电网之间的间隔。
优选的，所述放电探针与所述高压电源的负极电连接，所述导电网与所述高压电源的正极电连接。
优选的，所述放电探针与所述高压电源的正极电连接，所述导电网与所述高压电源的负极电连接。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的高效雾水收集装置的雾水收集效率高，结构简单，具有无需外部电源供电、安全系数高的优点，有利于产业化的推广，在节能减排和收集水资源等领域中具有潜在的应用价值。同时扩展了摩擦纳米发电机的应用，可以在天然浓雾和人工浓雾的场景下进行雾水的收集。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明高效雾水收集装置的结构示意图；
其中：1、第一基板；101、第一摩擦层；2、第二基板；201、第一电极层；202、第二电极层；3、风轮；4、摩擦纳米发电机；5、整流桥；6、放电探针；7、导电网；8、漏斗；9、储水容器；10、电子；11、空气分子；12、负离子；13、正离子。
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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种高效雾水收集装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高雾水的收集效率。
本发明提供了一种高效雾水收集装置，包括高压电源、空气放电元件和雾水收集器；所述空气放电元件包括导电网和垂直于所述导电网的放电探针，所述放电探针靠近所述导电网的一端具有针尖，且所述放电探针与所述导电网之间具有间隔；所述放电探针与所述高压电源的一个电极电连接，所述导电网与所述高压电源的另一个电极电连接；
所述雾水收集器包括固定支架、漏斗和储水容器，所述导电网、所述放电探针和所述漏斗均设置在所述固定支架上，且所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够调节，所述漏斗位于所述导电网的正下方，所述漏斗底端的出水口正对所述储水容器的进水口。
本发明的高效雾水收集装置的雾水收集效率高。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示：本实施例提供了一种高效雾水收集装置，包括摩擦纳米发电机4、整流桥5、空气放电元件和雾水收集器。
摩擦纳米发电机4的转轴上连接有用于驱动转轴转动的风轮3，发电机采用摩擦纳米发电机4；空气中的风能够通过吹动风轮3转动来驱动转轴转动，从而使得摩擦纳米发电机4进行发电。在实际应用中，摩擦纳米发电机4置于较高的空中或固定在地面附近都可以，只要有风等机械能保证摩擦纳米发电机4正常工作即可。
在本实施例中，摩擦纳米发电机4包括第一基板1和第二基板2，第一基本与摩擦纳米发电机4的转轴固定连接，摩擦纳米发电机4的转轴与第二基板2转动配合，即第一基板1能够随转轴的转动而转动，而第二基板2是固定不动的；第一基板1靠近第二基板2的一侧固设有第一摩擦层101，第二基板2靠近所述第一基板1的一侧固设有第一电极层201和第二电极层202，第一电极层201和第二电极层202构成第二摩擦层；随着第一摩擦层101相对于第一电极层201和第二电极层202做周期性的转动，第一电极层201和第二电极层202之间会产生电势差。
第一基板1和第二基板2均由绝缘材料制成，如亚克力板、苯胺甲醛树脂、聚苯乙烯、聚乙烯、木头等。第一摩擦层101表面为绝缘材料，具体可以选用苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯和派瑞林。
第一摩擦层101的表面、第一电极层201和/或第二电极层202的表面全部或部分具有纳米或微米尺度的微结构或者纳米材料的点缀或涂层；微结构选自纳米线、纳米棒、纳米管、纳米锥、纳米颗粒、纳米沟槽、微米线、微米棒、微米管、微米锥、微米颗粒和微米沟槽。第一摩擦层101的表面形状与第二摩擦层的表面形状相同或互补。
摩擦纳米发电机4电连接有整流桥5，在本实施例中整流桥5采用二极管整流电路，整流桥5的作用在于将摩擦纳米发电机4的交流输出变为单向输出，即可以区分正负极；空气放电元件包括导电网7和垂直于导电网7的放电探针6，放电探针6靠近导电网7的一端具有针尖，且放电探针6与导电网7之间具有间隔，放电探针6与整流桥5的负极输出端电连接，导电网7与整流桥5的正极输出端电连接。
第一电极层201、第二电极层202、放电探针6和导电网7的材料采用导体或半导体材料；导体材料选自金、银、铂、铝、钨、镍、铜或硒等金属，以及由上述金属形成的合金。半导体材料选自碳纳米管、ZnO纳米线、石墨烯薄膜、ZnO薄膜等材料。
雾水收集器包括固定支架、漏斗8和储水容器9，导电网7和漏斗8均固设在固定支架上，固定支架上固设有三维位移台，放电探针6固设在三维位移台的移动台面上，且移动台面绝缘，通过调节三维位移台来调节放电探针6与导电网7之间的间隔。放电探针6与导电网7之间的间隔能够在1μm-100mm的范围内调节；漏斗8位于导电网7的正下方，漏斗8底端的出水口正对储水容器9的进水口。
在本实施例中，放电探针6的材料优选为钨，导电网7的材料优选为不锈钢；导电网7的表面经过表面浸润性调控处理，导电网7的表面设置有亲水涂层、疏水涂层或润滑涂层。亲水涂层优选采用超亲水涂层，疏水涂层优选采用超疏水涂层。在本实施例中优选通过表面浸润性调控处理在导电网7的表面设置超疏水涂层，因实验表明超疏水不锈钢网的雾水收集速率最大，约为1311.97g/m2·min。
本实施例高效雾水收集装置的具体工作原理如下：
首先需要将本实施例的高效雾水收集装置放在天然浓雾或人工浓雾的场景中；吹动雾的风也能驱动摩擦纳米发电机4上的风轮3转动，使摩擦纳米发电机4进行发电。具体的，摩擦纳米发电机4的转轴会带动第一基板1和第一摩擦层101一起转动，而第二基板2、第一电极层201和第二电极层202则固定不动，随着第一摩擦层101相对于第一电极层201和第二电极层202做周期性的转动，第一电极层201和第二电极层202之间会产生电势差，从而使得放电探针6与导电网7之间形成电势差。需要说明的是，在沿海的干旱地区，有雾存在的同时都会伴随着风的存在，但内陆地区有雾的情况下不一定有风，没有风的情况下，可以通过其它驱动形式，如人体运动、水流等驱动摩擦纳米发电机1工作，当然也可以采用其它形式的高压直流电源，将放电探针6与高压直流电源的负极连接，导电网7与高压直流电源的正极连接即可。
同时调节放电探针6与导电板之间的距离，当摩擦纳米发电机4的输出电压达到空气放电的阈值电压时，放电探针6与导电网7之间的空气会产生放电，当放电探针6与导电网7之间的空气击穿时，第一电极层201和第二电极层202连通，摩擦纳米发电机4产生脉冲输出；有雾的空气中放电时，空气中的各种分子，如N2分子，O2分子，CO2分子，H2O分子等在电子10的轰击下得失电子10形成离子。在放电探针6与导电网7之间的电压的作用下，正离子13向放电探针6移动，电子10和负离子12向导电网7移动。由于电子10的质量远小于正离子13的质量，因此电子10更容易被加速。电子10被加速后再次轰击其它空气分子11，形成新的离子和电子10，最终形成电子10雪崩。在电极间电压的作用下，在电极间隙中形成等离子区，桥接电极之间的空气间隙，产生自持放电。大量的离子、电子10被雾滴捕获，形成带电雾滴，需要说明的是，由于是负电晕放电，电子10和负离子12的浓度远大于正离子13，最终导致雾滴带负电；如果是正电晕放电，则会导致雾滴带正电。在电极间电压的作用下，通过静电吸引力克服气流对其的拖拽力，从而高效沉积在导电网7上。通过对导电网7进行表面浸润性调控，使沉积的液滴快速脱落，从而产生新的沉积点位供后续雾滴沉积。脱落后的液滴经漏斗8收集到储液容器中，从而完成雾水的收集。
设置间距调节装置即三维位移台使得放电探针6与导电网7之间的距离可调的目的在于，方便实验或实际应用中可以根据雾浓度、摩擦纳米发电机的输出性能对雾收集能力进行调整。如果应用场景中的雾和风速相对稳定，可以不要间距调节装置，即三维位移台。
为了更高效的收集雾水，应对不锈钢网进行表面浸润性调控，使其具备超疏水特性，以提高其表面水滴的脱落速率。本实施例提出的集成摩擦电等离子体的高效雾水收集装置具有收集效率高，无需外部电源，安全系数高的优点。
实施例二
本实施例提供了一种高效雾水收集装置，本实施例的高效雾水收集装置与实施例一所提供的高效雾水收集装置在结构和工作原理上基本相同，区别之处仅在于：在本实施例中，采用正电源放电的方式进行雾水收集，放电探针6与整流桥5的正极电连接，导电网7与整流桥5的负极电连接。由于是正电晕放电，正离子13的浓度会远远大于负离子12和电子10的浓度，导致雾滴带正电，带正电的雾滴会朝向负压的导电网7移动。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种高效雾水收集装置，其特征在于：包括高压电源、空气放电元件和雾水收集器；所述空气放电元件包括导电网和垂直于所述导电网的放电探针，所述放电探针靠近所述导电网的一端具有针尖，且所述放电探针与所述导电网之间具有间隔；所述放电探针与所述高压电源的一个电极电连接，所述导电网与所述高压电源的另一个电极电连接；
所述雾水收集器包括固定支架、漏斗和储水容器，所述导电网、所述放电探针和所述漏斗均设置在所述固定支架上，且所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够调节，所述漏斗位于所述导电网的正下方，所述漏斗底端的出水口正对所述储水容器的进水口。
2.根据权利要求1所述的高效雾水收集装置，其特征在于：采用发电机作为所述高压电源，所述发电机的转轴上连接有用于驱动所述转轴转动的驱动装置。
3.根据权利要求2所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述发电机采用摩擦纳米发电机；所述驱动装置为风轮，空气中的风能够通过吹动所述风轮转动来驱动所述转轴转动。
4.根据权利要求3所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述发电机还电连接有整流桥，所述放电探针与所述整流桥的负极输出端电连接，所述导电网与所述整流桥的正极输出端电连接。
5.根据权利要求1所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述放电探针和所述导电网的材料为导体或半导体。
6.根据权利要求5所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述放电探针的材料为钨，所述导电网的材料为不锈钢；所述导电网的表面经过表面浸润性调控处理，所述导电网的表面设置有亲水涂层、疏水涂层或润滑涂层。
7.根据权利要求6所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述亲水涂层为超亲水涂层，所述疏水涂层为超疏水涂层。
8.根据权利要求1所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述放电探针与所述导电网之间的间隔能够在1μm-100mm的范围内调节；所述固定支架上固设有三维位移台，所述放电探针固设在所述三维位移台的移动台面上，且所述移动台面绝缘，通过调节所述三维位移台来调节所述放电探针与所述导电网之间的间隔。
9.根据权利要求1所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述放电探针与所述高压电源的负极电连接，所述导电网与所述高压电源的正极电连接。
10.根据权利要求1所述的高效雾水收集装置，其特征在于：所述放电探针与所述高压电源的正极电连接，所述导电网与所述高压电源的负极电连接。
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