太陽能與晝夜溫差全天候取水系統(tǒng)的測試研究

付琦智

摘 要：目前全球范圍內(nèi)越來越嚴(yán)峻的淡水匱乏不僅嚴(yán)重制約了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也對人類的生存提出了前所未有的挑戰(zhàn)。據(jù)調(diào)查，空氣中含水量高達(dá)14000㎞3，為充分利用空氣中保有的水分，設(shè)計(jì)該基于太陽能與晝夜溫差的全天候取水系統(tǒng)。本系統(tǒng)在白天利用太陽能發(fā)電板為微吸風(fēng)機(jī)供電，并構(gòu)建出“空氣-地層”冷凝結(jié)構(gòu)，晚上利用自然晝夜產(chǎn)生的溫差進(jìn)行凝結(jié)取水，并存儲(chǔ)在埋藏于地下的存水器，通過設(shè)計(jì)取水試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)裝置的產(chǎn)水規(guī)律擬合曲線，可滿足干旱半干旱地區(qū)用水需求，并具有全天候使用，取水快捷，成本低、易推廣的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能；晝夜溫差；空氣取水；露點(diǎn)溫度

引言：

隨著環(huán)境的日益惡化，淡水資源正變得愈來愈稀缺，實(shí)際上，大氣中富含淡水，并且不受地域限制，據(jù)估算，大氣中含有大約14000 ㎞3的水蒸氣，地表的淡水總量只有1200㎞3，但到目前為止，對空氣中淡水的利用率幾乎為零[1]。干早地區(qū)是由于地表和淺層地下水過少而造成的缺水，而海島和沿海地區(qū)是由于周邊海水過多，周圍水域含鹽量大，導(dǎo)致淡水資源不足。解決上述地區(qū)的淡水供應(yīng)問題的傳統(tǒng)方法包括交通運(yùn)輸?shù)秃Ｋ瘍煞N途徑。交通運(yùn)輸成本較高、速度慢，海水淡化技術(shù)、設(shè)備要求高且成本大，對大部分貧窮落后的地區(qū)并不適用，以上兩種方法均不適合廣泛使用。為解決上述交通成本昂貴、速度慢、損耗高等問題，本系統(tǒng)在保證成本低，效果好的前提下引入太陽能供電模塊，并創(chuàng)造性利用因晝夜交替產(chǎn)生的溫差進(jìn)行全天候的空氣取水。

1.系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)將太陽能與晝夜交替產(chǎn)生的溫度差兩種自然能源結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)全天候的空氣冷凝成水。在白天，系統(tǒng)利用太陽能發(fā)電板為微吸風(fēng)機(jī)供電，晚上利用自然晝夜產(chǎn)生的溫差進(jìn)行凝結(jié)取水，并存儲(chǔ)在存水器?？諝獗晃⑽L(fēng)機(jī)吸入系統(tǒng)裝置時(shí)，其中夾雜的較大灰粒在裝置頂部防微粒過濾網(wǎng)被攔截，無法進(jìn)入水杯內(nèi)部，保證了水源的清潔，在與杯壁接觸后，由于地層與空氣間的溫差，將使得進(jìn)入杯子的空氣溫度快速降低到露點(diǎn)溫度，在氣壓不變的狀態(tài)下，水蒸氣變?yōu)槁吨楦街诒?。隨著空氣不斷的吸入和排出循環(huán)，水分子集聚的也愈來愈多，最終匯聚在水杯底部，形成可使用的水源。

在系統(tǒng)工作之前，需考慮裝置大小，確定豎井水平直徑，可在地表挖掘出1.5m深的豎井。實(shí)際上，據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1.8m左右最為合適，此時(shí)豎井既不太深，亦有利于用戶進(jìn)行開挖，也保證了空氣中水分冷凝的基本溫差條件。通過構(gòu)造出的“空氣-地層”的冷凝結(jié)構(gòu)，并保持豎井上下均勻，且與系統(tǒng)裝置緊密整合接觸，即可保證最佳的取水效果。

2.實(shí)驗(yàn)測試與分析

2.1 晝夜產(chǎn)水測試

同時(shí)在7.07-7.12日白天14點(diǎn)到17點(diǎn)時(shí)間段和20點(diǎn)到次日8點(diǎn)的兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，豎井深度設(shè)置為1.8m，進(jìn)行長達(dá)一周的產(chǎn)水實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行時(shí)空范圍內(nèi)的量化分析，取水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1和表2所示。

2.2 豎井深度測試

在組裝完整系統(tǒng)裝置之前，對原理進(jìn)行驗(yàn)證，構(gòu)建出裝置模型，在盡量保證其他條件相同時(shí)，在西南科技大學(xué)新區(qū)實(shí)驗(yàn)田中，通過不同深度的豎井深度梯度試驗(yàn)（1小時(shí)），并別得到了不同的取水量，產(chǎn)水結(jié)果如下圖1所示。

圖1 豎井深度與產(chǎn)水關(guān)系

對采得樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到取水量與豎井深度的關(guān)系，如下圖3所示。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈二次分布。因而進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，在這里采用最小二乘法來進(jìn)行擬合，通過最小化平方差損失來進(jìn)行優(yōu)化，整個(gè)過程由無約束優(yōu)化器進(jìn)行迭代計(jì)算，最終取得較好的擬合效果，最終獲得的總體平方差誤差損失為0.00646403259354，總體絕對值誤差損失為0.182550684346。由于僅僅使用二函數(shù)擬合便達(dá)到了這種效果，所以并沒有過擬合的可能性，因此能確定該函數(shù)的正確性，擬合圖像與公式如下所示，其中，Y代表產(chǎn)水量，單位為毫升；X代表豎井深度，單位為m

2.3 社會(huì)與經(jīng)濟(jì)分析

應(yīng)當(dāng)注意，該取水系統(tǒng)受當(dāng)?shù)氐奶鞖?、濕度、晝夜溫差大小等相關(guān)因素影響，屬于典型的多元線性回歸模型問題，故每天的產(chǎn)水量尚不相同。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)裝置所在地的晝夜溫差越大、氣壓變化程度低、濕度較大的情況下產(chǎn)水和存水效率更高。

從社會(huì)與經(jīng)濟(jì)角度分析，該裝置可降低我國為解決水資源問題而實(shí)施的跨流域調(diào)水過程中經(jīng)濟(jì)損失及能源損耗，包括運(yùn)輸使用能源成本、時(shí)間成本、供水成本等。若以新疆一年1%的人口數(shù)使用該裝置為例，根據(jù)調(diào)研結(jié)果平均水平一晝夜（24小時(shí)）可產(chǎn)水60ml來計(jì)算：該裝置可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)水6716000升，以十五年為固定折舊期，由此可求得該裝置可平均為用戶減少15%的飲用水支出。同時(shí)，該裝置對于宏觀經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境有易預(yù)見的極大益處。推廣后，保守估計(jì)可減輕國家環(huán)境保護(hù)8%左右的負(fù)擔(dān)及高昂的部分跨流域調(diào)水工程建造、實(shí)施等過程的費(fèi)用。

同時(shí)，經(jīng)調(diào)查在長期缺水環(huán)境下，旅者每日最低飲水量為300ml，而極度缺水情況下，80ml完全可以維持生命。可見，該裝置對旅者亦有較大的使用價(jià)值。

3.應(yīng)用前景

空氣取水技術(shù)為淡水缺乏的地區(qū)提供了一個(gè)新的解決方案，目前國際上的空氣取水技術(shù)已呈現(xiàn)產(chǎn)品化趨勢[3]，美國、德國、加拿大、以色列等國家已研發(fā)出在空氣濕度較高地區(qū)使用的取水設(shè)備，目前大型、大容量取水設(shè)備技術(shù)正在快速發(fā)展，但也呈現(xiàn)出系統(tǒng)笨拙、體積龐大、不宜攜帶和推廣困難等弊端。我國近幾年旱區(qū)約占我國陸地面積的30%，其氣候特征為降水量少而變率大，一般氣溫日較差和年較差較大，蒸發(fā)量大于降水量，云量少而日照強(qiáng)。該系統(tǒng)，恰針對于我國干旱半干旱地區(qū)，創(chuàng)造性結(jié)合該類地區(qū)以上所述的白天光照充足、晝夜溫差大的氣候特點(diǎn)，奇妙地利用“空氣-地層”的冷凝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的空氣型取水。且系統(tǒng)裝置玲瓏小巧，制作成本低，組裝性強(qiáng)，容易推廣和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐瑩瑩，湯潔，?；莸?東北城市露水凝結(jié)觀測及其與常規(guī)氣象要素的關(guān)系[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2017，（7）：2382-2391.

[2]李強(qiáng)，郝秀淵.空氣取水技術(shù)研究綜述[J].山西建筑，2016，（31）：124-126.

[3]劉金亞，王佳韻，王麗偉，等.一種吸附式空氣取水裝置的性能實(shí)驗(yàn)[J].化工學(xué)報(bào)，2016，（z2）：46-50.

基金項(xiàng)目：西南科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新基金項(xiàng)目《基于太陽能與晝夜溫差的自動(dòng)取水裝置》，編號：CX19-079.