太陽能空氣取水/制水技術淺析

大連育明高級中學 ■ 劉子賢

大連理工大學能動學院 ■ 尹智超 張博*

0 引言

水資源匱乏正逐漸成為全世界所面臨的重大問題之一。雖然地球70%的面積被水覆蓋，剩余30%的陸地上也有水資源的分布，但這其中絕大部分是咸水，而可供人類飲用的淡水不到3%；且可飲用的淡水中還包括難以開發利用的冰川固態水、深層地下水等，易于被人類開發利用的湖泊、河流、淺層地下水等淡水資源還不到地球總水量的萬分之一[1]。隨著人口的不斷增長及環境污染的日益加劇，可供人們生產、生活使用的干凈淡水資源越來越少，全球人均供水量正在逐年減少，水資源危機越來越成為制約可持續發展的障礙。而且由于水資源在空間和時間上分布不均勻，加劇了局部地區的干旱，尤其是在某些沙漠、沿海、島嶼地區[2]。保證充足的淡水供應是人們進行生產和生活的前提，因此如何在沙漠、沿海、島嶼等干旱地區有效獲取淡水就成為了人們共同面對的一大難題。

在自然界中，水以固、液、氣3種形態存在，彼此之間相互轉換，地表或海洋的水蒸發到大氣中，經冷凝后變成冰、霜、雨、雪后再次返回到地面，大氣就成了恒定的中轉站。由于大氣環流的存在，盡管沙漠等干旱地區的地表水缺乏，但這些地區空氣中的含水量與其他區域差別不大。在地表無水源而又急需用水時，從空氣中取水不失為一種可行的方法。因此，本文介紹了4種利用太陽能取水/制水的方法。

1 太陽能半導體制冷空氣取水

從空氣中取水的基本思想是將空氣溫度降至露點以下，空氣中的水蒸氣凝結成液滴后流至儲液裝置中，從而收集淡水。

歷德義等[3]設計了一種基于太陽能半導體制冷的空氣取水裝置，主要包括熱電半導體制冷系統(如圖1所示)和光伏發電系統(如圖2所示)。熱電半導體制冷系統由半導體制冷片、蓄冷塊、隔熱墊、散熱器及風扇等部件組成。光伏發電系統主要由光伏組件、逆變器、蓄電池組等部件組成。光伏發電系統給蓄電池充電，蓄電池驅動制冷片冷端制冷，并通過蓄冷塊及翅片將冷量散到箱內；通過風扇加強對流換熱，使箱內溫度降低；當翅片壁面溫度降至箱內水蒸氣露點溫度后，空氣中的水蒸氣開始在壁面凝結形成小水珠落到箱內儲液器中。

圖1 熱電半導體制冷系統構成圖

圖2 光伏發電系統示意圖

2 太陽能吸附式空氣取水器

侴喬力等[4]設計了一種采用沸石和硅膠作為吸附劑的太陽能吸附式空氣取水器，結構如圖3所示，主要由取水器和太陽能凹面聚光器組成。裝置中的取水器主要由透光罩、吸附床(放有吸附劑)、儲水器和取水管等組成，如圖4所示。其中，吸附床是用金屬絲制成的網狀容器，用于盛放吸附劑。取水器由支架支撐，放置在聚光器的上面；聚光器由支架支撐，放置在地上。

太陽能吸附式空氣取水器的工作原理是：夜間將吸附床連同吸附劑暴露在空氣中，自然風吹過吸附劑，吸附劑對其中的水蒸氣進行吸收，吸收到飽和或接近飽和狀態；白天太陽升起時，將取水器密封，聚光器聚集太陽光來加熱吸附床；當溫度達到一定程度時水蒸氣脫離吸附劑；脫離出來的水蒸氣接觸到壁面，由于壁面溫度低于露點溫度，水蒸氣便在透光罩的壁面進行凝結；凝結之后的水滴通過管道流入儲水器，繼而獲得淡水資源。在晝夜溫差大、空氣濕度變化大的地區，太陽能吸附式取水的方法具有較強的可行性[5]。

圖3 太陽能吸附式空氣取水器結構示意圖[4]

圖4 取水器示意圖[4]

理論和實踐均證明該太陽能吸附式空氣取水器的技術是科學可行的。在布置方式合理的情況下，用硅膠、沸石作為吸附劑的太陽能取水器不僅一年四季都能取水，而且即使在最干燥的冬季也能達到0.139 kg/ h的較高產水量[4]。

3 光伏取水

雖然我國某些地區并不缺乏水源，但是由于地形條件、水利設施建設滯后等原因，造成水資源開發利用困難。比如，我國西部一些高海拔山區的人們常年面臨生產、生活用水困難的問題。為了解決這一問題，云南省進行了光伏取水的研發與規模化示范推廣[6]。通過該示范工程可以看出：采用光伏取水能夠有效緩解山區和偏遠地區的人畜飲水、農業灌溉等生產、生活用水難題。光伏系統取水工作圖如圖5所示，該系統由1臺光伏水泵、1個控制器、1組光伏組件構成。此系統可在直徑20 cm的井中使用，也可以在各種湖泊、池塘、河渠等水源中取水，揚程、流量均可達到所需要求[6]。

充沛的太陽光照可為水泵提供充足的動力，同時此系統可實現全自動化運行，無需人員看管，從而大幅降低了維護工作量及人工成本，提高了技術的經濟可行性。

圖5 光伏系統取水工作圖[6]

4 聚霧取水

通過長期的觀察和研究可以發現：在沙漠等干旱地區之所以有生物能夠存活，主要是因為在這些干旱地區生存的動物、植物能夠有效地從霧氣中獲得淡水。當霧氣從這些地區飄過時，它們通過各自的方法獲取霧氣中的水分，比如，蜘蛛可通過蜘蛛絲吸收霧氣中的水分。蜘蛛絲經歷了長期自然衍化，具有高彈性、高強度、高韌度，以及較大的斷裂功和斷裂伸長率等良好的機械性能。趙勇等[7]觀察到蜘蛛絲可以懸掛和收集大量水滴，于是對其微觀結構進行研究后發現，蜘蛛絲由納米纖維組成，在干燥情況下呈現蓬松的鏈狀結構，但在雨霧潤濕后會周期性的變成紡錘型結構和纖細連接結構。這種變化促使蜘蛛絲可以進行連續的凝水傳輸過程，從而揭示了蜘蛛絲能夠定向高效集水的內在機理。根據仿生學原理，可基于蜘蛛絲的這一集水機制，制作人造纖維網來收集霧氣中的水[7]。

全世界最干旱、最燥熱的地區之一是位于非洲西南部的納比亞沙漠，這里全年幾乎無降雨量，但來自海洋的強風會給這片地區吹來大量霧氣。每年這些霧氣在納比亞沙漠大概存在6個月，而這些霧氣成了這片沙漠地區的唯一淡水來源，若沙漠中的生物無法利用霧氣獲取水源，那它們也將無法在這片地區長期生存。

研究人員發現在這片沙漠里生存著一種甲蟲，它們背部長有許多不規則排列的突起，這些突起的表面光潔且具有一定的親水性。突起與突起之間的間距在0.5～1.5 μm之間，且兩者之間的凹槽處有排列規整的半球狀結構，這種半球狀結構由疏水性蠟狀物質構成，而這種蠟狀物質具有一定的納米結構。昆蟲背上的突起因具有親水性而能夠捕捉水分，蠟質非親水凹槽負責將水運輸到昆蟲的嘴中，滿足其對水的需求。根據從甲蟲背部表面結構得到的啟發，Bai[8]等綜合了蜘蛛絲和沙漠中甲蟲背部的結構特征，設計了一種具有吸濕特性的仿生表面，大幅提高了取水效率。

聚霧取水具有成本低、效率高等優點，因此在帳篷取水、建筑物取水等領域都有一定的運用。比如，英國建筑師馬修·帕克斯將新研制的仿生材料用于納米比亞大學水文中心的建筑設計中，此大樓能從空氣中吸收水分來滿足大樓的用水需求[9]；智利、秘魯等國家的一些沿海村莊運用此類具有仿生結構的人造纖維網來收集海霧，以滿足日常生活對淡水的需求。但由于受環境影響，這種方法只適用于水資源缺乏且多霧的地區，在我國運用這種方法取水的并不多見。

5 總結

水是一切生命體賴以生存的必要資源，人們的日常生產生活也離不開水。但全球范圍內有限的淡水資源正逐漸枯竭、大量水資源被污染，水資源匱乏的問題越來越成為阻礙社會經濟可持續發展和人類文明進步的巨大威脅，甚至影響到了人類的生存。本文介紹了4種新型空氣取水方法，其中，太陽能半導體制冷取水、太陽 能吸附式取水和光伏取水都是通過太陽能來提供能量，聚霧取水則是利用材料本身的結構來收集霧氣中的小水珠，不需要額外提供能量。這幾種方法都具有節能、對環境無污染、可以穩定運行的特點，在特定區域進行有針對性地推廣使用，可以解決惡劣環境下的供水問題，保證人畜能夠喝到安全、清潔的飲用水。

目前，空氣取水存在的弊端是取水效率較低。雖然空氣本身所含水資源的總量很大，但是單位體積空氣的相對含水量卻較少；同時，空氣取水技術本身仍需進一步完善。空氣取水效率低在一定程度上限制了它的大面積推廣，因此，若能研制出高效率、高性能的取水裝置，其應用前景將更加廣闊。