便攜式太陽能雨水凈化器的設計

王魏魏， 劉輝， 宿忠娥

（蘭州城市學院， 甘肅 蘭州 730070）

引言

在我國黃土高原缺水、苦水(水質苦澀）地區，當地人通過水窖存蓄雨水、雪水。然而在這些山區，交通不便，即使現在國家盡力為家家戶戶通自來水，也很難為那些在大山深處的家庭鋪設水管，這些家庭的用水問題成了一個難題。水窖中的水成分比較復雜，而且人體所需的礦物質也很少，而有害物質卻很多，難以直接飲用，這些水窖中的水在剛收集之后不能立刻飲用，需要一兩天的時間沉淀泥沙，用紗網過濾不溶性雜質，燒開之后飲用，味質苦澀。為了讓偏遠地區的人能夠飲用上健康的水，特研究設計了此項目。

1 設計原理

便攜式太陽能雨水凈化器通過可以折疊的光伏組件發電，蓄電池存儲電能為凈水器的增壓泵和水窖的提水泵提供電能，凈水器六級水過濾裝置，反滲透膜過濾可以把水變成純水，完全過濾掉水里的細菌，雙重供電模式，可以在連續陰雨天實現電網供電[1]。

2 框架設計

便攜式太陽能雨水凈化器在使用時，內部包含了上下水箱以及凈化器和蓄電池等設備，同時要兼顧太陽能電池板重量，總體重量很大，還得考慮光伏組件承受風的能力，因此對于承重結構的強度要求比較高，同時為了減輕凈化器的重量，項目采用正方形鋼管材料焊接而成，鋼管的長為20 mm,寬為20 mm，厚度為1 mm。

2.1 拉伸腿的設計

當凈水器在搬運過程中或者短暫的使用中，拉伸腿穿在方管中，可以方便攜帶，如果是長期使用，就需要將拉伸腿拉出來，用螺絲固定在地面上，就能抵抗一定的風力或者沖擊，保證凈水器位置固定不變。如圖1所示，為了防止拉伸腿穿進去取不出來，特在外面焊接一個類似四邊形、兩邊凸起的一個蓋子。

2.2 水箱的設計

便攜式太陽能雨水凈化器總共有兩個水箱，一個是上水箱，一個是下水箱，上下水箱均有兩個口，一個是進水，一個用來出水。上水箱用來存儲過濾干凈的水，下水箱用來存儲從水池或者水窖里面抽上來的水[2]。上下水箱在材料的選擇上沒有太多的要求，可以用軟布袋儲水，或者用塑料做成的水箱，還可以用鐵皮做成的水箱，在這里以鐵皮做的水箱為例，如圖2所示。

圖1 拉伸腿

圖2 水箱

3 折疊太陽能板及其組件的設計

3.1 組件的材料選擇

為了能夠最大限度利用太陽能進行發電，組件采用單晶硅太陽能電池，有較高的發電能力，同時具有抵抗冰雹的沖擊能力。

3.2 支架的設計

太陽能在使用過程中一般不承受太大的載荷，同時為了能夠制造方便，采用與框架結構相同的管材，支架總共三塊，之間通過合頁連接，折疊起來就是一個立方體的形狀，體積約為500 mm×500 mm×300 mm。

3.3 兩側支架的固定

如圖3所示，將右側支架旋轉到與左側支架平行，然后把左側的插銷插入到右側，將右側支撐起來，總共有4個插銷，分別位于中間支架的四角。折疊時只需要將插銷拉回去即可。

圖3 兩側支架

3.4 高度調節與安裝方位

太陽能電池撐起來的時候需要與水平面之間形成一個坡度，這個坡度需要根據當地的緯度去決定，所以在該項目上設計了一個可以調節的支撐桿，根據需要去調節支撐桿的長度。

為了最大限度地產生電量，根據日地運行規律，只有將光伏組件朝向正南才能捕獲最大太陽光，所以在放置凈水器水需要朝向正南方向。

4 凈水器的使用及維護

4.1 凈水步驟

將水從水池或者水窖抽到下水箱的時候，需要從源頭上過濾一部分的不溶性雜質，此時將水泵的吸水口放入到過濾網中，過濾掉里面的大于0.5 mm的不溶性雜質。

凈水器六道凈水過程，分別是PP棉濾芯，去除泥沙、鐵銹、紅蟲線蟲、顆粒物質等雜質；顆粒活性炭吸附余氯等有害物質，去除異色異味等；壓縮活性炭去除更小的有害物質；UF超濾膜去除細菌病毒，保留礦物質，去除大于0.01 μm的所有物質；后置活性炭改善口感，去除農藥等殘留物、重金屬離子等；載銀活性炭消除各種異味。通過六道凈水，水變成直飲水，將水存儲在上水箱中。

4.2 污水的回收

凈水器通過一步步過濾把污水變成干凈的水和更污的水，干凈的水和更污的水的比例為1∶0.6（實際的凈水比例以實物為準），對于本來就缺水的山區回收這部分污水就顯得很重要了。蒸發池中的水經過層層沉淀，同時通過太陽的能量將水蒸發之后再冷凝，然后連接到凈水器的下水箱，再次利用。

4.3 凈水能力

凈水器一小時可以凈水7 L，一天可以凈水168 L，一般來說，一個人每天要喝2 L左右的水去保持身體水分的平衡，燒飯用水量人均在2 L左右，該凈水器完全夠一家五口的用水能力，多余的水還可以用來洗漱，因此凈水器只需要白天工作。

4.4 日常維護

便攜式太陽能雨水凈化器的日常維護包括定期擦除太陽能表面的灰塵以及周圍的雜物，定期對凈水器的濾芯進行更換，做好冬季的保溫措施，防止水管凍裂、凈水器以及水箱凍壞。

4.5 電路設計

水泵的電能來自太陽能發電和國家電網，太陽能電池所發的電通過太陽能控制器將電能存儲在蓄電池上，負載從控制器上取電，當蓄電池的電量過低，系統會斷開電路，保護蓄電池避免因電壓過低而饋電報廢。液位傳感器放置在水缸中，當水缸中水滿后停止凈水。