太阳能与昼夜温差全天候取水系统的测试研究

付琦智

摘 要：目前全球范围内越来越严峻的淡水匮乏不仅严重制约了社会和经济的发展，也对人类的生存提出了前所未有的挑战。据调查，空气中含水量高达14000㎞3，为充分利用空气中保有的水分，设计该基于太阳能与昼夜温差的全天候取水系统。本系统在白天利用太阳能发电板为微吸风机供电，并构建出“空气-地层”冷凝结构，晚上利用自然昼夜产生的温差进行凝结取水，并存储在埋藏于地下的存水器，通过设计取水试验进行验证，发现了系统装置的产水规律拟合曲线，可满足干旱半干旱地区用水需求，并具有全天候使用，取水快捷，成本低、易推广的优点。

关键词：太阳能；昼夜温差；空气取水；露点温度

引言：

随着环境的日益恶化，淡水资源正变得愈来愈稀缺，实际上，大气中富含淡水，并且不受地域限制，据估算，大气中含有大约14000 ㎞3的水蒸气，地表的淡水总量只有1200㎞3，但到目前为止，对空气中淡水的利用率几乎为零[1]。干早地区是由于地表和浅层地下水过少而造成的缺水，而海岛和沿海地区是由于周边海水过多，周围水域含盐量大，导致淡水资源不足。解决上述地区的淡水供应问题的传统方法包括交通运输淡水和海水淡化两种途径。交通运输成本较高、速度慢，海水淡化技术、设备要求高且成本大，对大部分贫穷落后的地区并不适用，以上两种方法均不适合广泛使用。为解决上述交通成本昂贵、速度慢、损耗高等问题，本系统在保证成本低，效果好的前提下引入太阳能供电模块，并创造性利用因昼夜交替产生的温差进行全天候的空气取水。

1.系统原理

本系统将太阳能与昼夜交替产生的温度差两种自然能源结合在一起，实现全天候的空气冷凝成水。在白天，系统利用太阳能发电板为微吸风机供电，晚上利用自然昼夜产生的温差进行凝结取水，并存储在存水器。空气被微吸风机吸入系统装置时，其中夹杂的较大灰粒在装置顶部防微粒过滤网被拦截，无法进入水杯内部，保证了水源的清洁，在与杯壁接触后，由于地层与空气间的温差，将使得进入杯子的空气温度快速降低到露点温度，在气压不变的状态下，水蒸气变为露珠附着在杯壁。随着空气不断的吸入和排出循环，水分子集聚的也愈来愈多，最终汇聚在水杯底部，形成可使用的水源。

在系统工作之前，需考虑装置大小，确定竖井水平直径，可在地表挖掘出1.5m深的竖井。实际上，据文献调查与实验发现，1.8m左右最为合适，此时竖井既不太深，亦有利于用户进行开挖，也保证了空气中水分冷凝的基本温差条件。通过构造出的“空气-地层”的冷凝结构，并保持竖井上下均匀，且与系统装置紧密整合接触，即可保证最佳的取水效果。

2.实验测试与分析

2.1 昼夜产水测试

同时在7.07-7.12日白天14点到17点时间段和20点到次日8点的两个时间段内，竖井深度设置为1.8m，进行长达一周的产水实验，进行时空范围内的量化分析，取水实验数据如下表1和表2所示。

2.2 竖井深度测试

在组装完整系统装置之前，对原理进行验证，构建出装置模型，在尽量保证其他条件相同时，在西南科技大学新区实验田中，通过不同深度的竖井深度梯度试验（1小时），并别得到了不同的取水量，产水结果如下图1所示。

图1 竖井深度与产水关系

对采得样本数据进行分析，可得到取水量与竖井深度的关系，如下图3所示。发现数据呈二次分布。因而进一步对数据进行计算，在这里采用最小二乘法来进行拟合，通过最小化平方差损失来进行优化，整个过程由无约束优化器进行迭代计算，最终取得较好的拟合效果，最终获得的总体平方差误差损失为0.00646403259354，总体绝对值误差损失为0.182550684346。由于仅仅使用二函数拟合便达到了这种效果，所以并没有过拟合的可能性，因此能确定该函数的正确性，拟合图像与公式如下所示，其中，Y代表产水量，单位为毫升；X代表竖井深度，单位为m

2.3 社会与经济分析

应当注意，该取水系统受当地的天气、湿度、昼夜温差大小等相关因素影响，属于典型的多元线性回归模型问题，故每天的产水量尚不相同。经实验验证，系统装置所在地的昼夜温差越大、气压变化程度低、湿度较大的情况下产水和存水效率更高。

从社会与经济角度分析，该装置可降低我国为解决水资源问题而实施的跨流域调水过程中经济损失及能源损耗，包括运输使用能源成本、时间成本、供水成本等。若以新疆一年1%的人口数使用该装置为例，根据调研结果平均水平一昼夜（24小时）可产水60ml来计算：该装置可实现产水6716000升，以十五年为固定折旧期，由此可求得该装置可平均为用户减少15%的饮用水支出。同时，该装置对于宏观经济及生态环境有易预见的极大益处。推广后，保守估计可减轻国家环境保护8%左右的负担及高昂的部分跨流域调水工程建造、实施等过程的费用。

同时，经调查在长期缺水环境下，旅者每日最低饮水量为300ml，而极度缺水情况下，80ml完全可以维持生命。可见，该装置对旅者亦有较大的使用价值。

3.应用前景

空气取水技术为淡水缺乏的地区提供了一个新的解决方案，目前国际上的空气取水技术已呈现产品化趋势[3]，美国、德国、加拿大、以色列等国家已研发出在空气湿度较高地区使用的取水设备，目前大型、大容量取水设备技术正在快速发展，但也呈现出系统笨拙、体积庞大、不宜携带和推广困难等弊端。我国近几年旱区约占我国陆地面积的30%，其气候特征为降水量少而变率大，一般气温日较差和年较差较大，蒸发量大于降水量，云量少而日照强。该系统，恰针对于我国干旱半干旱地区，创造性结合該类地区以上所述的白天光照充足、昼夜温差大的气候特点，奇妙地利用“空气-地层”的冷凝结构，实现可持续的空气型取水。且系统装置玲珑小巧，制作成本低，组装性强，容易推广和发展。

参考文献：

[1] 徐莹莹，汤洁，祝惠等.东北城市露水凝结观测及其与常规气象要素的关系[J].生态学报，2017，（7）：2382-2391.

[2]李强，郝秀渊.空气取水技术研究综述[J].山西建筑，2016，（31）：124-126.

[3]刘金亚，王佳韵，王丽伟，等.一种吸附式空气取水装置的性能实验[J].化工学报，2016，（z2）：46-50.

基金项目：西南科技大学大学生创新基金项目《基于太阳能与昼夜温差的自动取水装置》，编号：CX19-079.