太陽(yáng)能吸附式空氣取水研究現(xiàn)狀

王雯雯，葛天舒*，代彥軍，王如竹，謝思桃

(1.上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2.軍事科學(xué)院國(guó)防工程研究院，北京 100036)

0 引言

水是生命之源，所有生命的生存和發(fā)展都離不開(kāi)水。地球的總水量約為 1.386×1018m3[1]，然而可供飲用的淡水資源僅占0.36%。由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的荒漠化問(wèn)題無(wú)疑是一場(chǎng)嚴(yán)峻的自然災(zāi)害[2]。淡水資源短缺已經(jīng)成為一個(gè)世界性難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球大約有2/3(約40億)的人口正遭受著一定程度的水資源短缺，而大約有5億人口生活在極度缺水的條件下[3]。聯(lián)合國(guó)曾在世界水日到來(lái)之際提出告誡：如果各國(guó)政府不采取有利措施，到2025年將有大約1/3的人口無(wú)法獲得干凈、安全的飲用水供應(yīng)[1]。

我國(guó)由于人口眾多，人均淡水資源占有量不足世界平均值的1/3[4]。此外，由于復(fù)雜的地質(zhì)和氣候條件，我國(guó)的水資源在時(shí)間和空間上的分布也極為不均勻，其中，南部和東部地區(qū)水資源較為豐富，而西北部地區(qū)水資源則較為匱乏。

對(duì)于缺乏天然水資源的地區(qū)來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的供水來(lái)源至關(guān)重要。在地球的大氣中蘊(yùn)含著豐富的水資源(云、水蒸氣和霧)，且不受地理位置的制約，是一個(gè)天然的淡水水庫(kù)，據(jù)計(jì)算，其中含有大約 1.29×1013m3的淡水[5]。此外，由于大氣環(huán)流的作用，大氣中的水分會(huì)保持較穩(wěn)定的值，即使在干旱的沙漠地區(qū)，大氣濕度也可以超過(guò)10 g/m3[6]。根據(jù)質(zhì)量守恒原理，空氣的溫度升高時(shí)，地表的水分會(huì)蒸發(fā)，導(dǎo)致水量減少，而空氣的絕對(duì)含濕量則會(huì)增加。因此，可將空氣看作是巨大的、清潔且可再生的水資源?？諝馊∷夹g(shù)是一種非常有前景且靈活的供水方式，可以滿足沙漠及偏遠(yuǎn)地區(qū)人們的用水需求[7]，尤其是海島地區(qū)，那里的空氣中蘊(yùn)涵著大量的淡水資源。

目前，國(guó)內(nèi)外空氣取水技術(shù)可分為3大類(lèi)：表面冷卻法、膜分離法和吸附/吸收法。其中，表面冷卻法是通過(guò)將濕空氣流過(guò)冷卻表面，使水蒸氣冷凝為液態(tài)水；該方法可進(jìn)一步分為主動(dòng)式制冷結(jié)露法和被動(dòng)式制冷取水法(比如集霧法、輻射制冷法等)2類(lèi)。膜分離法則是利用滲透壓作為驅(qū)動(dòng)力從空氣中捕獲水蒸氣，是一種新興的空氣取水技術(shù)，尚處于研究階段。因此，現(xiàn)對(duì)制冷結(jié)露法[8-11]和吸附法[12-14]進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

制冷結(jié)露法是將濕空氣的溫度降到露點(diǎn)溫度以下，使水蒸氣結(jié)露，從而獲得淡水的方法。降低濕空氣的溫度可以通過(guò)自然制冷或人工制冷的方法實(shí)現(xiàn)。自然制冷的方法[15-16]雖然不消耗能源，但卻受氣候條件所限，難以推廣和應(yīng)用；且由于干旱地區(qū)露點(diǎn)溫度常低于15 ℃，甚至低于0 ℃[17]，因此要使溫度降到露點(diǎn)以下，需要消耗更多的能量[18]。此外，制冷結(jié)露法包含多個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，且需要冷卻大量的空氣來(lái)滿足用水需求，會(huì)進(jìn)一步造成能量損失[19]。在能源供應(yīng)方面，傳統(tǒng)的采用氯氟烴的制冷方法會(huì)造成臭氧空洞問(wèn)題，而采用太陽(yáng)能光伏組件來(lái)提供所需能耗，則會(huì)造成初始成本高和維護(hù)成本高的問(wèn)題。

吸附法[12-14,20-21]是采用液體或固體干燥劑吸收濕空氣中的水蒸氣，然后通過(guò)干燥劑的再生獲得需要的淡水。其中，液體吸收法的裝置復(fù)雜，體積龐大，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)有一定的腐蝕性，且化學(xué)試劑不夠安全，因此這種方法獲得的淡水不適合飲用。相比于制冷結(jié)露法，吸附式空氣取水技術(shù)具有不需要電能或機(jī)械能輸入、占地面積小、運(yùn)動(dòng)部件少、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、壽命長(zhǎng)、可利用可再生能源(如太陽(yáng)能、廢熱等)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著相關(guān)吸附材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷凝強(qiáng)化、相關(guān)設(shè)備等的重大突破，以及化石燃料的不斷消耗和可再生能源的成熟運(yùn)用，太陽(yáng)能吸附空氣取水技術(shù)引起了世界各地學(xué)者們的廣泛關(guān)注。

綜上，本文將針對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。首先，介紹了吸附式空氣取水技術(shù)的基本理論，并提出評(píng)價(jià)其性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)；其次，分別從吸附材料、傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化設(shè)計(jì)和系統(tǒng)3方面介紹了吸附式空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展；然后，列舉了太陽(yáng)能吸附式空氣取水器的實(shí)際案例并總結(jié)了其性能；最后，從技術(shù)角度提出了太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的發(fā)展方向和展望。

1 吸附式空氣取水概述

1.1 太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)原理

太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)(atmospheric water generator，AWG)的原理圖如圖1所示，其基本工作過(guò)程可以分為：開(kāi)式吸附過(guò)程(見(jiàn)圖1a)和閉式解吸-冷凝過(guò)程(見(jiàn)圖1b)。系統(tǒng)的基本工作原理是：夜間利用吸附劑表面的蒸汽壓與環(huán)境空氣的蒸汽壓的差值作為吸濕動(dòng)力，完成吸附過(guò)程；然后在白天利用太陽(yáng)能來(lái)提高吸附劑表面的蒸汽壓，達(dá)到使水蒸氣脫附的目的；最后通過(guò)冷凝將水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。

太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)的工作過(guò)程為：夜晚時(shí)，空氣溫度低、濕度高，在風(fēng)機(jī)的作用下，空氣進(jìn)入吸附床，空氣中的水分被吸附劑吸收并儲(chǔ)存在吸附床中，干空氣被排放到環(huán)境中；白天時(shí)，利用太陽(yáng)能加熱循環(huán)空氣，高溫氣體流經(jīng)吸附床時(shí)，吸附劑再生，解吸出的高溫高濕氣體流入冷凝器，而后被冷凝成液態(tài)水。

圖2為太陽(yáng)能吸附式空氣取水裝置的吸附熱力循環(huán)過(guò)程。水蒸氣的熱力循環(huán)過(guò)程為①→②→③→④。其中，①→②表示環(huán)境壓力下，空氣中的水分被吸附劑吸收的過(guò)程，該過(guò)程釋放出吸附熱，所以溫度有所升高；②→③表示被吸附的水分在吸附床內(nèi)被加熱的過(guò)程，水蒸氣的分壓力由環(huán)境溫度下的飽和壓力p1升高到冷凝溫度下的飽和壓力p2；③→④表示從吸附劑內(nèi)解吸出的水蒸氣在冷凝器中的冷凝過(guò)程。

A→B→C→D表示吸附劑的熱力循環(huán)過(guò)程。其中，A→B表示加熱解吸后的吸附劑的冷卻過(guò)程；B→C表示吸附劑在環(huán)境壓力下的冷卻吸附過(guò)程，吸附劑質(zhì)量由mb增加到mc；C→D表示吸附飽和后的吸附劑被熱空氣加熱再生的過(guò)程；D→A表示吸附劑的再生解吸過(guò)程，同時(shí)解吸的水蒸氣在冷凝器中發(fā)生冷凝，得到的液態(tài)水流進(jìn)集水器。

i→ii→iii→iv→v→vi表示空氣的熱力循環(huán)過(guò)程。其中，i→ii表示在環(huán)境壓力下，空氣進(jìn)入吸附床，并在吸附熱作用下被加熱的過(guò)程；ii→iii表示空氣流經(jīng)吸附飽和后的吸附床時(shí)的升溫過(guò)程；iv→v表示循環(huán)空氣(點(diǎn)iv表示從冷凝器出來(lái)的較干氣體，可看作點(diǎn)iii)進(jìn)入加熱器被加熱為高溫氣體(點(diǎn)v)的過(guò)程，這一過(guò)程中空氣的含濕量不變；v→vi表示被加熱的高溫空氣進(jìn)入吸附床，使其再生，而后變?yōu)楦邷馗邼駳怏w(點(diǎn)vi)進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝的過(guò)程。

從圖2中可以看出，經(jīng)過(guò)一次循環(huán)后單位時(shí)間取水量Δm=mc-mb。

1.2 太陽(yáng)能吸附式空氣取水的技術(shù)指標(biāo)

為了更好地衡量和改進(jìn)太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)，首先應(yīng)建立性能指標(biāo)來(lái)進(jìn)行量化。TU等[22]提出了評(píng)價(jià)空氣取水技術(shù)的5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別為高效性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、寬工況適應(yīng)性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性；并基于此建立了以下性能指標(biāo)：?jiǎn)挝蝗∷芎腟EC、單位面積太陽(yáng)能集熱器的取水量SWP、單位質(zhì)量吸附劑的取水量SMP，以及濕空氣捕集率RR。

裝置的循環(huán)取水量M水和吸附床的循環(huán)取水量的定義分別為：

式中，ρ1、ρ2分別為吸附過(guò)程和解吸過(guò)程的氣體密度，kg/m3；Q1、Q2分別為吸附過(guò)程和解吸過(guò)程的氣體流量，m3/h；t1、t2分別為吸附時(shí)間和解吸時(shí)間，h；d為氣體含濕量，kg/kg，下角標(biāo)2代表解吸過(guò)程，下角標(biāo)i、o、cond分別代表進(jìn)口、出口、冷凝器。

假設(shè)解吸過(guò)程和吸附過(guò)程的時(shí)間和氣體流量相同，則濕空氣捕集率RR的定義為：

式中，下角標(biāo)1代表吸附過(guò)程。

再生熱量Q的定義為：

式中，cp為比熱容，J/(kg·℃)；Ta為環(huán)境溫度，℃；T2,i為解吸過(guò)程中的進(jìn)口溫度。

單位取水能耗SEC的定義為：

取水效率η的定義為：

2 吸附式空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的回顧可以看出，對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)的研究主要集中在吸附材料、傳熱傳質(zhì)優(yōu)化、系統(tǒng)改進(jìn)這3方面。對(duì)吸附式空氣取水技術(shù)來(lái)說(shuō)，吸附材料的吸附性能從根本上決定著吸附式空氣取水裝置的取水性能；傳熱傳質(zhì)過(guò)程對(duì)取水性能也至關(guān)重要；而空氣取水系統(tǒng)則關(guān)系著空氣取水技術(shù)能否走向?qū)嵱没Ｏ挛膶倪@3個(gè)方面分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 吸附材料的研究現(xiàn)狀

吸附劑的選擇從根本上決定了吸附式空氣取水技術(shù)的性能。平衡吸濕量是反映材料吸濕能力大小的重要指標(biāo)，吸附材料解吸的難易程度則決定了解吸能耗的大小。材料的吸附和解吸速度對(duì)空氣取水的循環(huán)周期長(zhǎng)短有重要影響。不同材料的吸附和解吸特性存在較大差別，這與材料自身的狀態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)等有關(guān)。吸附劑應(yīng)具有的特點(diǎn)為：良好的循環(huán)取水能力，即在吸附時(shí)(自然氣候條件下)，吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加；低溫解吸時(shí)的高解吸能力，以便利用低品位能源，比如太陽(yáng)能。為了獲得這樣的高性能吸附材料，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并且取得了重大進(jìn)展。

常規(guī)的吸附劑有分子篩[23]、硅膠[24-25]、沸石[26-27]、吸濕性鹽(如氯化鋰[28-29]、氯化鈣[30-32]、氯化溴[33-34])等，但是它們的取水能力低，解吸能耗高。新型吸附材料如納米多孔無(wú)機(jī)材料[35]、復(fù)合材料[36-39]、金屬有機(jī)骨架化合物(MOFs)[40-43]等展現(xiàn)了巨大的吸水潛力。ARISTOV等[30-31]提出了復(fù)合吸附劑——多孔基質(zhì)+吸濕性鹽的概念，并提供了一種新型的吸附劑設(shè)計(jì)理念；隨后還提出并研究了KSKG硅膠/CaCl2復(fù)合吸附劑，其吸水能力高達(dá)0.70～0.75 g/g，解吸溫度只需50～80 ℃。基于此，在過(guò)去的20多年，學(xué)者們開(kāi)發(fā)并研究了大量的復(fù)合吸附材料。

劉業(yè)鳳[44-46]提出的新型復(fù)合吸附劑SiO2·xH2O·yCaCl2吸附水量大，吸附速度快，在空氣溫度恒為25 ℃、相對(duì)濕度為40%的條件下，這種復(fù)合吸附劑的平衡吸附能力為0.4 g/g，且解吸溫度低(60～80 ℃)，可利用低品位熱能，尤其是太陽(yáng)能，如圖3a所示。

JI等[47]開(kāi)發(fā)了吸附劑MCM-41/CaCl2，并研究了不同CaCl2濃度對(duì)其吸附能力的影響，發(fā)現(xiàn)最佳濃度范圍為50%～60%，此時(shí)吸附劑的吸水能力最高，可達(dá)1.75 g/g，如圖3b、圖3c所示。該吸附劑在80 ℃再生溫度下解吸能力可達(dá)90%以上。此外，作者指出，該吸附劑的吸附性能在幾個(gè)月的吸附解吸循環(huán)運(yùn)行后會(huì)略有下降。

ZHENG等[48]研究了SG/LiCl復(fù)合吸附劑，發(fā)現(xiàn)其吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加。

WANG等[49]研究了以活性炭纖維氈為基質(zhì)的復(fù)合吸濕性鹽氯化鈣的復(fù)合吸附劑ACFCaCl230，發(fā)現(xiàn)其在20℃和70%RH(相對(duì)濕度)的條件下，吸水能力高達(dá)1.7 g/g，如圖3d所示，是硅膠-CaCl2的3倍。但是該吸附劑吸水后會(huì)變形，不能提供穩(wěn)定的傳質(zhì)通道。

WANG等[50-51]開(kāi)發(fā)了以活性炭纖維氈為基質(zhì)的復(fù)合吸濕性鹽氯化鈉的固化復(fù)合吸附劑ACF-LiCl，其最大循環(huán)取水能力高達(dá)0.65 g/g，且其取水能力隨著相對(duì)濕度的增加而急劇提高。

MOF是一種新型復(fù)合吸附劑，是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過(guò)配位鍵自組裝形成的多孔面心立方拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)組合不同的金屬和有機(jī)配體，可以改變MOF的性能，使其選擇性的吸附某種氣體。KIM等[52]合成了MOF-801，在20%RH條件下取水量高達(dá)2.8 g/g，循環(huán)取水能力為0.24 g/g，但其僅在10%～20%的相對(duì)濕度范圍內(nèi)較為有效。

不同吸附劑的吸附、解吸性能如表1所示。

2.2 傳熱傳質(zhì)的優(yōu)化研究

吸附式空氣取水的性能不僅與吸附劑的特性有關(guān)，吸附、解吸過(guò)程中的熱質(zhì)傳遞速率和效率也至關(guān)重要。

2.2.1 吸附床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

許多學(xué)者都采用了KIM等[52]設(shè)計(jì)的單層平板式吸附床結(jié)構(gòu)，如圖4a所示。在吸附工況下，濕空氣與吸附床只有一面相接觸，因此為了獲得足夠的淡水，需要供給大量濕空氣，從而導(dǎo)致了高能耗；而且由于單位集熱器面積的取水量也較低，所以效率不高。GORDEEVA等[33]將吸附材料放置在2塊平板上，吸附床的質(zhì)量為250～350 g，典型吸附平衡時(shí)間為50～60 h，解吸時(shí)間為30 h。JI等[47]使用的也是單層結(jié)構(gòu)的吸附床，吸附劑填充質(zhì)量很少，只有0.4 kg，取水量低，難以滿足需求。

GAD等[21]研究發(fā)現(xiàn)，吸附床的吸水能力取決于吸附面積和傳質(zhì)系數(shù)，并開(kāi)發(fā)了波紋式吸附床結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)大吸附面積，如圖4b所示。但由于其使用了易變形的布料作為鹽的載體，填充量小，每天的取水量只有1.5 kg/m2。

KABEEL等[53]探索了金字塔式多層結(jié)構(gòu)的吸附床，如圖4c所示，對(duì)使用布作為基質(zhì)的吸附劑的填充量有了很大提高，鹽溶液的填充質(zhì)量為9 kg(使用木屑的吸附床的鹽溶液填充質(zhì)量為8 kg)；但是這種填充方式的傳熱傳質(zhì)性能較差，每天的取水量為 2.5 kg/m2。

WANG等[12,54]首次開(kāi)發(fā)了正弦波蜂窩式結(jié)構(gòu)的吸附床，如圖4d所示。吸附床由平板和正弦波蜂窩板交疊而成，吸附劑的填充量可以達(dá)到 40.8 kg(尺寸為 0.4 m×0.4 m×0.6 m)。這種吸附床結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)有：1) 吸附劑填充量大，增大了吸附劑和濕空氣的接觸面積，保障了循環(huán)取水量；2)解吸溫度低至70～80 ℃；3) 結(jié)構(gòu)緊湊，波紋板和平板交錯(cuò)的布置方式提供了良好、穩(wěn)定的傳熱傳質(zhì)通道[55]，降低了流動(dòng)阻力。

表1 用于空氣取水的不同吸附劑的吸附、解吸性能Table 1 Adsorption and desorption performance of different sorbents for extracting water from air

不同吸附床結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 不同吸附床結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)Table 2 Strengths and limitations of different sorbent bed structures

2.2.2 冷凝過(guò)程的強(qiáng)化

GIDO等[56]提出，空氣取水過(guò)程中大約50%的能源消耗在將水蒸氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)水的冷凝過(guò)程中，因此，降低冷凝溫度可以提高濕空氣的捕捉率并降低單位取水能耗。這可以通過(guò)采用廉價(jià)冷源和高效冷凝器來(lái)實(shí)現(xiàn)。GUAN等[57]采用了輻射表面冷卻式冷凝器收集露水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在夜間冷卻時(shí)，冷凝溫度可比室外空氣溫度低15～20 ℃，但其缺點(diǎn)是只能在夜間獲得低于環(huán)境溫度的表面溫度。RAMAN等[58]采用熱光子的方法，開(kāi)發(fā)了集成光子太陽(yáng)反射器和選擇性紅外發(fā)射器的光子輻射冷卻器，可以實(shí)現(xiàn)日間輻射冷卻。該冷卻器可以反射97%的太陽(yáng)輻射，在輻照度為850 W/m2的陽(yáng)光照射下，光子輻射冷卻器的表面溫度比周?chē)諝鉁囟鹊图s4.9℃，冷卻功率可達(dá)40.1 W/m2，如圖5a所示，為提高能源效率提供了一種新途徑。

CHEN等[59]實(shí)驗(yàn)研究了輻射冷卻裝置，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在冬季24 h循環(huán)中，冷卻器的溫度比空氣溫度平均低約37 ℃，最大溫差可達(dá)42 ℃，如圖5b所示。研究還指出，獲得超高冷卻溫差的關(guān)鍵是使用與大氣透明玻璃相匹配的高選擇性發(fā)射器，并最大程度地減少寄生損耗。

近年來(lái)，隨著先進(jìn)輻射材料的不斷發(fā)展，高效輻射冷卻器也取得了突破性的進(jìn)展。ZHAI等[60]采用了一種玻璃-聚合物混合超材料的高效輻射冷卻器，日夜平均冷卻功率高達(dá)110 W/m2以上，白天11:00～14:00的最大冷卻功率達(dá)到93 W/m2，如圖5c所示。

2.3 太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)

太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)的性能，如取水效率、單位吸附劑質(zhì)量的取水量、冷凝溫度等是太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)能否走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。為此，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以證明這一技術(shù)的可行性?；仡櫸墨I(xiàn)，選取了幾個(gè)典型的空氣取水系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

ARISTOV等[32]采用其研發(fā)的復(fù)合吸附材料作為吸附劑，實(shí)驗(yàn)研究了太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)采用直圓錐形的空氣流道，空氣由自然壓差的驅(qū)使完成吸附和解吸過(guò)程；冷凝器位于裝置的中下部，一部分被埋入地下以強(qiáng)化冷凝作用。夜晚，打開(kāi)閥門(mén)，濕空氣從吸附床下部進(jìn)入，流經(jīng)吸附床，水分被吸附劑吸收；白天，在太陽(yáng)能的作用下，吸附劑中的水分解吸為水蒸氣，進(jìn)入冷凝器，而后變?yōu)橐簯B(tài)水流入水槽。在最優(yōu)條件下，該系統(tǒng)的最大取水能力為50 g/100g，最佳解吸溫度為80～90 ℃，當(dāng)解吸溫度為60～70 ℃時(shí)，系統(tǒng)的取水能力為35～40 g/100g，冷凝溫度為15 ℃，具體如表3所示。但研究中未給出具體的優(yōu)化條件，也未分析傳熱傳質(zhì)問(wèn)題；且該系統(tǒng)需要手動(dòng)切換閥門(mén)，操作不便；由于其固定在地面，也不利于移動(dòng)或攜帶。

侴喬力等[61,64]提供了一種透光良好、冷凝迅速、吸附徹底、集熱高效的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器，如圖7所示。夜晚，自然風(fēng)均勻穿過(guò)吸附床中的均布?xì)獾溃絼┪剿魵?，同時(shí)流動(dòng)空氣的對(duì)流換熱使相變蓄冷冷凝罩夾層中的相變材料凝固放熱，實(shí)現(xiàn)蓄冷；白天，關(guān)閉透光罩，相變材料在太陽(yáng)能的作用下實(shí)現(xiàn)再生。大氣的對(duì)流換熱和相變材料的熔化吸熱共同使冷凝罩維持在較低溫度，充當(dāng)冷凝器。該系統(tǒng)單位集熱器的取水能力為每天2.6 kg/m2，但是由于吸附劑填充量小，循環(huán)取水量低，最大僅為7.8 kg/天，無(wú)法保證用水需求，且系統(tǒng)的冷凝溫度高，效率低。

JI等[47]采用的抽屜式太陽(yáng)能吸附式空氣取水實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。該裝置殼體頂部為玻璃板，四周為可折疊的薄鋁片，用來(lái)反射太陽(yáng)輻射；其中一個(gè)側(cè)面有可開(kāi)閉的門(mén)，內(nèi)部是由鋼絲制成的吸附床。該裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但吸附劑填充質(zhì)量小，取水量最高只有0.223 kg/天，不能滿足需求；而且，由于太陽(yáng)輻射面積小造成供熱量不足，吸附床無(wú)法得到有效再生，導(dǎo)致集水效率較低。

KUMAR等[62]采用的太陽(yáng)能蒸餾器式取水系統(tǒng)如圖9所示，其由玻璃板、吸附床、水箱、玻璃鋼殼體組成。殼體兩側(cè)配有可以開(kāi)閉的窗戶(hù)，相比于傳統(tǒng)的取水裝置需要取下玻璃完成吸附過(guò)程，此結(jié)構(gòu)的操作更為簡(jiǎn)便。頂部玻璃板充當(dāng)解吸過(guò)程的冷凝器，此外其在允許短波太陽(yáng)輻射透過(guò)的同時(shí)阻擋了長(zhǎng)波輻射，起到了構(gòu)造溫室效應(yīng)的作用，可用于吸附床的再生。此裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是以玻璃板作為冷凝器，再生時(shí)冷凝溫度高導(dǎo)致其取水能力較低，最大只有每天0.2 g/g。

FARHAD等[63]設(shè)計(jì)了一種嵌套式空氣取水系統(tǒng)，如圖10所示。該系統(tǒng)由2部分組成：空氣取水器 (0.47 m×0.47 m×0.2 m)和殼體 (0.61 m×0.61 m×0.56 m)。吸附床是由 1.2 kg 的 MOF-801G 壓制而成的多孔金屬薄片，孔隙率為0.7，體積為2945 cm3；殼體四周側(cè)壁充當(dāng)冷凝器，頂部安裝有太陽(yáng)能集熱器。白天，太陽(yáng)能集熱器加熱MOF-801G使其再生，釋放出的水蒸氣接觸到低溫壁面，冷凝為液態(tài)水。該系統(tǒng)可以提高取水量，但是單位體積取水量低。研究人員分析了造成單位體積取水量低的原因在于冷凝溫度不匹配，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)減少吸附劑的質(zhì)量，在同樣條件下，取水量反而增加，取水效率由33%增加到79%。

KIM等[52]設(shè)計(jì)了三明治式的空氣取水系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)由MOF層吸附床和冷凝器組成，解吸過(guò)程在環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，不需要額外能源輸入。該系統(tǒng)可以顯著改善吸附床的熱質(zhì)傳遞速率，但是單位集熱器面積取水量較小。

WANG等[18]設(shè)計(jì)的使用ACF-LiCl的模塊化空氣取水系統(tǒng)[13]如圖12所示，其主要由吸附床、冷凝器、風(fēng)機(jī)和加熱器組成。吸附床一共有2層，尺寸為1.0 m×0.75 m×0.6 m，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸為1.2 m×1.0 m×1.3 m，吸附劑填充質(zhì)量為 70 kg，最大取水量為38.5 kg。該系統(tǒng)采用了正弦波蜂窩式吸附床，可以提供良好的傳熱傳質(zhì)通道；且系統(tǒng)可以根據(jù)需要靈活擴(kuò)展，滿足用水需求。但系統(tǒng)需配合冷凝器和集熱器使用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位取水能耗為2.0～2.7 kWh。

對(duì)各種太陽(yáng)能吸附式空氣取水裝置的性能進(jìn)行總結(jié)，如表3所示。

3 太陽(yáng)能吸附式空氣取水的實(shí)際應(yīng)用

本文第2部分總結(jié)了一些典型的太陽(yáng)能吸附式空氣取水系統(tǒng)的研究進(jìn)展，但這些都是在實(shí)驗(yàn)室條件下展開(kāi)和研究的，具有一定的局限性。不過(guò)，太陽(yáng)能吸附式空氣取水技術(shù)在實(shí)際中也有一些工程案例，下文主要介紹2種太陽(yáng)能吸附式空氣取水器。

3.1 太陽(yáng)能吸附式空氣取水器——Zero-mass[65]

太陽(yáng)能吸附式空氣取水器Zero-mass如圖13所示。該裝置由中間的光伏組件、2塊太陽(yáng)能集熱器面板和底部的儲(chǔ)水箱組成，尺寸為1.2 m×2.4 m。光伏組件驅(qū)動(dòng)內(nèi)部風(fēng)機(jī)，使環(huán)境中的濕空氣進(jìn)入兩邊的面板，水分被其中的吸水材料所吸收；在太陽(yáng)能的作用下，水蒸氣從這些材料中釋放，隨后冷凝，進(jìn)入儲(chǔ)水箱。該裝置的特點(diǎn)是裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊化，高度可以調(diào)節(jié)，安裝在屋頂上不占室內(nèi)空間，完全擺脫了對(duì)電力的依賴(lài)。

該裝置的取水能力取決于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和環(huán)境的溫濕度條件，可以保證至少4～10 L/天，單位太陽(yáng)能集熱器面積的取水能力為2.08～5.21 kg/m2。

3.2 太陽(yáng)能吸附式空氣取水器——SunToWater[66]

SunToWater是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的吸附式空氣取水器，其工作原理如圖14所示。該裝置的工作過(guò)程分3個(gè)階段進(jìn)行：吸附、再生-冷凝和補(bǔ)充礦物質(zhì)。首先，小型節(jié)能風(fēng)機(jī)將潮濕空氣吸入設(shè)備，空氣經(jīng)過(guò)鹽基吸附劑，水分被吸收；隨后，熱空氣從吸附劑中釋放水蒸氣，通過(guò)冷凝器冷凝并收集冷凝水；最后，將人體所需的礦物質(zhì)加入水中。該設(shè)備可以完全由太陽(yáng)能供電、供熱，即通過(guò)光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，太陽(yáng)能集熱器供應(yīng)熱空氣，其取水能力可以達(dá)到150～380 L/天。

4 展望

通過(guò)前文的分析，為了構(gòu)建高效、經(jīng)濟(jì)并可擴(kuò)展的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器，從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，可以從吸附材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化冷凝幾個(gè)方向努力。

1)吸附材料。理想的吸附材料應(yīng)該是對(duì)溫度敏感的，應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在低溫吸附階段，其吸水能力隨著相對(duì)濕度的增加而增加；在高溫解吸階段，其吸水能力隨著溫度的增加而急劇下降，即易于脫附水蒸氣?？紤]到不同地區(qū)存在氣候差異，即使在同一個(gè)地方，全年甚至每天的氣候也會(huì)有很大的波動(dòng)，因此吸附劑應(yīng)該具有在不同氣候條件下的廣泛適應(yīng)性。

2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：首先，應(yīng)該匹配干燥劑的再生和水蒸氣的冷凝溫度。對(duì)冷凝器來(lái)說(shuō)，要想維持較低的單位取水能耗，入口空氣應(yīng)該低溫而高濕。但與此同時(shí)，要想獲得較高的單位取水量，吸附床出口的水蒸氣狀態(tài)應(yīng)該是高溫且低相對(duì)濕度，這意味著更高的解吸量，吸附床出口和冷凝器入口的空氣可以看作處于同一狀態(tài)。其次，應(yīng)該強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)過(guò)程。太陽(yáng)能吸附式空氣取水器的投資和運(yùn)行成本是制約其實(shí)用性的關(guān)鍵因素，而傳熱傳質(zhì)的改善不僅可以提高系統(tǒng)能效，還可以使系統(tǒng)更加緊湊，有利于促進(jìn)太陽(yáng)能空氣取水的規(guī)?；瘧?yīng)用。

3)強(qiáng)化冷凝，研發(fā)高效冷凝器。從表3也可以看出，盡管吸附材料的吸水能力高，但取水效率制約著最終的取水量。這就要求需要設(shè)計(jì)出強(qiáng)化的冷凝器使水蒸氣可以高效地轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，提高集水效率。比如，高效輻射冷卻板即使在白天也可以提供5～10 ℃的冷卻水，不僅可以用來(lái)直接冷卻水蒸氣，還可以作為經(jīng)濟(jì)冷源來(lái)提高系統(tǒng)性能；地埋管也可以提供10～16 ℃的冷卻水，也可考慮作為高效冷源。

5 結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)能吸附式空氣取水的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。其因裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展、較經(jīng)濟(jì)、輸入能源清潔可再生而具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。然而，盡管高取水性能的吸附劑和具有良好傳熱傳質(zhì)結(jié)構(gòu)的吸附床都取得了突破性的進(jìn)展，但是現(xiàn)有的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器鮮有得到大規(guī)模應(yīng)用。從其性能指標(biāo)來(lái)看，高效性、經(jīng)濟(jì)性、可擴(kuò)展性、寬工況適應(yīng)性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性并不能同時(shí)得到滿足。為了構(gòu)建高效、經(jīng)濟(jì)并可擴(kuò)展的太陽(yáng)能吸附式空氣取水器，從技術(shù)的角度來(lái)說(shuō)，可以從吸附材料、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、強(qiáng)化冷凝幾個(gè)方向努力。