基于多種仿生原理的水汽凝結(jié)器的研究

陳友升 牛通之 李小寧 趙祉昕 降帥 楊時(shí)煒

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

基于多種仿生原理的水汽凝結(jié)器的研究

陳友升 牛通之 李小寧 趙祉昕 降帥 楊時(shí)煒

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070）

在一些邊遠(yuǎn)的山區(qū)、海島等地區(qū)，水資源及其稀少。一些進(jìn)化出可從稀薄而潮濕的空氣中收集水的機(jī)制的生物可在干旱的環(huán)境中生存，利用這些生物特有的機(jī)構(gòu)對(duì)海島、邊遠(yuǎn)山區(qū)等地區(qū)的霧氣進(jìn)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(jié)構(gòu)自主設(shè)計(jì)了基于多種仿生原理的水汽凝結(jié)器，其集水效果顯著。

仿生 水汽 凝結(jié)

1　整體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)在高濕度環(huán)境下高效連續(xù)的水汽收集，首先仿照“凝結(jié)—聚集—傳輸—吸收”的集水過程，對(duì)不同材料的集水網(wǎng)的集水效果進(jìn)行觀察和研究，選出凝水性能最好的集水網(wǎng)。同時(shí)，本項(xiàng)目采用半導(dǎo)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(fā)電系統(tǒng)提供，該裝置主要由水汽收集模塊、機(jī)械模塊、太陽能供電模塊、半導(dǎo)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(wǎng)為載體，仿照仿沙漠甲蟲崎嶇不平的殼、仙人掌上刺的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)和豬籠草光滑表面的微觀特征對(duì)空氣中的水汽進(jìn)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(diǎn)上并不斷積聚增大，當(dāng)增大到一定程度時(shí)，水珠的重量對(duì)接觸面積的比例增大，毛細(xì)管張力抓不住這些水珠時(shí)水珠下落，順勢(shì)在甲蟲鞘翅表面的疏水凹槽中流動(dòng)，最后流入甲蟲嘴中。甲蟲背部單獨(dú)的幾何形狀凸塊可便于凝結(jié)水滴，當(dāng)水滴在凹凸不平的表面凝結(jié)后通過模仿仙人掌的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(dǎo)出拉普拉斯壓強(qiáng)為：

式中 R-----局部半徑（m）（R1、R2錐刺上的液滴的兩個(gè)相對(duì)側(cè)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(dòng)到根部的的驅(qū)動(dòng)力，并在水珠的移動(dòng)過程中加快水珠的聚集，提高水珠在網(wǎng)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(dòng)到底部的同時(shí)也為下一次的水滴凝結(jié)提供充足的空間。

3　機(jī)械模塊

本裝置采用0-105度，13檔可調(diào)的角度調(diào)節(jié)器對(duì)三張集水網(wǎng)面的角度和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先通過風(fēng)速儀時(shí)事測(cè)量風(fēng)速大小和方向，根據(jù)測(cè)得的數(shù)值對(duì)網(wǎng)面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。三張網(wǎng)面通過調(diào)節(jié)可形成三種不同的組合狀態(tài)，從而使網(wǎng)面始終處于迎風(fēng)方向，提高網(wǎng)面捕霧的效率。

4　太陽能供電模塊

為了實(shí)現(xiàn)裝置的能源自給，本裝置利用太陽能為各個(gè)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(gè)裝置提供能量。考慮到水泵等負(fù)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(chǔ)存收集到的太陽能，在裝置工作時(shí)釋放電能。

5　半導(dǎo)體制冷模塊

為了實(shí)現(xiàn)有效的制冷，采用半導(dǎo)體制冷的方式，具有作用速度快，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，尺寸小，對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體制冷模塊由TEC1-12706半導(dǎo)體制冷片、風(fēng)扇、鋁片式散熱板、調(diào)壓電路組成。半導(dǎo)體制冷片利用珀?duì)柼?yīng)來導(dǎo)致半導(dǎo)體兩面產(chǎn)生溫差，熱面經(jīng)過散熱板、風(fēng)扇等散熱措施保證常溫，冷面即可達(dá)到制冷效果。為了達(dá)到網(wǎng)面降溫的效果，本裝置采用水循環(huán)的方式在水泵的工作下，將水箱中經(jīng)制冷模塊降溫的冷水帶到仿生捕霧網(wǎng)的網(wǎng)面，冷水通過一定間隔的導(dǎo)冷鋁管，最后再返回制冷水箱。該模塊最高制冷功率可達(dá)60W，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得可實(shí)現(xiàn)集水網(wǎng)網(wǎng)面8℃～9℃的降溫。

6　設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

（1）利用沙漠甲蟲、仙人掌和豬籠草的特殊微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)現(xiàn)自給自足，集水過程綠色、清潔、無污染。（3）采用半導(dǎo)體制冷增大溫差，提高水汽的凝結(jié)效率。

7　結(jié)語

裝置將空氣中含有的隱性水資源轉(zhuǎn)化為顯性的可利用的水資源，簡(jiǎn)單低耗，可應(yīng)用于海島、船舶、多霧山區(qū)等空氣濕度高但淡水資源匱乏的地區(qū)，有望成為解決水資源危機(jī)的有效途徑，同時(shí)為設(shè)計(jì)開發(fā)連續(xù)高效的霧水收集器提供了新思路，為緩解世界水資源危機(jī)提供了出路。

［1］Ju，Jie，Bai，Hao，Zheng，Yongmei，Zhao，Tianyi，F(xiàn)ang，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(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的困境及策略分析［J］.無線互聯(lián)科技，2015，01：115.

［3］國外海水淡化發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及啟示［J］.中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊，2006（12）.