太陽能與晝夜溫差全天候取水系統的測試研究

付琦智

摘 要：目前全球范圍內越來越嚴峻的淡水匱乏不僅嚴重制約了社會和經濟的發展，也對人類的生存提出了前所未有的挑戰。據調查，空氣中含水量高達14000㎞3，為充分利用空氣中保有的水分，設計該基于太陽能與晝夜溫差的全天候取水系統。本系統在白天利用太陽能發電板為微吸風機供電，并構建出“空氣-地層”冷凝結構，晚上利用自然晝夜產生的溫差進行凝結取水，并存儲在埋藏于地下的存水器，通過設計取水試驗進行驗證，發現了系統裝置的產水規律擬合曲線，可滿足干旱半干旱地區用水需求，并具有全天候使用，取水快捷，成本低、易推廣的優點。

關鍵詞：太陽能；晝夜溫差；空氣取水；露點溫度

引言：

隨著環境的日益惡化，淡水資源正變得愈來愈稀缺，實際上，大氣中富含淡水，并且不受地域限制，據估算，大氣中含有大約14000 ㎞3的水蒸氣，地表的淡水總量只有1200㎞3，但到目前為止，對空氣中淡水的利用率幾乎為零[1]。干早地區是由于地表和淺層地下水過少而造成的缺水，而海島和沿海地區是由于周邊海水過多，周圍水域含鹽量大，導致淡水資源不足。解決上述地區的淡水供應問題的傳統方法包括交通運輸淡水和海水淡化兩種途徑。交通運輸成本較高、速度慢，海水淡化技術、設備要求高且成本大，對大部分貧窮落后的地區并不適用，以上兩種方法均不適合廣泛使用。為解決上述交通成本昂貴、速度慢、損耗高等問題，本系統在保證成本低，效果好的前提下引入太陽能供電模塊，并創造性利用因晝夜交替產生的溫差進行全天候的空氣取水。

1.系統原理

本系統將太陽能與晝夜交替產生的溫度差兩種自然能源結合在一起，實現全天候的空氣冷凝成水。在白天，系統利用太陽能發電板為微吸風機供電，晚上利用自然晝夜產生的溫差進行凝結取水，并存儲在存水器。空氣被微吸風機吸入系統裝置時，其中夾雜的較大灰粒在裝置頂部防微粒過濾網被攔截，無法進入水杯內部，保證了水源的清潔，在與杯壁接觸后，由于地層與空氣間的溫差，將使得進入杯子的空氣溫度快速降低到露點溫度，在氣壓不變的狀態下，水蒸氣變為露珠附著在杯壁。隨著空氣不斷的吸入和排出循環，水分子集聚的也愈來愈多，最終匯聚在水杯底部，形成可使用的水源。

在系統工作之前，需考慮裝置大小，確定豎井水平直徑，可在地表挖掘出1.5m深的豎井。實際上，據文獻調查與實驗發現，1.8m左右最為合適，此時豎井既不太深，亦有利于用戶進行開挖，也保證了空氣中水分冷凝的基本溫差條件。通過構造出的“空氣-地層”的冷凝結構，并保持豎井上下均勻，且與系統裝置緊密整合接觸，即可保證最佳的取水效果。

2.實驗測試與分析

2.1 晝夜產水測試

同時在7.07-7.12日白天14點到17點時間段和20點到次日8點的兩個時間段內，豎井深度設置為1.8m，進行長達一周的產水實驗，進行時空范圍內的量化分析，取水實驗數據如下表1和表2所示。

2.2 豎井深度測試

在組裝完整系統裝置之前，對原理進行驗證，構建出裝置模型，在盡量保證其他條件相同時，在西南科技大學新區實驗田中，通過不同深度的豎井深度梯度試驗（1小時），并別得到了不同的取水量，產水結果如下圖1所示。

圖1 豎井深度與產水關系

對采得樣本數據進行分析，可得到取水量與豎井深度的關系，如下圖3所示。發現數據呈二次分布。因而進一步對數據進行計算，在這里采用最小二乘法來進行擬合，通過最小化平方差損失來進行優化，整個過程由無約束優化器進行迭代計算，最終取得較好的擬合效果，最終獲得的總體平方差誤差損失為0.00646403259354，總體絕對值誤差損失為0.182550684346。由于僅僅使用二函數擬合便達到了這種效果，所以并沒有過擬合的可能性，因此能確定該函數的正確性，擬合圖像與公式如下所示，其中，Y代表產水量，單位為毫升；X代表豎井深度，單位為m

2.3 社會與經濟分析

應當注意，該取水系統受當地的天氣、濕度、晝夜溫差大小等相關因素影響，屬于典型的多元線性回歸模型問題，故每天的產水量尚不相同。經實驗驗證，系統裝置所在地的晝夜溫差越大、氣壓變化程度低、濕度較大的情況下產水和存水效率更高。

從社會與經濟角度分析，該裝置可降低我國為解決水資源問題而實施的跨流域調水過程中經濟損失及能源損耗，包括運輸使用能源成本、時間成本、供水成本等。若以新疆一年1%的人口數使用該裝置為例，根據調研結果平均水平一晝夜（24小時）可產水60ml來計算：該裝置可實現產水6716000升，以十五年為固定折舊期，由此可求得該裝置可平均為用戶減少15%的飲用水支出。同時，該裝置對于宏觀經濟及生態環境有易預見的極大益處。推廣后，保守估計可減輕國家環境保護8%左右的負擔及高昂的部分跨流域調水工程建造、實施等過程的費用。

同時，經調查在長期缺水環境下，旅者每日最低飲水量為300ml，而極度缺水情況下，80ml完全可以維持生命。可見，該裝置對旅者亦有較大的使用價值。

3.應用前景

空氣取水技術為淡水缺乏的地區提供了一個新的解決方案，目前國際上的空氣取水技術已呈現產品化趨勢[3]，美國、德國、加拿大、以色列等國家已研發出在空氣濕度較高地區使用的取水設備，目前大型、大容量取水設備技術正在快速發展，但也呈現出系統笨拙、體積龐大、不宜攜帶和推廣困難等弊端。我國近幾年旱區約占我國陸地面積的30%，其氣候特征為降水量少而變率大，一般氣溫日較差和年較差較大，蒸發量大于降水量，云量少而日照強。該系統，恰針對于我國干旱半干旱地區，創造性結合該類地區以上所述的白天光照充足、晝夜溫差大的氣候特點，奇妙地利用“空氣-地層”的冷凝結構，實現可持續的空氣型取水。且系統裝置玲瓏小巧，制作成本低，組裝性強，容易推廣和發展。

參考文獻：

[1] 徐瑩瑩，湯潔，祝惠等.東北城市露水凝結觀測及其與常規氣象要素的關系[J].生態學報，2017，（7）：2382-2391.

[2]李強，郝秀淵.空氣取水技術研究綜述[J].山西建筑，2016，（31）：124-126.

[3]劉金亞，王佳韻，王麗偉，等.一種吸附式空氣取水裝置的性能實驗[J].化工學報，2016，（z2）：46-50.

基金項目：西南科技大學大學生創新基金項目《基于太陽能與晝夜溫差的自動取水裝置》，編號：CX19-079.