一種便攜式的太陽能空氣取水器

作者/伍芷儀，常德芷蘭實驗學校

一種便攜式的太陽能空氣取水器

作者/伍芷儀，常德芷蘭實驗學校

針對孤立的環(huán)境下安全飲水的不易,以太陽能為主要能源，使用半導體來達到制冷的目的，從空氣當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)活動的基礎所在，但是，淡水資源缺乏的問題一直都是世界性的難題，根據(jù)相關的統(tǒng)計數(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，應考慮發(fā)展一種能夠就地保障的供水技術。特別是當今扶貧政策驅(qū)動下，國家對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難題?？蒲腥藛T經(jīng)過大量的研究表明，能夠從大氣當中汲取水分利用氣取水技術來獲得淡水資源。

1.系統(tǒng)設計

■1.1 結(jié)構設計

為了實現(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)境和安全飲水等領域，其結(jié)構如圖1所示?？諝馊∷畣卧褪抢冒雽w制冷片產(chǎn)生的Peltier效應，利用太陽能供電裝置提供的電能來達到制冷的效果，使水蒸氣遇冷就會凝結(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、半導體制冷器、吸風扇、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)構圖

半導體制冷就是通過Peltier效應，當直流電經(jīng)過P型、N型半導體材料串聯(lián)成的電偶時，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到制冷的效果。半導體制冷片的優(yōu)點就是，結(jié)構緊湊，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)整到半導體制冷器件使用，與此同時擴展應用，接入市電，將市電適配調(diào)整至半導體制冷器件使用。

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，與半導體制冷器接觸將溫度傳導到結(jié)霜器的外片，達到將空氣中的水份凝聚成霜，進而化霜成水。

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，通過半導體制冷，利用冷卻法從空氣當中得到冷凝水，經(jīng)過過濾之后就可以飲用。

1.2.1 半導體制冷基本原理

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

風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，半導體制冷片冷熱端的溫差能夠達到40到65度之間，而利用主動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跟著降低，使得溫度慢慢的下降。

半導體熱電偶主要的組成部分就是N型半導體與P型半導體。如果N型半導體材料與P型半導體材料聯(lián)結(jié)成電偶對的時候，在這個電路當中接通直流電流，就會使得能量產(chǎn)生轉(zhuǎn)移。

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

Q=π·I=a·Tc·I ，其中 =a·Tc。

在這個公式當中：Q是放熱或著是吸熱功率、是比例系數(shù)，也可以稱作珀爾帖系數(shù)、I是工作電流、a是溫差電動勢、Tc表示為冷接點溫度。

半導體制冷片對于空氣取水單元來說是最為重要的一個部件，采用性能較好的材料就對取水的效果有直接的影響。對于現(xiàn)階段市面當中出現(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，其型號說明如下表1所示。

表1 TEC1-12705制冷片型號說明

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，選擇拆裝簡易、移動方便的12V/100W太陽能柔性電池板, 太陽能控制器能夠?qū)φ麄€太陽能電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行控制，并且能夠?qū)?2V/100AH的蓄電池起到過充電保護和過放電保護的效果。

在對功率進行設計的時候，應當盡量加強太陽能光伏電池板，使得半導體制冷功率達到最大化。

1.2.3 結(jié)霜器與過濾器

結(jié)霜器的表面非常光滑，主要是由導熱效率比較好的材料制作的，這樣才能夠確?？諝猱斨械乃魵饨?jīng)過的時候可以最有效的冷凝[3]。

想要在低溫條件當中得到冷凝水是非常難的，而半導體制冷片的溫差范圍為–130℃～90℃之間。我們就可以利用半導體溫差電片件的熱端產(chǎn)生的熱量來預熱進風口的冷空氣，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.實驗分析

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。在研究的過程當中，我們把實驗得到的數(shù)據(jù)進行分析，從而得出一個對空氣取水裝置可以在最佳的狀態(tài)下進行工作的數(shù)據(jù)，為后期的工作提供一定的幫助。

■2.1 不同散熱方式對制冷性能影響

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

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

■2.2 制冷片溫度測試結(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試

從實驗數(shù)據(jù)可知，制冷片溫度下降較快，在120S時熱端與冷端的溫度差達到50oC。制冷片工作大約1h之后，冷熱端的溫度就會逐漸的達到一個相對穩(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，吸風扇在12V 電壓的情況下工作，對空氣流量進行調(diào)節(jié)從而對單位時間內(nèi)進入到結(jié)霜器的流量值進行改變，這樣就能夠測量在單位時間中空氣制水機的制水量。

3.實驗調(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)，設計一輸出直流電壓為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℃時為0.1℃，其溫度段1℃；測溫精度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。能進行最低溫度和回差溫度設定功能。

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,2015.

＊ [2]蘇 亞 囡,任 培 河,馮飛.智能交通控制信號系統(tǒng)設計[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計[J].電子測試,2016,(19):14-16.

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

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