太陽能驅動的半導體露點冷凝式空氣取水裝置的製作方法
2023-05-08 10:50:51 1
本發明涉及一種太陽能驅動的露點冷凝式空氣取水裝置，可在沙漠，偏遠山區等惡劣環境提供可靠的淡水來源。
背景技術：
水是地球上一切生命生存不可或缺的物質之一，在人類生活與發展中起到不可替代的作用。雖然地球表面大部分的面積被水覆蓋，但絕大部分是海水，淡水水量不足總體水量的3%，且淡水大部分存在於南北極和冰川中，難以被人類開發利用。可供人們飲用的淡水主要存在於內陸河流，湖泊和地下水，僅佔地球總體水量的0.36%左右。由於淡水資源分布極其不均，加上工業、生活汙水的排放，越來越多的水體遭到汙染，許多國家和地區的人民不能得到安全衛生的飲用水，因此感染疾病甚至死亡。
而在水資源比較匱乏的內陸地區，如偏遠山區和沙漠地區，交通不便，水的運輸比較困難，擁有穩定安全的淡水來源變得十分關鍵。而空氣中含有大量的水蒸氣，由於不同地域氣壓的不同，不同地區的空氣不停流動，使水蒸氣在大氣內的循環方式之一。通過將空氣中的水蒸氣冷凝收集起來，並加以處理，就可以得到安全的飲用水，這種方法便是空氣取水技術。
技術實現要素：
為了解決沙漠、偏遠山區等淡水匱乏地區的飲水難題，通過露點冷凝方法實現空氣取水，是獲得淡水補給的有效途徑。而現有相關技術涉及的空氣取水系統效率普遍較低且結構複雜。
本發明提高了取水效率，結構緊湊，體積小巧，方便攜帶。通過加入餘熱回收熱交換器，回收尾部取水後乾燥空氣的冷量，提高了系統能量的綜合利用效率；排出的空氣最後進入熱端散熱翅片，進一步提高散熱器的散熱效率。同時，通過內置的溫度傳感器，調節電源的工作電流大小，保證半導體製冷模塊運行在空氣露點溫度附近的最佳工況區間。
其中，控制單元用於控制太陽能光伏發電系統在白天將太陽能轉換為電能，並儲存在蓄電池中；夜晚溫度降低，空氣相對溼度上升時，啟動空氣取水系統，進行取水工作，提高取水效率。通過檢測冷卻後空氣的溫度，調節風扇轉速，從而調節進入系統的空氣量，使半導體製冷片工作狀態處於最優工況，提高工作效率。
本發明結構簡單，取水效率高，無製冷工質，並且使用太陽能供能，零排放，無汙染，經濟環保。與常規空氣取水裝置相比，本系統使用太陽能供能，採用熱管散熱器加強散熱效果，加入餘熱回收熱交換器提高能量利用效率，帶有溫溼度傳感器的溫控模塊實時調節半導體製冷片處於最優工況。
附圖說明
圖1是本發明的系統組成簡圖；
圖2是本發明的半導體冷凝取水單元剖面簡圖；
圖3是本發明的餘熱回收器結構示意圖；
圖4是本發明的運行工況控制流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1中，太陽能光伏電池1在日照強度足夠時將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池2中，控制單元3檢測電源供電是否正常，在夜晚啟動半導體冷凝取水單元4工作，並通過檢測冷卻後空氣溫度調節風量，使冷凝取水單元時刻處於最優工況。
如圖2、圖3和圖4所示，空氣冷凝取水的循環過程為：首先，將外環境空氣引入餘熱回收熱交換器4-7進行預冷，餘熱回收器是由多層彼此獨立的冷、熱風道間隔布置而成，且冷風道4-7-1、熱風道4-7-2相互垂直，實現了冷、熱氣流的十字交叉流動換熱。其中，單層風道中內置若干水平排布的三角形波紋風道，以實行冷、熱氣流的均勻流動和高效熱交換。充分換熱後隨風道到達半導體製冷模塊4-2的冷端翅片4-3圍成冷冷相對的冷凝風道。當空氣溫度降低至露點溫度附近，即可在刷塗有疏水材料的翅片表面析出冷凝水。凝結水在重力作用下，沿著縱向布置的翅片表面滑落，並被收集到蓄水盒4-5中。析出冷凝水後的乾燥冷空氣，進入外殼4-6尾部風道，隨後被引入餘熱回收熱交換器，將攜帶的冷量通過導熱方式，傳遞到新引入的外環境空氣中，最後通過風扇4-8引入到熱端熱管散熱器4-1，通過排氣口4-9排向外環境。為了方便充分換熱和減少流道阻力，餘熱回收熱交換器的混合風道，採用冷、熱風道間隔布置且流向相互垂直的交叉流道結構，同時在尾部風道布設溫度檢測器4-4，檢測通過尾部風道的空氣溫度，當尾部的溫度過高時，減小風量，當尾部的溫度過低時，增大風量，從而使得半導體製冷片工作狀態處於最優工況，提高工作效率。
另外，考慮到野外環境中沙塵對散熱器性能的影響，所以在半導體模塊的熱端散熱器前布置過濾網。該措施可以在一定程度上阻止沙塵通過裝置的熱端排氣口進入散熱器內部，有效緩解了翅片表面的積塵現象，同時降低了裝置使用時的維護頻率。
在本發明中，一個複合發電單元的建造成本不超過2萬元/kW，光熱利用部分的半導體溫差發電量的貢獻率達到11%以上。每度電的成本為0.56元，相比傳統光伏或光熱發電節約了50%以上，經濟效益和節能效果顯著。此外，隨著複合發電單元的成倍集成，系統的發電效率將得到顯著提高，發電成本將大幅降低。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍不僅局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。