一种便携式的太阳能空气取水器

作者/伍芷仪，常德芷兰实验学校

一种便携式的太阳能空气取水器

作者/伍芷仪，常德芷兰实验学校

针对孤立的环境下安全饮水的不易,以太阳能为主要能源，使用半导体来达到制冷的目的，从空气当中利用温差回退冷却法得到空气中产生的冷凝水，经过过滤之后就可以直接饮用。给在高山、戈壁、荒漠等淡水资源匮乏的地方解决应急水源。

便携；节能；温差；冷凝

前言

水资源是人类生活及生产活动的基础所在，但是，淡水资源缺乏的问题一直都是世界性的难题，根据相关的统计数据表明，全世界大约有12亿人口无法喝到干净的饮用水。其中，我们国家的人均淡水资源就非常的少，特别是在高山、戈壁、荒漠等地方淡水资源更加匮乏，应考虑发展一种能够就地保障的供水技术。特别是当今扶贫政策驱动下，国家对保障群众的安全饮水提出了要求，以往传统的供水方式已经无法有效的满足用水的要求，怎么才能够找到新的途径来得到更多的淡水资源，是现阶段主要研究的一个难题。科研人员经过大量的研究表明，能够从大气当中汲取水分利用气取水技术来获得淡水资源。

1.系统设计

■1.1 结构设计

为了实现太阳能空气取水器的便携，使系统更广泛用于孤立的环境和安全饮水等领域，其结构如图1所示。空气取水单元就是利用半导体制冷片产生的Peltier效应，利用太阳能供电装置提供的电能来达到制冷的效果，使水蒸气遇冷就会凝结成水。系统主要包括折叠式（或薄膜式）太阳能板、程控电源、半导体制冷器、吸风扇、结霜器、化霜器、集水器和净水器等部份。

图1 太阳能空气取水器硬件结构图

半导体制冷就是通过Peltier效应，当直流电经过P型、N型半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端位置就能够分别吸收热量以及放出热量，而吸收的热量面就能够达到制冷的效果。半导体制冷片的优点就是，结构紧凑，携带非的方便，能够按照用户的需求做成微型的制冷装置。

折叠式（或薄膜式）太阳能板是一种便于携带，通过光电效应直接把光能转化成电能的装置。在自然界中，太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，通过折叠式（或薄膜式太阳能板在目的地将太阳能转换成电能后给半导体制冷器供电。

程控电源主要将太阳能板的电能输出适配调整到半导体制冷器件使用，与此同时扩展应用，接入市电，将市电适配调整至半导体制冷器件使用。

结霜器采用环形散热圆锥片，以最大与空气接触面积为目的，与半导体制冷器接触将温度传导到结霜器的外片，达到将空气中的水份凝聚成霜，进而化霜成水。

化霜器与结霜器配套，通过温度调节将结霜器上的凝霜化成水。再由集水器将空气中取的水集结起来。净水器将集水器中的水净化后供人们饮水使用。

■1.2 工作原理

工作原理就是利用太阳能为能源，通过半导体制冷，利用冷却法从空气当中得到冷凝水，经过过滤之后就可以饮用。

1.2.1 半导体制冷基本原理

从原理方面说就是，半导体制冷片是传递热的一种工具。如果一块N型半导体材料与一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过的时候，那么两端就会使得热量产生转移，进而出现温差就会形成冷热端。但是，半导体自身也有电阻的存在，如果电流经过半导体的时候多多少少也会产生一些热量，这就会对热传递有一定程度的影响。并且两个极板之间的热量就会通过材料自身产生逆向热传递。如果冷热端达到一定温差的时候，那么这两种热传递的量保持相等的情况下，就会达到相对平衡的点，产生的热传递也会抵消。这个时候的冷热端温度也不会在出现变化。

风扇还有散热片主要的作用就是确保制冷片保持散热一般情况下，半导体制冷片冷热端的温差能够达到40到65度之间，而利用主动散热的方式能够有效的降低热端温度，那么冷端的温度也会跟着降低，使得温度慢慢的下降。

半导体热电偶主要的组成部分就是N型半导体与P型半导体。如果N型半导体材料与P型半导体材料联结成电偶对的时候，在这个电路当中接通直流电流，就会使得能量产生转移。

在电偶的两端就能够分别对热量以及放出的热量进行吸收，在对热量面进行吸收的时候从而达到制冷的效果。电流的大小和半导体材料的元件对数直接关系到吸热及放热的大小。

Q=π·I=a·Tc·I ，其中 =a·Tc。

在这个公式当中：Q是放热或着是吸热功率、是比例系数，也可以称作珀尔帖系数、I是工作电流、a是温差电动势、Tc表示为冷接点温度。

半导体制冷片对于空气取水单元来说是最为重要的一个部件，采用性能较好的材料就对取水的效果有直接的影响。对于现阶段市面当中出现的制冷片，本文就选择了厂家生产的TEC1–12705制冷片来作为例子，其型号说明如下表1所示。

表1 TEC1-12705制冷片型号说明

1.2.2 太阳能供电单元

太阳能供电单元组成部分主要由光伏组件、控制器以及蓄电池等组成。太阳能光伏组件就是把太阳能转化成电能，之后再利用逆变器与控制器等为空气取水单元提供需要的电能。

为了便携组合方便，选择拆装简易、移动方便的12V/100W太阳能柔性电池板, 太阳能控制器能够对整个太阳能电源系统的工作状态进行控制，并且能够对12V/100AH的蓄电池起到过充电保护和过放电保护的效果。

在对功率进行设计的时候，应当尽量加强太阳能光伏电池板，使得半导体制冷功率达到最大化。

1.2.3 结霜器与过滤器

结霜器的表面非常光滑，主要是由导热效率比较好的材料制作的，这样才能够确保空气当中的水蒸气经过的时候可以最有效的冷凝[3]。

想要在低温条件当中得到冷凝水是非常难的，而半导体制冷片的温差范围为–130℃～90℃之间。我们就可以利用半导体温差电片件的热端产生的热量来预热进风口的冷空气，再冷凝从而得到其中的冷凝水。过滤器是能够进行拆装的微型过滤消毒装置，这样才能够更好的保障制出的水能够饮用。

2.实验分析

从一定程度上来说，如果制冷量越多的话，那么产水量就会越多，但是，我们需要做的是在得到较大制冷量的条件下，使用比较小的功耗就能够完成任务。在研究的过程当中，我们把实验得到的数据进行分析，从而得出一个对空气取水装置可以在最佳的状态下进行工作的数据，为后期的工作提供一定的帮助。

■2.1 不同散热方式对制冷性能影响

在实验开始时，制冷片的冷热端温度一般情况下都在23.8℃，随着时间的推移，热端的温度不断的升高，但是，冷端的温度会慢慢的降低。

因考虑便携条件采用空气自然对流散热方式和空气强迫对流散热方式。我们要在半导体制冷片的热端位置装置一个散热片，并且需要在散热片的上端位置安装风扇来达到换热的目的。在相同的实验条件下，制冷片的冷热端温度都保持在一个稳定值后，空气强迫对流散热方式的散热效果相对而言更好一些。

■2.2 制冷片温度测试结果和分析

以环境温度为18℃，湿度为65%，工作电流：5.0A为例做测试。其数据结果如表2所示。

表2 制冷片工作温度定量测试

从实验数据可知，制冷片温度下降较快，在120S时热端与冷端的温度差达到50oC。制冷片工作大约1h之后，冷热端的温度就会逐渐的达到一个相对稳定的值。

■2.3 不同空气流量下制水量

在温度为18℃，湿度为85%，工作电流：5.0A，吸风扇在12V 电压的情况下工作，对空气流量进行调节从而对单位时间内进入到结霜器的流量值进行改变，这样就能够测量在单位时间中空气制水机的制水量。

3.实验调试

■3.1 程控电源

程控电源根据TEC1–12705制冷片的性能参数，设计一输出直流电压为12V，额定电流为5A的温度采集与控制输出电源，该电源给TEC1–12705制冷片采取温度回退控制模式。

温度控制范围：–50～110℃；分辨率在 –9.9～99.9℃时为0.1℃，其温度段1℃；测温精度0.1℃；控制温度0.1℃；回差精度0.1℃；刷新频率0.5S；输出采用10A继电器；NTC(10K 0.5%)防水型传感器。能进行最低温度和回差温度设定功能。

图7 交通灯控制器仿真电路图

＊ [1]赵文秀.城市多功能智能交通路口系统的研究[D].辽宁工业大学,2015.

＊ [2]苏 亚 囡,任 培 河,冯飞.智能交通控制信号系统设计[J].科技展望,2016,26(21):179.

＊ [3]杨洁,叶晶晶,刘海民.基于STC89C52RC十字路口交通灯的设计[J].电子测试,2016,(19):14-16.

＊ [4]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2016.

＊ [5]叶 建 波,朱 双 东.基于Proteus的单片机电路的虚拟仿真[J].电子工程师,2008,34(11):23-24+67.