太陽能空氣取水管實驗研究及應用分析

趙惠忠， 吳天浩， 劉 濤

（上海海事大學 商船學院， 上海 201306）

0 引言

沙漠地區(qū)氣候干燥，但空氣中仍然存在著大量水蒸氣。 利用沙漠地區(qū)良好的日光照射條件，將沙漠地區(qū)空氣中的水蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)水，能夠緩解沙漠地區(qū)的缺水問題。

從空氣中獲取淡水的方法主要包括雨水收集法、制冷結(jié)露法和吸附空氣制水法。 對于空氣濕度較低的地區(qū)， 利用制冷結(jié)露法制取淡水時，會受到空氣露點較低等因素的影響，導致系統(tǒng)的能耗較大且產(chǎn)水率較低，因此，該方法不適用于干旱地區(qū)[1]。對于吸附空氣制水法，Srivastava 根據(jù)印度的大氣條件，利用1.5 kg 砂和濃度為37%的氯化鈣制成復合材料，并利用該復合材料進行制水實驗，實驗結(jié)果表明，該復合材料每天的最大產(chǎn)水量為115 mL[2]。 Kumar M 研制出了一種能夠從大氣中捕獲水分的新型復合吸附材料（CaCl2/saw wood），通過研究發(fā)現(xiàn)，該復合材料的最大制水量為180 mL/（kg·d）[3]。 楊凡對適用于空氣取水的套管式吸附床的吸附特性進行了研究，分析結(jié)果表明，吸附床吸附量隨著風機功率的增加而增加，此外，增大傳質(zhì)通道的直徑能夠更好地提高吸附量[4]。 王如竹建立了ACF-LiCl 模塊化空氣取水系統(tǒng)，該系統(tǒng)中填充了70 kg 吸附劑，最大取水量為38.5 kg[5]。 Farhad F 設(shè)計了一種嵌套式空氣取水系統(tǒng)， 該系統(tǒng)中的吸附床是由質(zhì)量為1.2 kg的MOF-801 壓制而成的體積為2 945 cm3的多孔金屬薄片， 該系統(tǒng)一晝夜制取液態(tài)水的質(zhì)量的最大值為120 g[6]。 本課題組發(fā)明了一種太陽能吸附取水管，并通過實驗和數(shù)值模擬，得到了該太陽能吸附取水管的取水效率發(fā)現(xiàn)， 當管內(nèi)的空氣最大流速約為2.45 m/s 時， 單只太陽能空氣取水管每天的取水量約為0.753 L[7]，[8]。 此外，本課題組通過實驗測試了5A 分子篩的開式吸附性能， 實驗結(jié)果表明，5A 分子篩的平衡吸附量、 累積吸附速率均與環(huán)境的相對濕度呈正相關(guān)， 均與環(huán)境溫度呈負相關(guān)， 當環(huán)境溫度由25 ℃降低至10 ℃時，5A分子篩的平衡吸附量增加了56%[9]。

本課題組以干旱地區(qū)豐富的太陽能作為驅(qū)動脫附能源， 通過試驗研究了太陽能空氣取水管的制水性能，發(fā)現(xiàn)沙漠地區(qū)空氣的相對濕度較低（約為30%），在該地區(qū)吸附劑對空氣中水蒸氣的吸附能力低于上海地區(qū)（空氣相對濕度約為60%），并且吸附劑在相對濕度為36.5%條件下的吸附性能約為相對濕度為69%條件下的80%，因此，沙漠地區(qū)吸附劑總的空氣取水量比上海地區(qū)約低了20%[9]。 本文根據(jù)以上研究結(jié)果，進一步分析了將太陽能空氣取水技術(shù)應用于沙漠地區(qū)的可行性，以期獲得在沙漠地區(qū)建立補水站以及進行滴灌小型化種植的可行性。

1 太陽能空氣取水管以及實驗系統(tǒng)

1.1 太陽能空氣取水管原理

太陽能空氣取水管 （Solar Watering Tube，SWT）利用吸附床內(nèi)13X 沸石吸附劑吸附空氣中水蒸氣；然后，利用太陽能脫附水蒸氣；最后，利用冷凝管使水蒸氣凝結(jié)，以獲得液態(tài)水。太陽能空氣取水管的制水過程不受周圍區(qū)域水資源的影響[7]。

太陽能空氣取水管的結(jié)構(gòu)及其吸附-脫附制水循環(huán)示意圖如圖1 所示。

圖1 太陽能空氣取水管的結(jié)構(gòu)及其吸附-脫附制水循環(huán)示意圖Fig.1 Structure and adsorption-desorption water production cycle of solar air watering tube

由圖1 可知， 太陽能空氣取水管主要由真空集熱管（包含內(nèi)管、外管和真空層）、吸附床（填充了13X 沸石吸附劑）、吸附床水蒸汽通道、吸附床頂端濾網(wǎng)、密封塞、冷凝管、集水瓶組成。太陽能空氣取水管的吸附-脫附循環(huán)過程主要包括夜間的吸附過程和白天的脫附制水過程。 具體的循環(huán)過程：夜間，將真空集熱管與密封塞分開，含有水蒸氣的空氣流經(jīng)吸附床，吸附床內(nèi)的13X 沸石吸附劑開始吸附空氣中的水蒸氣；白天，利用密封塞將真空集熱管端口密封， 吸附床吸收太陽能輻射能后，溫度逐漸升高，吸附床內(nèi)的水蒸氣逐漸脫附出來，脫附出的水蒸氣進入冷凝管冷凝成液態(tài)水，而后靠重力流至集水瓶保存起來。

1.2 實驗的建立

圖2 為太陽能空氣取水管實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。由圖2 可知， 太陽能空氣取水管實驗系統(tǒng)主要由小型氣象站、TBQ-2 總輻射表、QTS-4 全天候光輻射數(shù)據(jù)自記儀、吉時利2700 數(shù)據(jù)采集儀、太陽能空氣取水管、冷凝器、計算機組成。 利用該實驗系統(tǒng)進行測試，可以獲得太陽能輻射強度，輻射總量參數(shù)，環(huán)境溫度，環(huán)境濕度和太陽能空氣取水管溫度、取水量以及冷凝器溫度等參數(shù)。

圖2 太陽能空氣取水管實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of solar air watering tube experiment system

2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實驗時間為2018 年5 月9 日-13 日，實驗地點為上海地區(qū)。 實驗期間的天氣狀況包括晴天和多云天氣。 實驗分別測試了單支太陽能空氣取水管的各項參數(shù)，以分析環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、太陽能輻射強度、吸附床溫度以及冷凝器溫度（取水管冷凝溫度）對太陽能空氣取水管產(chǎn)水率的影響。

2.1 環(huán)境參數(shù)的變化

太陽能空氣取水管的吸附過程以及水蒸氣的冷凝過程主要受環(huán)境參數(shù)的影響。 圖3 為5 月9日，環(huán)境溫度和相對濕度的變化情況。

圖3 測試日，環(huán)境溫度和相對濕度的變化情況Fig.3 The variation of ambient temperature and relative humidity on test day

由圖3 可以看出，5 月9 日，環(huán)境溫度為20～31 ℃，平均溫度為24.6 ℃，環(huán)境相對濕度為50%～70%，平均相對濕度為61.0%。

2.2 太陽能輻射強度的變化

太陽能輻射強度和累計輻射總量會影響太陽能空氣取水管的脫附過程。測試日為晴天，有少許云，因此，測試日的太陽輻射強度較高。 圖4 為5月9 日太陽能輻射強度的變化情況。

圖4 測試日，太陽能輻射強度的變化情況Fig.4 Variation of solar radiation intensity on test day

由圖4 可知：7：00 太陽能輻射強度約為100 W/m2，而后逐漸升高；12：15 達到最大值（790 W/m2）；在此之后，太陽能輻射強度逐漸降低，17：00為150 W/m2左右。 全日累計輻射總量約為19.74 MJ/（m2·d）。

2.3 太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化

圖5 為5 月9 日， 太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化情況。

圖5 測試日，太陽能空氣取水管吸附床溫度的變化情況Fig.5 The adsorbent bed temperature variation of the SWT on test day

由圖5 可知：從6：00 開始，太陽能空氣取水管的吸附床吸收太陽輻射能， 其溫度逐漸升高；7：00，吸附床溫度達到51 ℃左右，此時吸附劑開始脫附水蒸氣；8：00 以后，吸附床溫度迅速升高，水蒸氣脫附量也逐漸增大；12：20 左右，吸附床溫度達到200 ℃；14：35，吸附床溫度到達最高的218℃，該溫度基本可以將13X 沸石吸附劑內(nèi)的水蒸氣 完 全 脫 附。 由 圖5 還 可 以 看 出：12：20-14：35，吸附床溫度趨于平緩，這是由于當太陽能取水管溫度較高時， 其填充吸附床的真空管熱損失增大所導致；14：35 以后，隨著太陽輻射強度逐漸降低，吸附床溫度逐漸降低；17：00，吸附床溫度降至175 ℃，此時脫附過程全部結(jié)束；次日3：00，吸附床溫度達到50 ℃以下， 此時13X 沸石吸附劑開始吸附空氣中的水蒸氣， 當沸石吸附劑低于50 ℃時，13X 沸石吸附劑對水蒸氣的吸附能力較高， 于是太陽能取水管進入了下一個吸附-脫附制水循環(huán)過程。

2.4 太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化

圖6 為5 月9 日， 太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化情況。

圖6 測試日，太陽能空氣取水管冷凝溫度的變化情況Fig.6 The condensation temperature variation of the SWT on test day

由圖6 可知：6：00，幾乎沒有水蒸氣從13X沸石吸附劑中脫附出來， 取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度相差不大，此后，隨著太陽輻射強度逐漸增大，吸附床脫附水蒸氣量逐漸增加，從而導致取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度之間的差值逐漸增加；11：30 左右， 該溫度差達到了最大值， 約為8 ℃，此后，隨著吸附床脫附水蒸氣量逐漸減少，取水管冷凝溫度與環(huán)境溫度之間的溫度差逐漸減??；14：00以后，溫度差基本小于1 ℃。

2.5 太陽能空氣取水管制水量

圖7 為5 月9 日白天脫附過程中，太陽能空氣取水管累積制水量的變化情況。

圖7 白天脫附過程中，單支太陽能空氣取水管累積制水量的變化情況Fig.7 Variation of the fresh water yield of a single SWT during daytime desorption

由圖7 可知：7：00，太陽能空氣取水管開始制水，但制水量較少，此后，隨著太陽輻射強度逐漸升高，太陽能空氣取水管的制水量逐漸增加；9：00以后，太陽能空氣取水管制水量迅速增加；14：00左右，吸附床內(nèi)的水蒸氣基本脫附完成，而后，太陽能空氣取水管的制水量逐漸減少；15：00-18：00，太陽能空氣取水管的制水量約為8 mL；17：00以后，太陽能空氣取水管的制水量趨近于0。制水量的測試時間為7：00-18：00， 該測試時間內(nèi)，太陽能空氣取水管的累積制水量約為113 mL。

2.6 太陽能空氣取水管實驗數(shù)據(jù)分析

本文于2018 年5 月9 日，12 日，13 日進行了太陽能空氣取水管的取水實驗。實驗結(jié)果表明，在晴或多云的天氣情況下，當環(huán)境溫度為20～30 ℃，環(huán)境相對濕度為31%～83%， 太陽輻射量為17.1～21.0 MJ/（m2·d）時，太陽能空氣取水管中心溫度的最大、最小值分別約為230，40 ℃，這樣可以分別滿足吸附劑的脫附溫度和吸附溫度。

太陽能空氣取水管的單位能量的制水量MPE為太陽能空氣取水管的制水量與太陽輻射量之比， 該參數(shù)反映了太陽能空氣取水管的能源利用能力。 通過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同測試日，單支太陽能空氣取水管的制水量MPD 分別為107，86，102 mL，MPE 分別為120，105，113 mL/MJ。 影響MPE 的因素主要包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和太陽輻射量。當太陽輻射量較高，吸附床脫附溫度達到要求時，影響MPE 的主要因素為前日夜間吸附床對空氣中水蒸氣的吸附量。

3 太陽能空氣取水管取水系統(tǒng)應用分析

圖8 為太陽能空氣取水系統(tǒng)的示意圖。

圖8 太陽能空氣取水系統(tǒng)應用示意圖Fig.8 Schemat diagram of solar air watering application system

由圖8 可知， 太陽能空氣取水系統(tǒng)主要由太陽能空氣取水管、冷凝器、水箱和滴管器組成。 本文中的太陽能空氣取水系統(tǒng)安裝在屋頂面積為20 m2的建筑上。 若將20 支太陽能空氣取水管組成1 個制水單元， 則每個制水單元每天可以制取液態(tài)水約2 L。 經(jīng)過計算可知，該建筑的屋頂上可以安裝8 組制水單元， 則每日可以制取液態(tài)水約為16 L。

4 結(jié)論

本文將13X 沸石吸附劑與太陽能集熱管相結(jié)合，制成了太陽能空氣取水管，通過對該取水管進行實驗研究，得出了如下結(jié)論。

①當環(huán)境溫度為18～32 ℃， 環(huán)境相對濕度為50%～80%， 太陽輻射量為17.1～21.0 MJ/（m2·d）時，太陽能空氣取水管中心溫度的最大、最小值分別約為230，40 ℃，能夠分別滿足吸附劑脫附和吸附過程的溫度要求。

②通過實驗發(fā)現(xiàn)，單支太陽能空氣取水管每日能夠制取液態(tài)水91～113 mL， 太陽能空氣取水管的單位能量制取水量為90 ～102 mL/MJ。

③將20 支太陽能空氣取水管組成一個制水單元， 則在屋頂面積為20 m2的建筑上可放置8組制水單元，那么太陽能空氣制水系統(tǒng)的制水量約為16 L/d。