節能型太陽能空氣制水器的實驗研究

錢一聰+嚴世勝+李明洋+宴輔璋+賀天昊

【摘 要】為了解決海島、沙漠等淡水資源短缺和充分利用太陽能的問題，研究一種可直接從空氣中制取飲用水的設備。該設備以太陽能為能源，利用冷凝技術將潮濕的空氣降到露點以下，形成冷凝水匯集到儲水箱中，再經過多級過濾后得到清潔合格的飲用水。設備制水的效率相對較高，在空氣溫度為20～30℃、空氣相對濕度為80%的工況下，每度電可制水約1.6kg。可廣泛應用于海上鉆井平臺、野外探險、大型出海商船和海島旅游勝地等淡水缺乏的地方。

【關鍵詞】空氣制水；太陽能；壓縮機；節省；直飲

中圖分類號： TK519 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）23-0032-002

【Abstract】In order to solve the problem of shortage of fresh water resources such as islands and deserts and make full use of solar energy， a device that can directly obtain drinking water from air is studied. The device uses solar energy as a source of energy and uses condensation technology to reduce the humid air below the dew point to form condensed water which is collected in a storage tank and filtered through multiple stages to obtain clean and acceptable drinking water. Equipment water efficiency is relatively high， the air temperature is 20 ～ 30 ℃， the relative humidity of 80% of the conditions， water can be made about 1.6kg per kWh. Can be widely used in offshore drilling platforms， field expeditions， large merchant marine and island resorts lack of fresh water.

【Key words】Air water； Solar energy； Compressor； Save； Direct drink

0 引言

中國海域中有7000 多個面積在500 平方米以上的海島，總面積接近8萬平方千米，其中400多個島嶼有常住人口3000多萬人[1]。中國的眾多島嶼具有豐富的生物、礦產和能源等自然資源，已成為了近十年國家大力開發的重點地帶。然而，據統計，近八成的中國島嶼地帶淡水資源嚴重缺乏，已成為了制約中國島嶼（如海南西沙群島）開發利用的重要因素。此外，國內水污染行為日趨嚴重，進一步降低了淡水資源的利用率。目前，解決淡水資源短缺問題的主要措施有節約用水、海水淡化等，但是這些措施仍無法有效地解決淡水資源短缺的問題。

空氣制水技術是指利用一定的技術手段把濕空氣中的水分提取出來，凈化消毒后得到安全合格的飲用水，被認為是解決淡水資源短缺問題的有效方法之一，也是近年國內外研究的熱點，我國仍處于起步階段。當前已研制的空氣制水設備普遍存在能耗高，出水效率低的問題。本項目將針對這些問題，探索將太陽能光伏發電應用于空氣制水技術，有效解決空氣制水技術能源供應不足的問題，同時提高和優化制水效率。海南地處高溫潮濕的熱帶地區，且具有豐富的太陽能和海島資源，因此，太陽能空氣制水器的研制具有深遠的科學前沿意義、經濟價值和地方特色。

1 系統設計

1.1 系統結構及原理

太陽能空氣制水器制水器主要由太陽能電池、過充過放保護器、蓄電池、逆變器、控制系統、空氣制水裝置、蓄水箱、水過濾器、增壓水泵、壓力開關和水閥等組成，如圖1所示。

系統原理：太陽能電池板將光能轉化成電能，先通過蓄電池保護器向蓄電池充電，然后經逆變器轉為220V的交流電，向空氣制水裝置、增壓水泵和控制系統供電。當空氣制水器工作時，空氣制水裝置中的冷凝器溫度降低，風機將潮濕的空氣吸到制水裝置中，當潮濕的空氣達到露點時形成水珠匯集到蓄水箱中。為了防止水溢出，水箱中的水位到達設定值時，空氣制水裝置將自動停止工作。水箱與增壓水泵之間有水管相連，當水閥開啟時，水在增壓水泵的增壓下，通過過濾器得到合格的飲用水，而當水閥關閉時，壓力開關中的水壓增大，控制系統將控制增壓水泵停止工作。

1.2 太陽能供電裝置

空氣制水器采用的是太陽能電池板供電，裝置使用2塊英利綠色能源控股有限公司生產的YL250P多晶硅電池，其主要參數如表1。太陽能電池板的基本原理是由太陽電池板進行光電轉換，直接將太陽輻射能轉換為電能[2]。該電池板平均每天約可發電1.5kW·h，電池和逆變器的轉換效率約80%，所以太陽能供電裝置平均每天約可輸出電量1.2kW·h。由于空氣制水機的額定功率為0.185 kW，所以太陽能供電裝置平均每天可供制水器連續工作6.49小時。海南地處熱帶地區，有著充足的光照，提供了該設備運行的能源。

1.3 控制系統

太陽能空氣制水器采用一個CR304單片機將控制功能集于一體的控制系統，還包含總電源開關，逆變器啟動開關，制水裝置啟動按鈕，濕度閾值設定按鈕，壓力開關等。當總電源開關打開和啟動逆變器時，控制系統開始工作，可通過控制面板依據所在地環境設定制水器工作的條件，當條件滿足要求時，制水器自動工作，不滿足要求時，制水器自動停止，從而提高空氣制水器制水的效率。endprint

1.4 空氣制水裝置

空氣制水器主要由空氣過濾裝器，冷凝器，蒸發器，壓縮機和蓄水箱等組成。當空氣濕度達到設定值時，空氣制水裝置自動啟動工作，抽風機工作把室外的濕空氣送到蒸發器中，濕空氣經過蒸發器時被冷卻，溫度降低到露點溫度以下，在蒸發器表面形成凝結水[3-4]，通過導管收集到水箱中儲存。在水箱內有一個水位傳感器，當檢測到水箱內水量少于一定閾值、濕度達到設定值的時候，并且蓄電池電量符合要求時，設備將自動開始工作。而當水量大于一定閾值或蓄電量不足時，停止制水。

1.5 水過濾系統

水過濾系統包括PP棉濾芯、前置顆粒炭濾芯、壓縮活性炭濾芯和后置活性炭四級過濾部分。當水龍頭打開時，增壓水泵自動啟動，水箱中的水依次經過PP棉，前置顆粒炭、壓縮活性炭和后置活性炭，直接輸出合格的飲用水。

過濾系統中的PP棉濾芯主要是由人造化學纖維，聚丙烯材料制成。在過濾系統中作用是前置過濾，去除自來水中粒徑大于 5μm的膠體雜質以及微泥、細菌病毒、有機污染礦物質雜物等，屬于物理截留[5]。過濾系統中的活性炭有非常多的微孔，因而具有很強的吸附能力，能有效地吸附水中的有機污染物。此外，在活化過程中，活性碳表面的非結晶部位形成一些含氧官能團，這些基團使活性碳具有化學吸附和催化氧化、還原性能，能有效去除水中一些金屬離子[6]。前置顆粒炭和壓縮活性炭吸附水中的重金屬小分子有機物，異色異味，后置活性炭進一步過濾水中的異色異味，改善口感。

2 實驗結果及分析

海南的年平均氣溫在23～26℃之間，年平均相對濕度在76%～86%之間[7]。室外空氣的溫度、濕度不僅隨季節變化，而且在同一季節的每晝夜、每時每刻都在變化，導致實驗工況復雜多變[8]。實驗場地選擇在海口市海南師范大學物理樓六樓，分別在空氣濕度為56.1%～79.8%之間的五個工況，環境溫度維持在20～30℃之間進行測試，每1度電的制水量如表2所示。

實驗數據表明，環境溫度在25℃附近，空氣濕度在50%～80%區間時，隨著空氣濕度的上升，制水效率也提高。當環境溫度為25℃附近、空氣濕度為80%附近，空氣制水器制水量會停留在一定的數值附近。因此，在實際應用中，盡量設置相對濕度在70%以上時讓空氣制水器工作，可以選擇一天中的早晨、傍晚環境濕度較高的時間段自動啟動制水。

3 結論

以太陽能發電技術應用在空氣制水器中，能夠合理地利用自然資源，生產出安全清潔、可直接飲用的飲用水。整個裝置低能耗、高效率、結構簡單、無污染，成本相對較低。研究發現，制水效率會隨著濕度的提升而升高。該制水器不僅可以應用于海上鉆井平臺、野外探險、大型出海商船和海島旅游勝地等淡水缺乏的地方，還可以根據不同的環境特點進行改造，如應用于抗震救災特殊條件下的直接飲用水需求。

【參考文獻】

[1]張耀光.中國島嶼經濟體在國家經濟中的作用和地位[J].2013（01）.

[2]關根志，雷娟，吳紅霞，等.太陽能發電技術[J].水電與新能源.2013（01）.

[3]劉玉德，王碩，吳剛，等.空氣制水技術研究現狀及其發展應用[J].自動化應用，2017，（2）：30-32.

[4]劉建勛，臧潤清，趙東，等.空氣制水裝置的性能研究[J].低溫與超導，2015，43（2）：71-75.

[5]楊琳娜.家用活性炭凈水器對飲用水中有機物深度凈化性能研究[D].上海師范大學.2014.4.

[6]蔣莉蓉.家用凈水器技術與其展望[J].中山大學研究生學刊（自然科學醫學版）2016，37（1）：25-34.

[7]蔡大鑫，劉少軍，田光輝，等.海南島旅游氣候資源分析[J].現代農業科技.2010（16）.

[8]陳光明，陳國邦，等.制冷與低溫原理[M].北京：機械工業出版社，2000.endprint