基于多種仿生原理的水汽凝結器的研究

陳友升 牛通之 李小寧 趙祉昕 降帥 楊時煒

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

基于多種仿生原理的水汽凝結器的研究

陳友升 牛通之 李小寧 趙祉昕 降帥 楊時煒

（武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070）

在一些邊遠的山區、海島等地區，水資源及其稀少。一些進化出可從稀薄而潮濕的空氣中收集水的機制的生物可在干旱的環境中生存，利用這些生物特有的機構對海島、邊遠山區等地區的霧氣進行收集、利用可得到可觀的淡水資源。因此我們利用沙漠甲蟲、仙人掌和豬籠草的特殊微觀結構自主設計了基于多種仿生原理的水汽凝結器，其集水效果顯著。

仿生 水汽 凝結

1　整體設計

為實現在高濕度環境下高效連續的水汽收集，首先仿照“凝結—聚集—傳輸—吸收”的集水過程，對不同材料的集水網的集水效果進行觀察和研究，選出凝水性能最好的集水網。同時，本項目采用半導體降溫冷凝的方式，提高空氣凝水效率。制冷模塊的能量由太陽能發電系統提供，該裝置主要由水汽收集模塊、機械模塊、太陽能供電模塊、半導體制冷模塊組成。

2　水汽集水模塊

水汽收集模塊主要以捕霧網為載體，仿照仿沙漠甲蟲崎嶇不平的殼、仙人掌上刺的不對稱結構和豬籠草光滑表面的微觀特征對空氣中的水汽進行高效的收集。

沙漠甲蟲的高效集水原理在于，霧氣中的小水滴最先聚集在甲蟲背部的親水麻點上并不斷積聚增大，當增大到一定程度時，水珠的重量對接觸面積的比例增大，毛細管張力抓不住這些水珠時水珠下落，順勢在甲蟲鞘翅表面的疏水凹槽中流動，最后流入甲蟲嘴中。甲蟲背部單獨的幾何形狀凸塊可便于凝結水滴，當水滴在凹凸不平的表面凝結后通過模仿仙人掌的非對稱結構，在拉普拉斯力的作用下將刺狀尖端部分的水滴聚集到根部從而形成更大的水滴，加快水汽收集速度。

拉普拉斯壓力是指曲面所受的內外壓力差，這一壓力差是由于液體的表面張力引起的，由楊-拉普拉斯公式推導出拉普拉斯壓強為：

式中 R-----局部半徑（m）（R1、R2錐刺上的液滴的兩個相對側的局部半徑）；

R0-----液滴直徑（m）；

α-----半頂角（°）；

dz-----增量半徑（m）；

γ-----表面張力（N）；

仙人掌刺狀尖端局部半徑比其根部半徑小，由以上公式可以得知：仙人掌刺狀尖端的拉普拉斯壓力比根部大，從而使小水珠獲得從尖端移動到根部的的驅動力，并在水珠的移動過程中加快水珠的聚集，提高水珠在網面上的收集效率，更快形成可滑落的大液滴。小水珠從尖端移動到底部的同時也為下一次的水滴凝結提供充足的空間。

3　機械模塊

本裝置采用0-105度，13檔可調的角度調節器對三張集水網面的角度和方向進行調節。首先通過風速儀時事測量風速大小和方向，根據測得的數值對網面進行相應的調節。三張網面通過調節可形成三種不同的組合狀態，從而使網面始終處于迎風方向，提高網面捕霧的效率。

4　太陽能供電模塊

為了實現裝置的能源自給，本裝置利用太陽能為各個部件供能。本作品采用12V，8A的太陽能電池板收集太陽能，為整個裝置提供能量?？紤]到水泵等負載的間歇性工作及太陽能能源受天氣影響的原因，我們使用12V 8A硅蓄電池和太陽能電池板控制器，儲存收集到的太陽能，在裝置工作時釋放電能。

5　半導體制冷模塊

為了實現有效的制冷，采用半導體制冷的方式，具有作用速度快，工作可靠，使用壽命長，尺寸小，對環境無污染等優點。半導體制冷模塊由TEC1-12706半導體制冷片、風扇、鋁片式散熱板、調壓電路組成。半導體制冷片利用珀爾帖效應來導致半導體兩面產生溫差，熱面經過散熱板、風扇等散熱措施保證常溫，冷面即可達到制冷效果。為了達到網面降溫的效果，本裝置采用水循環的方式在水泵的工作下，將水箱中經制冷模塊降溫的冷水帶到仿生捕霧網的網面，冷水通過一定間隔的導冷鋁管，最后再返回制冷水箱。該模塊最高制冷功率可達60W，經實驗測得可實現集水網網面8℃～9℃的降溫。

6　設計優勢

（1）利用沙漠甲蟲、仙人掌和豬籠草的特殊微觀結構進行三重仿生，提高集水效率；（2）利用太陽能供電，采用新型硅蓄電池可實現自給自足，集水過程綠色、清潔、無污染。（3）采用半導體制冷增大溫差，提高水汽的凝結效率。

7　結語

裝置將空氣中含有的隱性水資源轉化為顯性的可利用的水資源，簡單低耗，可應用于海島、船舶、多霧山區等空氣濕度高但淡水資源匱乏的地區，有望成為解決水資源危機的有效途徑，同時為設計開發連續高效的霧水收集器提供了新思路，為緩解世界水資源危機提供了出路。

［1］Ju，Jie，Bai，Hao，Zheng，Yongmei，Zhao，Tianyi，Fang，Ruochen，Jiang，Lei.（2012）.A multi-structural and multi-functional integrated fog collection system in cactus.Nature Communications，3，1247.

［2］夏青.仿生設計在工業設計領域的困境及策略分析［J］.無線互聯科技，2015，01：115.

［3］國外海水淡化發展現狀、趨勢及啟示［J］.中國經貿導刊，2006（12）.