一種便攜式的太陽能空氣取水器

作者/伍芷儀，常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校

一種便攜式的太陽能空氣取水器

作者/伍芷儀，常德芷蘭實(shí)驗(yàn)學(xué)校

針對(duì)孤立的環(huán)境下安全飲水的不易,以太陽能為主要能源，使用半導(dǎo)體來達(dá)到制冷的目的，從空氣當(dāng)中利用溫差回退冷卻法得到空氣中產(chǎn)生的冷凝水，經(jīng)過過濾之后就可以直接飲用。給在高山、戈壁、荒漠等淡水資源匱乏的地方解決應(yīng)急水源。

便攜；節(jié)能；溫差；冷凝

前言

水資源是人類生活及生產(chǎn)活動(dòng)的基礎(chǔ)所在，但是，淡水資源缺乏的問題一直都是世界性的難題，根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，全世界大約有12億人口無法喝到干凈的飲用水。其中，我們國家的人均淡水資源就非常的少，特別是在高山、戈壁、荒漠等地方淡水資源更加匱乏，應(yīng)考慮發(fā)展一種能夠就地保障的供水技術(shù)。特別是當(dāng)今扶貧政策驅(qū)動(dòng)下，國家對(duì)保障群眾的安全飲水提出了要求，以往傳統(tǒng)的供水方式已經(jīng)無法有效的滿足用水的要求，怎么才能夠找到新的途徑來得到更多的淡水資源，是現(xiàn)階段主要研究的一個(gè)難題?？蒲腥藛T經(jīng)過大量的研究表明，能夠從大氣當(dāng)中汲取水分利用氣取水技術(shù)來獲得淡水資源。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)太陽能空氣取水器的便攜，使系統(tǒng)更廣泛用于孤立的環(huán)境和安全飲水等領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)如圖1所示?？諝馊∷畣卧褪抢冒雽?dǎo)體制冷片產(chǎn)生的Peltier效應(yīng)，利用太陽能供電裝置提供的電能來達(dá)到制冷的效果，使水蒸氣遇冷就會(huì)凝結(jié)成水。系統(tǒng)主要包括折疊式（或薄膜式）太陽能板、程控電源、半導(dǎo)體制冷器、吸風(fēng)扇、結(jié)霜器、化霜器、集水器和凈水器等部份。

圖1 太陽能空氣取水器硬件結(jié)構(gòu)圖

半導(dǎo)體制冷就是通過Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電經(jīng)過P型、N型半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端位置就能夠分別吸收熱量以及放出熱量，而吸收的熱量面就能夠達(dá)到制冷的效果。半導(dǎo)體制冷片的優(yōu)點(diǎn)就是，結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶非的方便，能夠按照用戶的需求做成微型的制冷裝置。

折疊式（或薄膜式）太陽能板是一種便于攜帶，通過光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在自然界中，太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，通過折疊式（或薄膜式太陽能板在目的地將太陽能轉(zhuǎn)換成電能后給半導(dǎo)體制冷器供電。

程控電源主要將太陽能板的電能輸出適配調(diào)整到半導(dǎo)體制冷器件使用，與此同時(shí)擴(kuò)展應(yīng)用，接入市電，將市電適配調(diào)整至半導(dǎo)體制冷器件使用。

結(jié)霜器采用環(huán)形散熱圓錐片，以最大與空氣接觸面積為目的，與半導(dǎo)體制冷器接觸將溫度傳導(dǎo)到結(jié)霜器的外片，達(dá)到將空氣中的水份凝聚成霜，進(jìn)而化霜成水。

化霜器與結(jié)霜器配套，通過溫度調(diào)節(jié)將結(jié)霜器上的凝霜化成水。再由集水器將空氣中取的水集結(jié)起來。凈水器將集水器中的水凈化后供人們飲水使用。

■1.2 工作原理

工作原理就是利用太陽能為能源，通過半導(dǎo)體制冷，利用冷卻法從空氣當(dāng)中得到冷凝水，經(jīng)過過濾之后就可以飲用。

1.2.1 半導(dǎo)體制冷基本原理

從原理方面說就是，半導(dǎo)體制冷片是傳遞熱的一種工具。如果一塊N型半導(dǎo)體材料與一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過的時(shí)候，那么兩端就會(huì)使得熱量產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而出現(xiàn)溫差就會(huì)形成冷熱端。但是，半導(dǎo)體自身也有電阻的存在，如果電流經(jīng)過半導(dǎo)體的時(shí)候多多少少也會(huì)產(chǎn)生一些熱量，這就會(huì)對(duì)熱傳遞有一定程度的影響。并且兩個(gè)極板之間的熱量就會(huì)通過材料自身產(chǎn)生逆向熱傳遞。如果冷熱端達(dá)到一定溫差的時(shí)候，那么這兩種熱傳遞的量保持相等的情況下，就會(huì)達(dá)到相對(duì)平衡的點(diǎn)，產(chǎn)生的熱傳遞也會(huì)抵消。這個(gè)時(shí)候的冷熱端溫度也不會(huì)在出現(xiàn)變化。

風(fēng)扇還有散熱片主要的作用就是確保制冷片保持散熱一般情況下，半導(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差能夠達(dá)到40到65度之間，而利用主動(dòng)散熱的方式能夠有效的降低熱端溫度，那么冷端的溫度也會(huì)跟著降低，使得溫度慢慢的下降。

半導(dǎo)體熱電偶主要的組成部分就是N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體。如果N型半導(dǎo)體材料與P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)的時(shí)候，在這個(gè)電路當(dāng)中接通直流電流，就會(huì)使得能量產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。

在電偶的兩端就能夠分別對(duì)熱量以及放出的熱量進(jìn)行吸收，在對(duì)熱量面進(jìn)行吸收的時(shí)候從而達(dá)到制冷的效果。電流的大小和半導(dǎo)體材料的元件對(duì)數(shù)直接關(guān)系到吸熱及放熱的大小。

Q=π·I=a·Tc·I ，其中 =a·Tc。

在這個(gè)公式當(dāng)中：Q是放熱或著是吸熱功率、是比例系數(shù)，也可以稱作珀?duì)柼禂?shù)、I是工作電流、a是溫差電動(dòng)勢(shì)、Tc表示為冷接點(diǎn)溫度。

半導(dǎo)體制冷片對(duì)于空氣取水單元來說是最為重要的一個(gè)部件，采用性能較好的材料就對(duì)取水的效果有直接的影響。對(duì)于現(xiàn)階段市面當(dāng)中出現(xiàn)的制冷片，本文就選擇了廠家生產(chǎn)的TEC1–12705制冷片來作為例子，其型號(hào)說明如下表1所示。

表1 TEC1-12705制冷片型號(hào)說明

1.2.2 太陽能供電單元

太陽能供電單元組成部分主要由光伏組件、控制器以及蓄電池等組成。太陽能光伏組件就是把太陽能轉(zhuǎn)化成電能，之后再利用逆變器與控制器等為空氣取水單元提供需要的電能。

為了便攜組合方便，選擇拆裝簡(jiǎn)易、移動(dòng)方便的12V/100W太陽能柔性電池板, 太陽能控制器能夠?qū)φ麄€(gè)太陽能電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，并且能夠?qū)?2V/100AH的蓄電池起到過充電保護(hù)和過放電保護(hù)的效果。

在對(duì)功率進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)盡量加強(qiáng)太陽能光伏電池板，使得半導(dǎo)體制冷功率達(dá)到最大化。

1.2.3 結(jié)霜器與過濾器

結(jié)霜器的表面非常光滑，主要是由導(dǎo)熱效率比較好的材料制作的，這樣才能夠確?？諝猱?dāng)中的水蒸氣經(jīng)過的時(shí)候可以最有效的冷凝[3]。

想要在低溫條件當(dāng)中得到冷凝水是非常難的，而半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍為–130℃～90℃之間。我們就可以利用半導(dǎo)體溫差電片件的熱端產(chǎn)生的熱量來預(yù)熱進(jìn)風(fēng)口的冷空氣，再冷凝從而得到其中的冷凝水。過濾器是能夠進(jìn)行拆裝的微型過濾消毒裝置，這樣才能夠更好的保障制出的水能夠飲用。

2.實(shí)驗(yàn)分析

從一定程度上來說，如果制冷量越多的話，那么產(chǎn)水量就會(huì)越多，但是，我們需要做的是在得到較大制冷量的條件下，使用比較小的功耗就能夠完成任務(wù)。在研究的過程當(dāng)中，我們把實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而得出一個(gè)對(duì)空氣取水裝置可以在最佳的狀態(tài)下進(jìn)行工作的數(shù)據(jù)，為后期的工作提供一定的幫助。

■2.1 不同散熱方式對(duì)制冷性能影響

在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，制冷片的冷熱端溫度一般情況下都在23.8℃，隨著時(shí)間的推移，熱端的溫度不斷的升高，但是，冷端的溫度會(huì)慢慢的降低。

因考慮便攜條件采用空氣自然對(duì)流散熱方式和空氣強(qiáng)迫對(duì)流散熱方式。我們要在半導(dǎo)體制冷片的熱端位置裝置一個(gè)散熱片，并且需要在散熱片的上端位置安裝風(fēng)扇來達(dá)到換熱的目的。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，制冷片的冷熱端溫度都保持在一個(gè)穩(wěn)定值后，空氣強(qiáng)迫對(duì)流散熱方式的散熱效果相對(duì)而言更好一些。

■2.2 制冷片溫度測(cè)試結(jié)果和分析

以環(huán)境溫度為18℃，濕度為65%，工作電流：5.0A為例做測(cè)試。其數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。

表2 制冷片工作溫度定量測(cè)試

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，制冷片溫度下降較快，在120S時(shí)熱端與冷端的溫度差達(dá)到50oC。制冷片工作大約1h之后，冷熱端的溫度就會(huì)逐漸的達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值。

■2.3 不同空氣流量下制水量

在溫度為18℃，濕度為85%，工作電流：5.0A，吸風(fēng)扇在12V 電壓的情況下工作，對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)從而對(duì)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到結(jié)霜器的流量值進(jìn)行改變，這樣就能夠測(cè)量在單位時(shí)間中空氣制水機(jī)的制水量。

3.實(shí)驗(yàn)調(diào)試

■3.1 程控電源

程控電源根據(jù)TEC1–12705制冷片的性能參數(shù)，設(shè)計(jì)一輸出直流電壓為12V，額定電流為5A的溫度采集與控制輸出電源，該電源給TEC1–12705制冷片采取溫度回退控制模式。

溫度控制范圍：–50～110℃；分辨率在 –9.9～99.9℃時(shí)為0.1℃，其溫度段1℃；測(cè)溫精度0.1℃；控制溫度0.1℃；回差精度0.1℃；刷新頻率0.5S；輸出采用10A繼電器；NTC(10K 0.5%)防水型傳感器。能進(jìn)行最低溫度和回差溫度設(shè)定功能。

圖7 交通燈控制器仿真電路圖

＊ [1]趙文秀.城市多功能智能交通路口系統(tǒng)的研究[D].遼寧工業(yè)大學(xué),2015.

＊ [2]蘇 亞 囡,任 培 河,馮飛.智能交通控制信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技展望,2016,26(21):179.

＊ [3]楊潔,葉晶晶,劉海民.基于STC89C52RC十字路口交通燈的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2016,(19):14-16.

＊ [4]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2016.

＊ [5]葉 建 波,朱 雙 東.基于Proteus的單片機(jī)電路的虛擬仿真[J].電子工程師,2008,34(11):23-24+67.