CN114482198A - 一种便携式空气水收集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式空气水收集方法及装置，包括进气网罩、空气滤网、进气风扇、网式加热翅片、导热管、散热器、集水耦合芯片组、半导体制冷片、冷板、隔热棉板、出气口、水过滤膜、储水杯和柔性太阳能电池。集水耦合芯片组由1～8片亲、疏交替分级结构芯片平行固定组成，亲、疏交替分级结构芯片第一表面和第二表面均为亲水性结构、疏水性结构相互交替的周期性分级结构，提高装置的水收集效率，有效减小装置体积。此外，本装置充分利用半导体制冷片热端的热量为空气加热，提高冷凝温差，降低了露点温度，进一步提高装置的水收集效率。
Description
技术领域
本发明公开内容涉及水收集技术领域，尤其涉及一种便携式空气水收集方法及装置，是使用集水功能结构芯片协同作用将周围空气转化为液态水的便携式水收集系统和方法。
背景技术
淡水资源短缺一直是全球性问题，全球有接近2/3的人口面临潜在的淡水资源紧缺问题[1]。随着全球人口持续增长和地球平均温度不断升高，淡水资源短缺预计将会进一步恶化[2]。在环境科学领域，收集不同地域空气水汽/雾气是分析其运动规律以及大气环境变化的前提[3]。生物离不开水，人体70％以上是水[4]，如果身体处于缺水状态，健康和工作效率就无从谈起，所以在中长期户外活动、野外生存中保持持续地饮用水供应极为重要。
过去几年里，废水处理、海水淡化[5-6]被视为回收淡水的有效办法，但存在能耗大、效率低、工艺复杂等问题。
目前，从潮湿的空气[7-8]和雾[9-10]中结露水的技术经常需要大量能量输入，且体积大不利于便携，这阻碍了它们在大多数地方的应用。
因此，本领域中需要能够在室外环境下可靠使用的水收集系统，尤其需要可以利用室外的环境特点以较低能量输入产生液态水的便携式水收集方法和装置。
参考文献：
[1]Mekonnen M M,Hoekstra AY.Science Advances,2016,2(2):e1500323-e1500323.
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发明内容
本发明克服现有技术的不足，提供一种便携式空气水收集方法及装置，其基于激光干涉直写与激光雕刻加工工艺制备出具有亲、疏水交替周期性分级结构的集水功能芯片，并应用于便携式空气水收集装置。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案实现：
一种便携式空气水收集装置，包括进气装置、集水装置、储水杯(3)和柔性太阳能电池(4)；进气装置包括进气网罩(1-1)、空气滤网(1-2)和进气风扇(1-3)；集水装置包括网式加热翅片(2-1)、导热管(2-2)、散热器(2-3)、集水耦合芯片组(2-4)、半导体制冷片(2-5)、冷板(2-6)、出气口(2-8)和水过滤膜(2-9)；所述进气网罩(1-1)放置在进气装置顶部，空气滤网(1-2)固定在进气网罩(1-1)下方，所述进气风扇(1-3)固定在空气滤网(1-2)下方，所述网式加热翅片(2-1)固定在进气风扇(1-3)下方，所述散热器(2-3)上部固定连接有导热管(2-2)，网式加热翅片(2-1)与导热管(2-2)相连，散热器(2-3)与半导体制冷片(2-5)热端连接，所述半导体制冷片(2-5)的冷端与冷板(2-6)连接，冷板(2-6)与集水耦合芯片组(2-4)连接，所述水过滤膜(2-9)位于集水装置底部，所述水过滤膜(2-9)上方开有出气口(2-8)，所述储水杯(3)与集水装置连接，所述柔性太阳能电池(4)固定连接于储水杯(3)外壁。
进一步地，柔性太阳能电池(4)连接进气风扇(1-3)；柔性太阳能电池(4)连接半导体制冷片(2-5)。柔性太阳能电池(4)为进气风扇(1-3)和半导体制冷片(2-5)供能。
进一步地，所述集水耦合芯片组(2-4)包含亲、疏交替分级结构芯片，所述芯片表面具有周期性疏水条纹结构，所述周期性疏水条纹结构中相邻两条纹中心距离为12～20μm，单个条纹宽8.4～13.6μm，条纹间距3.6～6.4μm。本发明中，亲、疏交替分级结构芯片是指每个所述芯片表面上亲水性结构和疏水性结构相互交替设置。所述疏水性结构包括周期性疏水条纹结构。所述亲水性结构包括周期性圆形亲水区域。
进一步地，所述集水耦合芯片组(2-4)包含亲、疏交替分级结构芯片，所述芯片表面具有周期性圆形亲水区域，所述周期性圆形区域中相邻两亲水圆形区中心间距0.5～0.7mm，单个亲水圆形区直径0.25～0.35mm。
进一步地，所述集水耦合芯片组(2-4)包括1～8片如下芯片，所述芯片为亲、疏交替分级结构芯片。每个亲、疏交替分级结构芯片具有彼此相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面均为亲水性结构和疏水性结构相互交替的周期性分级结构。下级结构为利用激光干涉直写方法加工出的周期性疏水条纹结构。周期性疏水条纹结构上具有疏水层。上级结构为激光雕刻方法加工出的周期性圆形亲水区域。圆形亲水区域为光滑表面。上级结构是在所述条纹结构上，利用激光雕刻机把所述条纹结构上的疏水层打掉，露出圆形的亲水区域。本发明中的上级结构即是上层结构；下级结构即是下层结构。
进一步地，每个亲、疏交替分级结构芯片的第一表面和第二表面除圆形亲水区域以外的区域均为疏水区域。
进一步地，所述周期性疏水条纹结构中相邻两条纹中心距离为12～20μm，单个条纹宽8.4～13.6μm，条纹间距3.6～6.4μm。例如，所述周期性疏水条纹结构中相邻两条纹中心距离为12、13、14、15、16、17、18、19或20μm，单个条纹宽为8.4、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0或13.6μm，条纹间距为3.6、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0或6.4μm。
进一步地，所述周期性圆形亲水区域中相邻两亲水圆形区中心间距0.5～0.7mm，单个亲水圆形区直径0.25～0.35mm。制造圆形区域所采用的填充直线边距为0.07～0.09mm，激光雕刻机扫描速度为600～800mm/s。例如，所述周期性圆形亲水区域中相邻两亲水圆形区中心间距为0.5、0.55、0.6、0.65或0.7mm，单个亲水圆形区直径为0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.3、0.31、0.32、0.33、0.34或0.35mm。
进一步地，所述集水装置还包括隔热棉板；半导体制冷片(2-5)与集水装置内侧壁之间粘贴有隔热棉板。冷板(2-6)与集水装置内侧壁之间粘贴有隔热棉板。
进一步地，半导体制冷片(2-5)热端与散热器(2-3)之间涂有导热材料，半导体制冷片(2-5)冷端与冷板(2-6)之间涂有导热材料。
所述集水耦合芯片组(2-4)由1～8个亲、疏交替分级结构芯片组成，集水耦合芯片组与半导体制冷片的连接设计包括以下三种：
A、集水耦合芯片组(2-4)、冷板(2-6)和半导体制冷片(2-5)彼此平行，中心对齐，集水耦合芯片组(2-4)与冷板(2-6)贴合，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)贴合；
B、集水耦合芯片组(2-4)一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)，集水耦合芯片组(2-4)另一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)；集水耦合芯片组(2-4)与两端的冷板(2-6)垂直连接，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)连接，半导体制冷片(2-5)与散热器(2-3)连接，两端的散热器(2-3)通过各自的导热管(2-2)与网式加热翅片(2-1)连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm；
C、集水耦合芯片组(2-4)一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)，集水耦合芯片组(2-4)与冷板(2-6)垂直连接，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)连接，半导体制冷片(2-5)与散热器(2-3)连接，散热器(2-3)通过导热管(2-2)与网式加热翅片(2-1)连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm；
所述集水耦合芯片组(2-4)的总表面积与半导体制冷片(2-5)功率有关，对于不同连接设计，所述集水耦合芯片组(2-4)的总表面积与半导体制冷片(2-5)的功率关系为：
设计A：S＝9.6*δexp(0.17*P)；
设计B和C：S＝124.9*δsin(0.026*P)；
S为集水耦合芯片组(2-4)的总表面积，单位平方厘米，P为制冷片总功率，单位为瓦，1.5<δ<2.5；
此关系式用于集水耦合芯片组(2-4)总表面积不大于300cm2，单个芯片厚度不超过1.5mm的情况，δ根据集水耦合芯片组(2-4)的制冷温度取值，制冷温度越低，δ取值越大。本关系式在面积超过300cm2或者厚度超过1.5mm的情况下误差过大不再适用。本发明中集水耦合芯片组(2-4)的总表面积应理解为所有亲、疏交替分级结构芯片第一表面面积和第二表面面积的总和。
进一步地，所述亲、疏交替分级结构芯片制备方法包括如下步骤：
(1)对金属板进行预处理；
(2)在预处理后的金属板表面制备周期性结构；
(3)对步骤(2)所得的金属板进行疏水处理，形成表面疏水层；
(4)对步骤(3)所得的金属板进行亲水处理，形成表面亲水区。
进一步地，步骤(2)中，采用激光干涉直写或者激光雕刻在金属板表面制备周期性疏水条纹结构。
所述亲、疏交替分级结构芯片第一表面和第二表面均为亲水性结构、疏水性结构相互交替的周期性分级结构，利用激光干涉直写方法加工出周期性疏水条纹结构，然后结合激光雕刻方法制备亲水区域；条纹结构可以增加表面的比表面积提供多个凝结位点，同时使顶部凝结液滴更易向两侧滑落；亲水区域可以为冷凝空气亲水区域可以使空气冷凝形核后快速聚集融合生长；其制造方法包括以下步骤：
A、预处理：依次采用砂纸对金属板抛光，抛光后的金属板表面粗糙度Ra为101nm±10nm。将金属板依次放置于丙酮、无水乙醇和去离子水溶液中超声波清洗。
B、周期结构制造：将激光器发出的光分为两束偏振方向相同能量相等的干涉激光，两束干涉激光在重合焦点处产生稳定的干涉图样。将预处理后的金属板竖直固定于旋转位移台，利用CCD实时计算两束干涉激光水平照射在芯片表面的光斑形貌圆形度、尺寸以及光斑图像的灰度值，灰度值表征光斑能量，调整旋转位移台位置，记录光斑形貌圆形度最高、尺寸最小，能量最大时旋转位移台的位置参数，此时两束干涉激光恰好对准重合并聚焦在金属板第一表面，设置两束干涉激光的能量和频率，开始刻蚀，制备周期性条纹结构表面。将旋转位移台旋转180°，采用相同参数刻蚀金属板的第二表面，实现金属板两面的周期性结构制造。
C、疏水处理：配置氟硅烷无水乙醇溶液，浸没刻蚀处理后的金属板，干燥，冷却至室温，形成表面超疏水层。
D、亲水处理：在激光雕刻机软件中绘制圆，填充方式为直线无外框填充，选择矩阵复制，设置行和列间距，设置扫描速度、功率和频率，点雕刻时间和雕刻次数，将疏水处理后的金属板水平放置在雕刻激光的焦点处，周期性条纹方向与要雕刻的填充直线方向一致，开始打样，在金属板第一表面制造圆形亲水区。采用相同参数在金属板第二表面制造相同结构。
作为本发明的一种优选方案，所述网式加热翅片(2-1)位于进气风扇(1-3)与集水耦合芯片组(2-4)之间靠近进气风扇(1-3)的下部。所述网式加热翅片(2-1)与空气进行热交换，一方面空气可以及时为半导体制冷片(2-5)散热，另一方面，利用半导体制冷片(2-5)热端的热量，通过网式加热翅片(2-1)加热空气使其升温，这种方式可以提高空气冷凝的温差，降低露点温度，使热空气遇到冷表面因较大的温度变化而迅速冷凝产生液滴，进一步提高集水速率和集水量。
作为本发明的一种优选方案，所述出气口(2-8)位于水过滤膜(2-9)上部，靠近半导体制冷片(2-5)一侧的下部，远离集水耦合芯片组，增加冷凝空气在集水单元内流通的时间与路径，加大冷空气形核变为微尺度液滴的概率。
进一步地，所述进气网罩(1-1)直径大于空气滤网(1-2)直径。
作为本发明的一种优选方案，所述亲、疏交替分级结构芯片可以为铝、铝合金、铜合金或者钛合金材料。所述亲、疏交替分级结构芯片表面为周期性疏水条纹和周期性圆形亲水区域相结合的分级结构。所述条纹顶部有由于激光热效应产生的纳米颗粒；纳米颗粒在条纹顶部随机分布，形成纳米和亚微米的孔隙，亲水区域表面光滑。所述条纹顶部的纳米颗粒所围成的孔隙可以产生“钉扎效应”，为冷凝空气提供多个凝结位点，加速冷凝形核，亲水区域可以使空气冷凝形核后快速聚集融合生长，并通过条纹结构传输通道移动滑落，附带融合沿途钉扎的微小冷凝液滴。
本发明还提供一种便携式空气水收集方法，使用如上任一项所述的装置，包括如下步骤：柔性太阳能电池(4)为进气风扇(1-3)和半导体制冷片(2-5)供能，半导体制冷片(2-5)将集水耦合芯片组(2-4)降温至1～6℃，空气经进气风扇(1-3)抽吸进入进气网罩(1-1)，经空气滤网(1-2)过滤后，与网式加热翅片(2-1)的三层加热网接触，加热升温，降低露点温度，热空气继续向下遇到冷的集水耦合芯片组(2-4)，由于亲、疏交替分级表面结构和冷热温差的双重作用，空气冷凝成液滴，冷凝液滴从芯片表面滑落由水过滤膜(2-9)进一步过滤后汇入储水杯(3)，空气由出气口(2-8)排出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：亲、疏交替分级结构芯片表面设计为亲、疏水性结构相互交替的周期性分级结构，提高了装置的集水效率；网式加热翅片为自上而下的三层结构，与空气流通方向共轴，增加空气接触面积与时间，使之充分与空气进行热交换，使空气受热更均匀；充分利用了半导体制冷片热端具有消极作用的热量，由于空气在冷凝之前被半导体制冷片热端热量加热，提高了冷凝温差，降低了露点温度，进一步提高了集水效率；集水耦合芯片组使得本装置结构紧凑、体积小巧。
附图说明
图1为本装置的整体结构示意图；
图2为集水耦合芯片组与半导体制冷片不同连接设计俯视示意图；
图3为实施例1的表面结构SEM图；
图4为实施例2的表面结构SEM图；
图5为实施例3的表面结构SEM图；
图6为不同实施例在20±1.0℃，相对湿度88±2.0％的环境下集水效率统计图。
图中标识分别为：进气网罩1-1、空气滤网1-2、进气风扇1-3、网式加热翅片2-1、导热管2-2、散热器2-3、集水耦合芯片组2-4、半导体制冷片2-5、冷板2-6、隔热棉板2-7、出气口2-8、水过滤膜2-9、储水杯3、柔性太阳能电池4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述说明。所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部。
在本发明的描述中，需要理解的是，附图中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。除非另有明确的规定和限定，术语“贴合”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是直接贴合，也可以通过中间媒介贴合；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，也可以是两个元件的相互作用关系。本发明中的“正面”和“背面”，是指彼此相反的两个表面。
参照附图1和附图2，本发明提供一种便携式空气水收集装置，由进气装置、集水装置、储水杯3和柔性太阳能电池4可拆卸组装构成。进气装置包括进气网罩1-1、空气滤网1-2和进气风扇1-3。集水装置包括网式加热翅片2-1、导热管2-2、散热器2-3、集水耦合芯片组2-4、半导体制冷片2-5、冷板2-6、隔热棉板2-7、出气口2-8和水过滤膜2-9。进气网罩1-1固定于进气装置顶部，空气滤网1-2固定在进气网罩1-1下方，为活性炭网，可以吸附灰尘过滤杂质。进气风扇1-3固定在空气滤网1-2下方，可以抽吸空气，为整个装置提供新的空气。网式加热翅片2-1固定于进气风扇1-3下方。散热器2-3上部固定连接有导热管2-2，网式加热翅片2-1与导热管2-2相连，便于将散热器2-3的热量快速传导至网式加热翅片2-1。散热器2-3与半导体制冷片热端贴合。半导体制冷片的冷端与冷板2-6贴合，冷板2-6外接集水耦合芯片组2-4。半导体制冷片热端与散热器2-3之间，冷端与冷板2-6之间涂有导热材料。半导体制冷片2-5和冷板2-6与集水装置内侧壁之间贴有隔热棉板。水过滤膜2-9位于集水装置底部，过滤冷凝水。水过滤膜2-9上方开有出气口2-8，出气口2-8内侧贴有活性炭滤网。储水杯3通过螺纹与集水装置连接，柔性太阳能电池4固定连接在储水杯3外壁上，为进气风扇1-3和半导体制冷片2-5供能，利于节能环保。柔性太阳能电池4连接进气风扇1-3；柔性太阳能电池4连接半导体制冷片2-5。
参照附图2，所述集水耦合芯片组2-4由1～8片亲、疏交替分级结构芯片组成，集水耦合芯片组2-4与半导体制冷片2-5的连接设计包括以下三种：
A、如图2A所示，集水耦合芯片组2-4、冷板2-6和半导体制冷片2-5彼此平行，中心对齐，集水耦合芯片组2-4与冷板贴合，冷板2-6与半导体制冷片2-5贴合。
B、如图2B所示，集水耦合芯片组2-4一端固定有冷板2-6、半导体制冷片2-5和散热器2-3。集水耦合芯片组2-4另一端同样也固定有冷板2-6、半导体制冷片2-5和散热器2-3。集水耦合芯片组2-4与两端的冷板2-6垂直连接，冷板2-6与半导体制冷片2-5连接，半导体制冷片2-5与散热器2-3连接，两端的散热器2-3通过各自的导热管2-2与网式加热翅片2-1连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm。
C、如图2C所示，所述集水耦合芯片组2-4一端固定有冷板2-6、半导体制冷片2-5和散热器2-3。集水耦合芯片组2-4与冷板2-6垂直连接，冷板2-6与半导体制冷片2-5连接，半导体制冷片2-5与散热器2-3连接，散热器2-3通过导热管2-2与网式加热翅片2-1连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm。
所述集水耦合芯片组2-4的总表面积与半导体制冷片2-5功率有关，对于不同连接设计，所述集水耦合芯片组2-4的总表面积与半导体制冷片2-4的功率关系为：
设计A：S＝9.6*δexp(0.17*P)；
设计B和C：S＝124.9*δsin(0.026*P)；
S为集水耦合芯片组2-4的总表面积，单位平方厘米，P为制冷片总功率，单位为瓦，1.5<δ<2.5；
此关系式用于集水耦合芯片组2-4总表面积不大于300cm2，单个芯片厚度不超过1.5mm的情况，δ根据集水耦合芯片组2-4的制冷温度取值，制冷温度越低，δ取值越大。本关系式在面积超过300cm2或者厚度超过1.5mm的情况下误差过大不再适用。本发明中集水耦合芯片组(2-4)的总表面积应理解为所有亲、疏交替分级结构芯片第一表面面积和第二表面面积的总和。
使用时，柔性太阳能电池4为进气风扇1-3和半导体制冷片2-5供能，进气风扇1-3和半导体制冷片2-5开始工作将集水耦合芯片组2-4降温至1～6℃。进气风扇1-3不断抽吸环境空气进入进气网罩1-1，经空气滤网1-2过滤后，与网式加热翅片2-1的三层加热网充分接触，加热升温，降低露点温度。热空气继续向下遇到冷的集水耦合芯片组2-4，由于冷热温差和表面的集水功能结构的作用，空气快速冷凝成液滴，冷凝液滴从芯片表面滑落由水过滤膜2-9进一步过滤后汇入储水杯3，多余空气由出气口2-8排出。
实施例1：
一种集水耦合芯片组所包含的亲、疏交替分级结构芯片表面结构的制造方法如以下：
A、预处理：依次采用800#、2000#砂纸对7075铝板(40mm×40mm×1mm)抛光，抛光后的7075铝板表面粗糙度Ra为101nm±10nm，可以达到后续处理要求。将7075铝板依次放置于丙酮、无水乙醇和去离子水溶液中超声波各清洗10min，超声功率为80W，以除去表面的微小杂质避免影响后续结构的制备。
B、周期结构制造：将Innolas SpitLight 2000Nd:YAG激光器发出的光分为两束偏振方向相同能量相等的干涉激光，两束干涉激光在重合焦点处产生稳定的干涉图样，两束激光夹角为4.2°，激光波长1064nm。将预处理后的7075铝板竖直固定于旋转位移台，利用CCD实时计算两束干涉激光水平照射在芯片表面的光斑形貌圆形度、尺寸以及光斑图像的灰度值，灰度值表征光斑能量，调整旋转位移台位置，记录光斑形貌圆形度最高、尺寸最小，能量最大时旋转位移台的位置参数，此时两束干涉激光恰好对准重合并聚焦在7075铝板正面，设置两束干涉激光的能量均为85mJ，频率10Hz，开始刻蚀，制备周期性条纹结构表面，相邻两条纹中心距离为14.4μm，单个条纹宽9.8μm，条纹间距4.6μm。将旋转位移台旋转180°，采用相同参数刻蚀7075铝板背面，实现7075铝板两面的周期性结构制造。
C、疏水处理：配置20mL1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷质量分数为1wt％的无水乙醇溶液，浸没刻蚀处理后的7075铝板，氟化处理12h，之后在120℃温度下干燥1h，冷却至室温，形成表面超疏水层。
D、亲水处理：在FIB2S-200D激光雕刻机软件中绘制直径0.3mm的圆，填充方式为直线无外框填充，直线边距0.08mm，选择矩阵复制，行和列间距均为0.6mm，设置扫描速度700mm/s，功率100％，频率20kHz，点雕刻时间0.05ms，雕刻次数为1次，将疏水处理后的7075铝板水平放置在雕刻激光的焦点处，周期性条纹方向与要雕刻的填充直线方向一致，开始打样，在7075铝板正面制造直径0.3mm，中心间距0.6mm的圆形亲水区。采用相同参数在7075铝板背面制造相同结构。
参照附图3，经实施例1的制造步骤制造的亲、疏交替分级结构芯片表面为周期性疏水条纹和周期性圆形亲水区域相结合的分级结构，条纹顶部有由于激光热效应产生的纳米颗粒；纳米颗粒在条纹顶部随机分布，形成纳米和亚微米的孔隙，亲水区域表面光滑；顶部的纳米颗粒所围成的孔隙可以产生“钉扎效应”，为冷凝空气提供多个凝结位点，加速冷凝形核，亲水区域可以使空气冷凝形核后快速聚集融合生长，并通过条纹结构传输通道移动滑落，附带融合沿途钉扎的微小冷凝液滴。
实施例2：
A、预处理：依次采用800#、2000#砂纸对7075铝板(40mm×40mm×1mm)抛光，抛光后的7075铝板表面粗糙度Ra为101nm±10nm，可以达到后续处理要求。将7075铝板依次放置于丙酮、无水乙醇和去离子水溶液中超声波各清洗10min，超声功率为80W，以除去表面的微小杂质避免影响后续结构的制备。
B、周期结构制备：在FIB2S-200D激光雕刻机软件中绘制矩形框(尺寸稍大于7075铝板，以确保)，填充方式为直线无外框填充，直线边距0.1mm，将预处理后的7075铝板水平放置在雕刻激光的焦点处，设置扫描速度100mm/s，功率100％，频率20kHz，点雕刻时间0.05ms，雕刻次数为1次，开始打样，在7075铝板正面制造周期性条纹结构，相邻两条纹中心距离为102μm，单个条纹宽64μm，条纹间距36μm。相同方法在7075铝板背面制造相同结构。
C、疏水处理：配置20mL1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷质量分数为1wt％的无水乙醇溶液，浸没刻蚀处理后的7075铝板，氟化处理12h，之后在120℃温度下干燥1h，冷却至室温，形成表面超疏水层。
D、亲水处理：在FIB2S-200D激光雕刻机软件中绘制直径0.3mm的圆，填充方式为直线无外框填充，直线边距0.08mm，选择矩阵复制，行和列间距均为0.6mm，设置扫描速度700mm/s，功率100％，频率20kHz，点雕刻时间0.05ms，雕刻次数为1次，将疏水处理后的7075铝板水平放置在雕刻激光的焦点处，周期性条纹方向与要雕刻的填充直线方向一致，开始打样，在7075铝板正面制造直径0.3mm，中心间距0.6mm的圆形亲水区。采用相同参数在7075铝板背面制造相同结构。
参照附图4，经实施例2的制造步骤制造的亲、疏交替分级结构芯片表面为与实施例1类似的周期性疏水条纹和周期性圆形亲水区域相结合的分级结构。参照附图6，实施例1的结构尺寸对应的集水效率更优。
实施例3：
A、预处理：依次采用800#、2000#砂纸对7075铝板(40mm×40mm×1mm)抛光，抛光后的7075铝板表面粗糙度Ra为101nm±10nm，可以达到后续处理要求。将7075铝板依次放置于丙酮、无水乙醇和去离子水溶液中超声波各清洗10min，超声功率为80W，以除去表面的微小杂质避免影响后续结构的制备。
B、周期结构制造：将Innolas SpitLight 2000Nd:YAG激光器发出的光分为两束偏振方向相同能量相等的干涉激光，两束干涉激光在重合焦点处产生稳定的干涉图样，两束激光夹角为4.2°，激光波长1064nm。将预处理后的7075铝板竖直固定于旋转位移台，利用CCD实时计算两束干涉激光水平照射在芯片表面的光斑形貌圆形度、尺寸以及光斑图像的灰度值，灰度值表征光斑能量，调整旋转位移台位置，记录光斑形貌圆形度最高、尺寸最小，能量最大时旋转位移台的位置参数，此时两束干涉激光恰好对准重合并聚焦在7075铝板正面，设置两束干涉激光的能量均为85mJ，频率10Hz，开始刻蚀，制备周期性条纹结构表面，相邻两条纹中心距离为14.4μm，单个条纹宽9.8μm，条纹间距4.6μm。将旋转位移台旋转180°，采用相同参数刻蚀7075铝板背面，实现7075铝板两面的周期性结构制造。
C、疏水处理：配置20mL1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷质量分数为1wt％的无水乙醇溶液，浸没刻蚀处理后的7075铝板，氟化处理12h，之后在120℃温度下干燥1h，冷却至室温，形成表面超疏水层。
D、亲水处理：无。
参照附图5，经实施例3的制造步骤制造出周期性疏水条纹结构。参照附图6，与实施例1的亲、疏水性结构相互交替周期性分级结构设计相比，单一的周期性疏水条纹结构设计无周期性亲水区域，空气冷凝形核后生长缓慢，从而降低了集水效率。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种便携式空气水收集装置，其特征在于，包括进气装置、集水装置、储水杯(3)和柔性太阳能电池(4)；进气装置包括进气网罩(1-1)、空气滤网(1-2)和进气风扇(1-3)；集水装置包括网式加热翅片(2-1)、导热管(2-2)、散热器(2-3)、集水耦合芯片组(2-4)、半导体制冷片(2-5)、冷板(2-6)、出气口(2-8)和水过滤膜(2-9)；所述进气网罩(1-1)放置在进气装置顶部，空气滤网(1-2)固定在进气网罩(1-1)下方，所述进气风扇(1-3)固定在空气滤网(1-2)下方，所述网式加热翅片(2-1)固定在进气风扇(1-3)下方，所述散热器(2-3)上部固定连接有导热管(2-2)，网式加热翅片(2-1)与导热管(2-2)相连，散热器(2-3)与半导体制冷片(2-5)热端连接，所述半导体制冷片(2-5)的冷端与冷板(2-6)连接，冷板(2-6)与集水耦合芯片组(2-4)连接，所述水过滤膜(2-9)位于集水装置底部，所述水过滤膜(2-9)上方开有出气口(2-8)，所述储水杯(3)与集水装置连接，所述柔性太阳能电池(4)固定连接于储水杯(3)外壁。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集水耦合芯片组(2-4)包括1～8片如下芯片，所述芯片为亲、疏交替分级结构芯片，每个亲、疏交替分级结构芯片具有彼此相反的第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面均为亲水性结构、疏水性结构相互交替的周期性分级结构；优选地，下层结构为周期性疏水条纹结构，上层结构为周期性圆形亲水区域，圆形亲水区域为光滑表面；
优选地，所述周期性疏水条纹结构中相邻两条纹中心距离为12～20μm，单个条纹宽8.4～13.6μm，条纹间距3.6～6.4μm；
优选地，所述周期性圆形亲水区域中相邻两亲水圆形区中心间距0.5～0.7mm，单个亲水圆形区直径0.25～0.35mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集水耦合芯片组(2-4)、冷板(2-6)和半导体制冷片(2-5)彼此平行，中心对齐，集水耦合芯片组(2-4)与冷板(2-6)贴合，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)贴合。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集水耦合芯片组(2-4)一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)，集水耦合芯片组(2-4)另一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)；集水耦合芯片组(2-4)与两端的冷板(2-6)垂直连接，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)连接，半导体制冷片(2-5)与散热器(2-3)连接，两端的散热器(2-3)通过各自的导热管(2-2)与网式加热翅片(2-1)连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集水耦合芯片组(2-4)一端固定有冷板(2-6)、半导体制冷片(2-5)和散热器(2-3)，集水耦合芯片组(2-4)与冷板(2-6)垂直连接，冷板(2-6)与半导体制冷片(2-5)连接，半导体制冷片(2-5)与散热器(2-3)连接，散热器(2-3)通过导热管(2-2)与网式加热翅片(2-1)连接，每个亲、疏交替分级结构芯片彼此平行，间距不低于0.5cm。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，集水耦合芯片组(2-4)的总表面积与半导体制冷片(2-5)的功率关系为：
S＝9.6*δexp(0.17*P)；
S为集水耦合芯片组(2-4)的总表面积，单位平方厘米，P为制冷片总功率，单位为瓦，1.5<δ<2.5；
此关系式用于集水耦合芯片组(2-4)总表面积不大于300cm2，单个芯片厚度不超过1.5mm的情况，δ根据集水耦合芯片组(2-4)的制冷温度取值，制冷温度越低，δ取值越大。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，集水耦合芯片组(2-4)的总表面积与半导体制冷片(2-5)的功率关系为：
S＝124.9*δsin(0.026*P)；
S为集水耦合芯片组(2-4)的总表面积，单位平方厘米，P为制冷片总功率，单位为瓦，1.5<δ<2.5；
此关系式用于集水耦合芯片组(2-4)总表面积不大于300cm2，单个芯片厚度不超过1.5mm的情况，δ根据集水耦合芯片组(2-4)的制冷温度取值，制冷温度越低，δ取值越大。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，利用半导体制冷片(2-5)一端制冷另一端制热的原理将空气在接触集水耦合芯片组(2-4)之前加热升温，降低露点温度，同时为半导体制冷片热端散热；
优选地，半导体制冷片(2-5)与集水装置内侧壁之间粘贴有隔热棉板(2-7)，冷板(2-6)与集水装置内侧壁之间粘贴有隔热棉板(2-7)，半导体制冷片(2-5)热端与散热器(2-3)之间涂有导热材料，半导体制冷片(2-5)冷端与冷板(2-6)之间涂有导热材料；
优选地，所述出气口(2-8)位于水过滤膜(2-9)上部，靠近半导体制冷片(2-5)一侧的下部，远离集水耦合芯片组(2-4)；
优选地，所述进气网罩(1-1)直径大于空气滤网(1-2)直径；
优选地，所述网式加热翅片(2-1)位于进气风扇与集水耦合芯片组(2-4)之间靠近进气风扇(1-3)的下部。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述亲、疏交替分级结构芯片通过如下方法制备：
(1)对金属板进行预处理；
(2)在预处理后的金属板表面制备周期性结构；
(3)对步骤(2)所得的金属板进行疏水处理，形成表面疏水层；
(4)对步骤(3)所得的金属板进行亲水处理，形成表面亲水区；
优选地，所述金属板为铝、铝合金、铜合金或钛合金材料；
优选地，步骤(2)中，采用激光干涉直写或者激光雕刻在金属板表面制备周期性疏水条纹结构。
10.一种便携式空气水收集方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的装置，包括如下步骤：柔性太阳能电池(4)为进气风扇(1-3)和半导体制冷片(2-5)供能，半导体制冷片(2-5)将集水耦合芯片组(2-4)降温至1～6℃，空气经进气风扇(1-3)抽吸进入进气网罩(1-1)，经空气滤网(1-2)过滤后，与网式加热翅片(2-1)的三层加热网接触，加热升温，降低露点温度，热空气继续向下遇到冷的集水耦合芯片组(2-4)，由于亲、疏交替分级表面结构和冷热温差的双重作用，空气冷凝成液滴，冷凝液滴从芯片表面滑落由水过滤膜(2-9)进一步过滤后汇入储水杯(3)，空气由出气口(2-8)排出。
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