太陽能空氣取水/制水技術(shù)淺析

大連育明高級中學(xué) ■ 劉子賢

大連理工大學(xué)能動學(xué)院 ■ 尹智超 張博*

0 引言

水資源匱乏正逐漸成為全世界所面臨的重大問題之一。雖然地球70%的面積被水覆蓋，剩余30%的陸地上也有水資源的分布，但這其中絕大部分是咸水，而可供人類飲用的淡水不到3%；且可飲用的淡水中還包括難以開發(fā)利用的冰川固態(tài)水、深層地下水等，易于被人類開發(fā)利用的湖泊、河流、淺層地下水等淡水資源還不到地球總水量的萬分之一[1]。隨著人口的不斷增長及環(huán)境污染的日益加劇，可供人們生產(chǎn)、生活使用的干凈淡水資源越來越少，全球人均供水量正在逐年減少，水資源危機(jī)越來越成為制約可持續(xù)發(fā)展的障礙。而且由于水資源在空間和時間上分布不均勻，加劇了局部地區(qū)的干旱，尤其是在某些沙漠、沿海、島嶼地區(qū)[2]。保證充足的淡水供應(yīng)是人們進(jìn)行生產(chǎn)和生活的前提，因此如何在沙漠、沿海、島嶼等干旱地區(qū)有效獲取淡水就成為了人們共同面對的一大難題。

在自然界中，水以固、液、氣3種形態(tài)存在，彼此之間相互轉(zhuǎn)換，地表或海洋的水蒸發(fā)到大氣中，經(jīng)冷凝后變成冰、霜、雨、雪后再次返回到地面，大氣就成了恒定的中轉(zhuǎn)站。由于大氣環(huán)流的存在，盡管沙漠等干旱地區(qū)的地表水缺乏，但這些地區(qū)空氣中的含水量與其他區(qū)域差別不大。在地表無水源而又急需用水時，從空氣中取水不失為一種可行的方法。因此，本文介紹了4種利用太陽能取水/制水的方法。

1 太陽能半導(dǎo)體制冷空氣取水

從空氣中取水的基本思想是將空氣溫度降至露點(diǎn)以下，空氣中的水蒸氣凝結(jié)成液滴后流至儲液裝置中，從而收集淡水。

歷德義等[3]設(shè)計了一種基于太陽能半導(dǎo)體制冷的空氣取水裝置，主要包括熱電半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)(如圖1所示)和光伏發(fā)電系統(tǒng)(如圖2所示)。熱電半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)由半導(dǎo)體制冷片、蓄冷塊、隔熱墊、散熱器及風(fēng)扇等部件組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、蓄電池組等部件組成。光伏發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池充電，蓄電池驅(qū)動制冷片冷端制冷，并通過蓄冷塊及翅片將冷量散到箱內(nèi)；通過風(fēng)扇加強(qiáng)對流換熱，使箱內(nèi)溫度降低；當(dāng)翅片壁面溫度降至箱內(nèi)水蒸氣露點(diǎn)溫度后，空氣中的水蒸氣開始在壁面凝結(jié)形成小水珠落到箱內(nèi)儲液器中。

圖1 熱電半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2 太陽能吸附式空氣取水器

侴喬力等[4]設(shè)計了一種采用沸石和硅膠作為吸附劑的太陽能吸附式空氣取水器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由取水器和太陽能凹面聚光器組成。裝置中的取水器主要由透光罩、吸附床(放有吸附劑)、儲水器和取水管等組成，如圖4所示。其中，吸附床是用金屬絲制成的網(wǎng)狀容器，用于盛放吸附劑。取水器由支架支撐，放置在聚光器的上面；聚光器由支架支撐，放置在地上。

太陽能吸附式空氣取水器的工作原理是：夜間將吸附床連同吸附劑暴露在空氣中，自然風(fēng)吹過吸附劑，吸附劑對其中的水蒸氣進(jìn)行吸收，吸收到飽和或接近飽和狀態(tài)；白天太陽升起時，將取水器密封，聚光器聚集太陽光來加熱吸附床；當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時水蒸氣脫離吸附劑；脫離出來的水蒸氣接觸到壁面，由于壁面溫度低于露點(diǎn)溫度，水蒸氣便在透光罩的壁面進(jìn)行凝結(jié)；凝結(jié)之后的水滴通過管道流入儲水器，繼而獲得淡水資源。在晝夜溫差大、空氣濕度變化大的地區(qū)，太陽能吸附式取水的方法具有較強(qiáng)的可行性[5]。

圖3 太陽能吸附式空氣取水器結(jié)構(gòu)示意圖[4]

圖4 取水器示意圖[4]

理論和實(shí)踐均證明該太陽能吸附式空氣取水器的技術(shù)是科學(xué)可行的。在布置方式合理的情況下，用硅膠、沸石作為吸附劑的太陽能取水器不僅一年四季都能取水，而且即使在最干燥的冬季也能達(dá)到0.139 kg/ h的較高產(chǎn)水量[4]。

3 光伏取水

雖然我國某些地區(qū)并不缺乏水源，但是由于地形條件、水利設(shè)施建設(shè)滯后等原因，造成水資源開發(fā)利用困難。比如，我國西部一些高海拔山區(qū)的人們常年面臨生產(chǎn)、生活用水困難的問題。為了解決這一問題，云南省進(jìn)行了光伏取水的研發(fā)與規(guī)?；痉锻茝V[6]。通過該示范工程可以看出：采用光伏取水能夠有效緩解山區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉等生產(chǎn)、生活用水難題。光伏系統(tǒng)取水工作圖如圖5所示，該系統(tǒng)由1臺光伏水泵、1個控制器、1組光伏組件構(gòu)成。此系統(tǒng)可在直徑20 cm的井中使用，也可以在各種湖泊、池塘、河渠等水源中取水，揚(yáng)程、流量均可達(dá)到所需要求[6]。

充沛的太陽光照可為水泵提供充足的動力，同時此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動化運(yùn)行，無需人員看管，從而大幅降低了維護(hù)工作量及人工成本，提高了技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性。

圖5 光伏系統(tǒng)取水工作圖[6]

4 聚霧取水

通過長期的觀察和研究可以發(fā)現(xiàn)：在沙漠等干旱地區(qū)之所以有生物能夠存活，主要是因為在這些干旱地區(qū)生存的動物、植物能夠有效地從霧氣中獲得淡水。當(dāng)霧氣從這些地區(qū)飄過時，它們通過各自的方法獲取霧氣中的水分，比如，蜘蛛可通過蜘蛛絲吸收霧氣中的水分。蜘蛛絲經(jīng)歷了長期自然衍化，具有高彈性、高強(qiáng)度、高韌度，以及較大的斷裂功和斷裂伸長率等良好的機(jī)械性能。趙勇等[7]觀察到蜘蛛絲可以懸掛和收集大量水滴，于是對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，蜘蛛絲由納米纖維組成，在干燥情況下呈現(xiàn)蓬松的鏈狀結(jié)構(gòu)，但在雨霧潤濕后會周期性的變成紡錘型結(jié)構(gòu)和纖細(xì)連接結(jié)構(gòu)。這種變化促使蜘蛛絲可以進(jìn)行連續(xù)的凝水傳輸過程，從而揭示了蜘蛛絲能夠定向高效集水的內(nèi)在機(jī)理。根據(jù)仿生學(xué)原理，可基于蜘蛛絲的這一集水機(jī)制，制作人造纖維網(wǎng)來收集霧氣中的水[7]。

全世界最干旱、最燥熱的地區(qū)之一是位于非洲西南部的納比亞沙漠，這里全年幾乎無降雨量，但來自海洋的強(qiáng)風(fēng)會給這片地區(qū)吹來大量霧氣。每年這些霧氣在納比亞沙漠大概存在6個月，而這些霧氣成了這片沙漠地區(qū)的唯一淡水來源，若沙漠中的生物無法利用霧氣獲取水源，那它們也將無法在這片地區(qū)長期生存。

研究人員發(fā)現(xiàn)在這片沙漠里生存著一種甲蟲，它們背部長有許多不規(guī)則排列的突起，這些突起的表面光潔且具有一定的親水性。突起與突起之間的間距在0.5～1.5 μm之間，且兩者之間的凹槽處有排列規(guī)整的半球狀結(jié)構(gòu)，這種半球狀結(jié)構(gòu)由疏水性蠟狀物質(zhì)構(gòu)成，而這種蠟狀物質(zhì)具有一定的納米結(jié)構(gòu)。昆蟲背上的突起因具有親水性而能夠捕捉水分，蠟質(zhì)非親水凹槽負(fù)責(zé)將水運(yùn)輸?shù)嚼ハx的嘴中，滿足其對水的需求。根據(jù)從甲蟲背部表面結(jié)構(gòu)得到的啟發(fā)，Bai[8]等綜合了蜘蛛絲和沙漠中甲蟲背部的結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計了一種具有吸濕特性的仿生表面，大幅提高了取水效率。

聚霧取水具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在帳篷取水、建筑物取水等領(lǐng)域都有一定的運(yùn)用。比如，英國建筑師馬修·帕克斯將新研制的仿生材料用于納米比亞大學(xué)水文中心的建筑設(shè)計中，此大樓能從空氣中吸收水分來滿足大樓的用水需求[9]；智利、秘魯?shù)葒业囊恍┭睾４迩f運(yùn)用此類具有仿生結(jié)構(gòu)的人造纖維網(wǎng)來收集海霧，以滿足日常生活對淡水的需求。但由于受環(huán)境影響，這種方法只適用于水資源缺乏且多霧的地區(qū)，在我國運(yùn)用這種方法取水的并不多見。

5 總結(jié)

水是一切生命體賴以生存的必要資源，人們的日常生產(chǎn)生活也離不開水。但全球范圍內(nèi)有限的淡水資源正逐漸枯竭、大量水資源被污染，水資源匱乏的問題越來越成為阻礙社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和人類文明進(jìn)步的巨大威脅，甚至影響到了人類的生存。本文介紹了4種新型空氣取水方法，其中，太陽能半導(dǎo)體制冷取水、太陽 能吸附式取水和光伏取水都是通過太陽能來提供能量，聚霧取水則是利用材料本身的結(jié)構(gòu)來收集霧氣中的小水珠，不需要額外提供能量。這幾種方法都具有節(jié)能、對環(huán)境無污染、可以穩(wěn)定運(yùn)行的特點(diǎn)，在特定區(qū)域進(jìn)行有針對性地推廣使用，可以解決惡劣環(huán)境下的供水問題，保證人畜能夠喝到安全、清潔的飲用水。

目前，空氣取水存在的弊端是取水效率較低。雖然空氣本身所含水資源的總量很大，但是單位體積空氣的相對含水量卻較少；同時，空氣取水技術(shù)本身仍需進(jìn)一步完善?？諝馊∷实驮谝欢ǔ潭壬舷拗屏怂拇竺娣e推廣，因此，若能研制出高效率、高性能的取水裝置，其應(yīng)用前景將更加廣闊。