CN114718153A - 一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及沙漠灌溉装置技术领域，特别是涉及一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置及方法。壳体的侧面设置有光伏发电板，光伏发电板用于将收集到的太阳能转换为电能，电磁气密阀设置于所述壳体的侧面，电磁气密阀用于将装置内的气体与外界环境气体进行交换，半导体制冷片设置于所述壳体内部，半导体制冷片用于对装置进行制冷，散热风扇设置于所述壳体的顶端，散热风扇用于对所述半导体制冷片进行散热，储水装置设置于所述壳体的底部，储水装置用于存储来自所述半导体制冷片的水珠。本装置使用电磁气密阀控制外界含水蒸气的空气进入的同时，保证空气不会通过装置漏出，提高了装置的气密性，为结露的形成提供更好的环境。
Description
技术领域
本发明涉及沙漠灌溉装置技术领域，特别是涉及一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置及方法。
背景技术
由于沙漠地区云量少、日照强、降水稀少、空气湿度小、缺乏植被覆盖，沙漠边缘地区的夏季最高气温经常超过40℃，地表在强太阳辐射下低层空气增温加剧。太阳辐射的年总辐射量为6000～6200MJ/m2，比同纬度地区高10％以上。沙漠多风、气温高、相对湿度小，因此蒸发力非常旺盛。如塔克拉玛干沙漠和吐哈地区是我国降水最少、最干旱的地区，全区年降水量普遍在5mm以下，而年蒸发量达3000mm以上，为年降水量的100倍；同时由于降水量稀少，全年相对湿度很低，区内相对湿度多在40％～55％，不少地方相对湿度在30％左右。因此，希望通过利用沙漠现有的大量自然资源以及目前人类所拥有的科学技术对沙漠的自由水分进行收集并加以利用。
现有技术中缺少用于沙漠中的灌溉装置，因此需要提供一种对于植物灌溉，尤其是对极端地区取水与人类生活有着极大的影响的灌溉装置。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置及方法，用于解决现有技术中缺少用于沙漠中的灌溉装置的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，包括：
壳体，其侧面设置有光伏发电板，所述光伏发电板用于将收集到的太阳能转换为电能；
电磁气密阀，其设置于所述壳体的侧面，所述电磁气密阀用于将装置内的气体与外界环境气体进行交换；
半导体制冷片，其设置于所述壳体内部，所述半导体制冷片用于对装置进行制冷；
散热风扇，其设置于所述壳体的顶端，所述散热风扇用于对所述半导体制冷片进行散热；
储水装置，其设置于所述壳体的底部，所述储水装置用于存储来自所述半导体制冷片的水珠。
在本发明的一实施例中，所述基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置还包括：
支架，其连接所述壳体和所述光伏发电板，所述支架用于支撑所述光伏发电板。
在本发明的一实施例中，所述光伏发电板设置三个，三个所述光伏发电板分别安装于所述壳体的三个侧面，所述电磁气密阀设置于所述壳体的另一个侧面。
在本发明的一实施例中，所述半导体制冷片包括冷端和热端，所述冷端和热端之间设置有N型及P型半导体，所述冷端连接有中央处理器，所述热端连接散热片，所述散热片靠近散热风扇。
在本发明的一实施例中，所述壳体的内部依次设置有有机玻璃层、隔热层。
本发明还提供一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法，所述基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法包括上述的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，所述沙漠灌溉方法包括：
S1、通过所述光伏发电板将太阳能转换为电能，并将电能分别输送至电磁气密阀、散热风扇和半导体制冷片；
S2、通过所述电磁气密阀将装置内的气体与外界环境气体进行交换；
S3、计算所述半导体制冷片的制水量；
S4、计算所述半导体制冷片的耗能；
S5、根据所述制水量和耗能，所述半导体制冷片降温形成需要数量的水珠；
S6、所述储水装置存储来自所述半导体制冷片的水珠。
在本发明的一实施例中，所述步骤S3中的计算所述半导体制冷片的制水量包括：
所述半导体制冷片的制水量的公式为：M＝Vρ(d1-d2)；
其中，M表示凝结水的质量，V表示电磁气密阀的送风量，ρ表示实时空气密度，d1表示电磁气密阀的入风口空气的含湿量，d2表示电磁气密阀的排风口空气的含湿量；
其中，
h1表示空气通过电磁气密阀的入风口的焓，h2表示空气通过电磁气密阀的排风口的焓，t2表示空气离开电磁气密阀的排风口的温度；
其中，
Q0表示半导体制冷片的制冷量。
在本发明的一实施例中，所述步骤S4中的计算所述半导体制冷片的耗能包括：
所述半导体制冷片的散热量△Q包括散热风扇的排热量Q1、壳体的漏热量Q2；
Q2＝kAΔT，
其中，A表示壳体的外表面积，k表示总传热系数(w/㎡k)，h表示壳体的外表面与环境空气的对流换热系数，δ1表示壳体的隔热层的厚度(m)，δ2表示壳体的有机玻璃层的厚度(m)，λ1表示壳体的隔热层的导热系数(w/(m·k))，λ2表示壳体的有机玻璃层的导热系数(w/(m·k))，△T表示壳体内与壳体外的温度差；
其中，壳体的外表面与环境空气的对流换热系数
其中，u表示空气掠过壳体表面的风速(m/s)，L表示空气掠过壳体表面的长度(m)，μ表示空气的运动粘度(m2/s)，Re表示雷诺系数，Pr表示普朗特系数，Nu表示努赛尔系数。
散热风扇的排热量Q1＝2×Q2；
半导体制冷片的散热量△Q＝Q1+Q2。
如上所述，本发明的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置及方法，具有以下有益效果：
本发明的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置环保节能，不仅对于植物灌溉，更是对极端地区取水与人类生活有着极大的影响，本装置使用电磁气密阀控制外界含水蒸气的空气进入的同时，保证空气不会通过装置漏出，提高了装置的气密性，为结露的形成提供更好的环境。
本发明为全自动装置，同时通过对太阳能的利用使得对人类取水，所需要的能源的损耗降低，沙漠太阳辐射的充足保证了装置的持续运作。本发明所需材料轻便简单，利于携带，沙漠居民可通过将装置集中搬运至某取水点，集中取水，利用地下管道连接至植被处，从而实现对沙漠植被的灌溉与防风固沙。
附图说明
图1为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的结构图。
图2为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的剖视图。
图3为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的半导体制冷片的示意图。
图4为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法的工作流程图。
图5为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的进风空气在50℃下不同相对湿度下的制取水量曲线图。
图中的附图标记含义如下：
1-光伏发电板 2-电磁气密阀
3-半导体制冷片 4-散热风扇
5-储水装置 6-壳体
7-支架 31-冷端
32-热端 33-N型及P型半导体
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1、图2，图1为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的结构图。图2为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的剖视图。本发明提供一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，包括光伏发电板1、电磁气密阀2、半导体制冷片3、散热风扇4、储水装置5、壳体6、支架7。所述壳体6的侧面设置有光伏发电板1，所述光伏发电板1用于将收集到的太阳能转换为电能，电磁气密阀2设置于所述壳体6的侧面，所述电磁气密阀2用于将装置内的气体与外界环境气体进行交换，所述半导体制冷片3设置于所述壳体6内部，所述半导体制冷片3用于对装置进行制冷，所述散热风扇4设置于所述壳体6的顶端，所述散热风扇4用于对所述半导体制冷片3进行散热，所述储水装置5设置于所述壳体6的底部，所述储水装置5用于存储来自所述半导体制冷片3的水珠。所述支架7连接所述壳体6和所述光伏发电板1，所述支架7用于支撑所述光伏发电板1。所述光伏发电板1设置三个，三个所述光伏发电板1分别安装于所述壳体6的三个侧面，所述电磁气密阀2设置于所述壳体6的另一个侧面。所述壳体6的内部依次设置有有机玻璃层、隔热层。
具体的，本基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置将收集到的太阳能通过光伏发电板1即为太阳能板转换为电能，由导线将电能分别输送至本装置上方的散热装置中的散热风扇4和壳体6中的四块半导体制冷片3。所述壳体6的三面是三个支架7所支撑着的三块光伏发电板1，确保白天太阳光线的利用率。另一面通过电磁气密阀2将空气运输进入腔体后，关闭电磁气密阀2，保证装置的密闭环境，电磁气密阀2采用脉冲式，即保证空气周期性进入。气体接触到腔体内部的半导体制冷片3的制冷面迅速降温结露成为液态水珠，当水珠凝聚后在重力的影响下滴落入装置最底部的储水装置5。上方的散热风扇4则对半导体制冷片3的制热面进行散热。在半导体制冷片3上的小水珠凝聚愈大之后，水珠重量增大，凝聚后的水珠受到重力的影响下掉落到装置下方的储水装置5中。
具体的，本发明通过电磁气密阀2实现空气发生场所与外界环境的气体交换。沙漠白天含有水蒸气的不饱和热空气将通过一面的气体交换孔自然充斥进腔体内，接触到腔体内部的半导体制冷片3的制冷面迅速降温结露成液态水珠，当水珠凝聚后在重力的影响下滴落入装置最底部的储水装置5。
请参阅图3，图3为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的半导体制冷片的示意图。所述半导体制冷片3包括冷端31和热端32，所述冷端31和热端32之间设置有N型及P型半导体33，所述冷端31连接有中央处理器，所述热端32连接散热片，所述散热片靠近散热风扇4。具体的，半导体材料具有一种重要特性，当在其中掺入一定量的杂质后，能够极大地改善半导体材料的导电能力。且掺入不同的杂质能够使半导体材料呈现不同的特性。根据掺入杂质后半导体材料载流子放出自由电子还是形成“空穴”，能够把半导体材料分为N型半导体和P型半导体。一个由P型半导体材料形成的电偶臂与一个由N型半导体材料形成的电偶臂通过金属电桥连接在一起，就构成了一个热电偶，即半导体制冷器的基本结构单元。当有直流电通过热电偶内部时，在外加电场的作用下，N型半导体中的自由电子和P型半导体中的空穴会按照一定的方向开始运动，而载流子在金属内的势能低于半导体，当空穴沿电流方向从金属电桥进入P型半导体时，热电偶冷端需要吸收热量，而当空穴流经P型半导体离开进入金属片时，热电偶热端需要释放热量。同样，当电子沿电流相反方向从金属电桥进入N型半导体时，热电偶冷端需要吸收热量，而当电子流经N型半导体进入金属片时，热电偶热端需要释放热量，从而实现能量转换与热量传递过程。当众多热电偶依次串联在一起，就构成了半导体制冷器。
请参阅图4，图4为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法的工作流程图。本发明还提供一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法，所述基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法包括上述的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，所述沙漠灌溉方法包括：步骤S1、通过所述光伏发电板1将太阳能转换为电能，并将电能分别输送至电磁气密阀2、散热风扇4和半导体制冷片3。步骤S2、通过所述电磁气密阀2将装置内的气体与外界环境气体进行交换。步骤S3、计算所述半导体制冷片3的制水量。步骤S4、计算所述半导体制冷片3的耗能。步骤S5、根据所述制水量和耗能，所述半导体制冷片3降温形成需要数量的水珠。步骤S6、所述储水装置5存储来自所述半导体制冷片3的水珠。
具体的，所述步骤S3中的计算所述半导体制冷片3的制水量包括：
所述半导体制冷片3的制水量的公式为：M＝Vρ(d1-d2)；
其中，M表示凝结水的质量，V表示电磁气密阀2的送风量，ρ表示实时空气密度，d1表示电磁气密阀2的入风口空气的含湿量，d2表示电磁气密阀2的排风口空气的含湿量；
其中，
h1表示空气通过电磁气密阀2的入风口的焓，h2表示空气通过电磁气密阀2的排风口的焓，t2表示空气离开电磁气密阀2的排风口的温度；
其中，
Q0表示半导体制冷片3的制冷量。
请参阅图5，图5为本申请实施例提供的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置的进风空气在50℃下不同相对湿度下的制取水量曲线图。假设进风温度为50℃时，相对湿度分别为10％，14％，18％，22％，26％条件下进行一小时稳定测试。
具体的，所述步骤S4中的计算所述半导体制冷片3的耗能包括：
所述半导体制冷片3的散热量△Q包括散热风扇4的排热量Q1、壳体6的漏热量Q2；
Q2＝kAΔT，
其中，A表示壳体6的外表面积，k表示总传热系数(w/㎡k)，h表示壳体6的外表面与环境空气的对流换热系数，δ1表示壳体6的隔热层的厚度(m)，δ2表示壳体6的有机玻璃层的厚度(m)，λ1表示壳体6的隔热层的导热系数(w/(m·k))，λ2表示壳体6的有机玻璃层的导热系数(w/(m·k))，△T表示壳体6内与壳体6外的温度差；
其中，壳体6的外表面与环境空气的对流换热系数
其中，u表示空气掠过壳体6表面的风速(m/s)，L表示空气掠过壳体6表面的长度(m)，μ表示空气的运动粘度(m2/s)，Re表示雷诺系数，Pr表示普朗特系数，Nu表示努赛尔系数。
散热风扇4的排热量Q1＝2×Q2；
半导体制冷片3的散热量△Q＝Q1+Q2。
在本发明中，所述壳体6的基本尺寸可以但不限于为：0.15m×0.15m×0.07m，
计算时，取λ1＝0.01w/(m·k)，λ2＝0.5w/(m·k)
在30℃标准大气压下，空气的物理特性如下表1所示：
表1：空气物理特性
| 温度(℃) | Pr | λ(w/m·k) | V(m<sup>2</sup>/s) |
| 30 | 0.701 | 0.0267 | 16×10<sup>-6</sup> |
计算得出：壳体6外表面积：A＝0.0765m2，K＝1.29w/(m2·k)，壳体6内外的温差：△T＝15K，壳体6的漏热量：Q2＝15×1.29×0.0765＝1.480275W，Q1＝2×Q2＝2.96055W，半导体制冷片3的散热量△Q＝Q1+Q2＝4.440825W。
综上所述，本发明的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置环保节能，不仅对于植物灌溉，更是对极端地区取水与人类生活有着极大的影响，本装置使用电磁气密阀控制外界含水蒸气的空气进入的同时，保证空气不会通过装置漏出，提高了装置的气密性，为结露的形成提供更好的环境。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，其特征在于，包括：
壳体(6)，其侧面设置有光伏发电板(1)，所述光伏发电板(1)用于将收集到的太阳能转换为电能；
电磁气密阀(2)，其设置于所述壳体(6)的侧面，所述电磁气密阀(2)用于将装置内的气体与外界环境气体进行交换；
半导体制冷片(3)，其设置于所述壳体(6)内部，所述半导体制冷片(3)用于对装置进行制冷；
散热风扇(4)，其设置于所述壳体(6)的顶端，所述散热风扇(4)用于对所述半导体制冷片(3)进行散热；
储水装置(5)，其设置于所述壳体(6)的底部，所述储水装置(5)用于存储来自所述半导体制冷片(3)的水珠。
2.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，其特征在于，所述基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置还包括：
支架(7)，其连接所述壳体(6)和所述光伏发电板(1)，所述支架(7)用于支撑所述光伏发电板(1)。
3.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，其特征在于：所述光伏发电板(1)设置三个，三个所述光伏发电板(1)分别安装于所述壳体(6)的三个侧面，所述电磁气密阀(2)设置于所述壳体(6)的另一个侧面。
4.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，其特征在于：所述半导体制冷片(3)包括冷端(31)和热端(32)，所述冷端(31)和热端(32)之间设置有N型及P型半导体(33)，所述冷端(31)连接有中央处理器，所述热端(32)连接散热片，所述散热片靠近散热风扇(4)。
5.根据权利要求1所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，其特征在于：所述壳体(6)的内部依次设置有有机玻璃层、隔热层。
6.一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法，其特征在于，所述基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法包括权利要求1至权利要求5任意一项所述的基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉装置，所述沙漠灌溉方法包括：
S1、通过所述光伏发电板(1)将太阳能转换为电能，并将电能分别输送至电磁气密阀(2)、散热风扇(4)和半导体制冷片(3)；
S2、通过所述电磁气密阀(2)将装置内的气体与外界环境气体进行交换；
S3、计算所述半导体制冷片(3)的制水量；
S4、计算所述半导体制冷片(3)的耗能；
S5、根据所述制水量和耗能，所述半导体制冷片(3)降温形成需要数量的水珠；
S6、所述储水装置(5)存储来自所述半导体制冷片(3)的水珠。
7.根据权利要求6所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法，其特征在于，所述步骤S3中的计算所述半导体制冷片(3)的制水量包括：
所述半导体制冷片(3)的制水量的公式为：M＝Vρ(d1-d2)；
其中，M表示凝结水的质量，V表示电磁气密阀(2)的送风量，ρ表示实时空气密度，d1表示电磁气密阀(2)的入风口空气的含湿量，d2表示电磁气密阀(2)的排风口空气的含湿量；
其中，
h1表示空气通过电磁气密阀(2)的入风口的焓，h2表示空气通过电磁气密阀(2)的排风口的焓，t2表示空气离开电磁气密阀(2)的排风口的温度；
其中，
Q0表示半导体制冷片(3)的制冷量。
8.根据权利要求7所述的一种基于半导体制冷结露原理的沙漠灌溉方法，其特征在于，所述步骤S4中的计算所述半导体制冷片(3)的耗能包括：
所述半导体制冷片(3)的散热量△Q包括散热风扇(4)的排热量Q1、壳体(6)的漏热量Q2；
Q2＝kAΔT，
其中，A表示壳体(6)的外表面积，k表示总传热系数(w/㎡k)，h表示壳体(6)的外表面与环境空气的对流换热系数，δ1表示壳体(6)的隔热层的厚度(m)，δ2表示壳体(6)的有机玻璃层的厚度(m)，λ1表示壳体(6)的隔热层的导热系数(w/(m·k))，λ2表示壳体(6)的有机玻璃层的导热系数(w/(m·k))，△T表示壳体(6)内与壳体(6)外的温度差；
其中，壳体(6)的外表面与环境空气的对流换热系数
其中，u表示空气掠过壳体(6)表面的风速(m/s)，L表示空气掠过壳体(6)表面的长度(m)，μ表示空气的运动粘度(m2/s)，Re表示雷诺系数，Pr表示普朗特系数，Nu表示努赛尔系数。
散热风扇(4)的排热量Q1＝2×Q2；
半导体制冷片(3)的散热量△Q＝Q1+Q2。
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