風(fēng)光互補空氣集水系統(tǒng)設(shè)計*

竟靜靜，王玉巍，曾德千

(1.新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.紅云紅河煙草(集團)有限責(zé)任公司 新疆卷煙廠，新疆 烏魯木齊 830023)

0 引 言

“空氣集水”是收集空氣中的氣態(tài)水變?yōu)橐簯B(tài)水，目前在國內(nèi)外均有應(yīng)用。2007年，英國水務(wù)科學(xué)公司研制出“空氣集水”機，它每天能從單純的空氣中收集500加侖的可飲用水，已經(jīng)上市，每臺30萬美元；2017年7月，東華大學(xué)的郭建生、余玉蝶等人研發(fā)了沙漠甲蟲Stenocara，該裝置通過背部表面的特殊結(jié)構(gòu)從空氣中獲取水，可解決某些環(huán)境下淡水獲取困難的問題。由于這些裝置價格昂貴、集水效率低、應(yīng)用范圍小，研制一種不消耗常規(guī)能源、集水效率高、應(yīng)用范圍廣的空氣集水系統(tǒng)勢在必行。

新疆降水稀少、蒸發(fā)強烈，作物生長所需水分主要依靠人工灌溉方式予以滿足[1]，水資源是該區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會經(jīng)濟系統(tǒng)賴以維系和發(fā)展的關(guān)鍵制約因素。

針對此，本研究將利用新疆太陽能和風(fēng)能資源豐富的特點，設(shè)計風(fēng)光互補空氣集水系統(tǒng)[2]。

1 研制背景

農(nóng)業(yè)中的失水現(xiàn)象主要是由植物蒸騰作用與土地水分蒸發(fā)作用導(dǎo)致的[3]。據(jù)估計，1株玉米從出苗到收獲需消耗四、五百斤水。風(fēng)光互補空氣集水系統(tǒng)能充分利用風(fēng)能與太陽能，對農(nóng)業(yè)中的失水進行回收再利用[4]。

集水裝置主要收集由植物蒸騰作用與土地水分蒸發(fā)作用產(chǎn)生的農(nóng)田濕空氣，以緩解新疆干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)用水問題，并對農(nóng)田土壤濕度進行監(jiān)控，對農(nóng)作物進行合理灌溉，為農(nóng)作物提供有利的生長環(huán)境。

2 設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計思路

利用光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電提供系統(tǒng)所需電能，風(fēng)力機亦可用于驅(qū)動空氣收集裝置，將空氣收集裝置收集到的濕空氣進行冷凝，并將冷凝水存入儲水罐中。土壤濕度傳感器收集周圍的土壤濕度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送給單片機，由單片機判斷土壤是否需要灌溉。當單片機檢測到土壤過于干旱時，控制水泵從儲水罐中抽水對干旱區(qū)域進行灌溉。

總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

圖1中，驅(qū)動單元包括垂直軸風(fēng)力機和直流電機，有風(fēng)時風(fēng)機直接給空氣收集裝置提供動力，無風(fēng)時由電機帶動空氣收集裝置工作；傳動單元包括傳動齒輪、加速齒輪和齒輪換位裝置；空氣收集單元使用軸流式與貫流式的組合葉片；冷凝單元包括冷凝管和儲水罐；光伏發(fā)電和控制單元包括光伏電池板、蓄電池、濕度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、液位傳感器和單片機系統(tǒng)。

2.2 單元設(shè)計

(1)驅(qū)動單元。驅(qū)動單元用來驅(qū)動空氣收集單元收集濕空氣，采用風(fēng)力機進行驅(qū)動。考慮到農(nóng)田風(fēng)向多變，并且要求風(fēng)力機高效率工作，本文采用垂直軸風(fēng)力機。為進一步提高風(fēng)機效率，降低啟動風(fēng)速，垂直軸風(fēng)機葉片采用S型+H型[5]。S型風(fēng)機葉片啟動風(fēng)速低，H型風(fēng)機葉片效率較高，將兩種風(fēng)機葉片結(jié)合起來可提高風(fēng)機的風(fēng)能利用效率并可以相應(yīng)地降低啟動風(fēng)速。在有風(fēng)無風(fēng)兩種情況下，空氣收集裝置的齒輪部分需要在風(fēng)機與電機之間切換。

在有風(fēng)的情況下由風(fēng)機驅(qū)動空氣收集裝置工作，在無風(fēng)情況下需要由電機驅(qū)動空氣收集裝置，保證系統(tǒng)持續(xù)工作。風(fēng)力機外側(cè)為H型風(fēng)機結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)為S型結(jié)構(gòu)。

(2)傳動單元。傳動單元是連接驅(qū)動單元和空氣收集單元的橋梁，該單元需要對驅(qū)動單元所提供的機械能利用變速器進行加速處理，以達到設(shè)備能夠高效率工作的目的。在有風(fēng)或者無風(fēng)狀態(tài)下可切換工作狀態(tài)，保證系統(tǒng)能夠長時間工作。

在系統(tǒng)高負荷工作時傳動單元還需要對系統(tǒng)進行保護，進入停機狀態(tài)或?qū)鲃訂卧c其他單元進行脫離。

(3)空氣收集單元。空氣收集單元的主要作用是，利用風(fēng)機葉片對濕空氣進行收集，并將收集來的濕空氣送入冷凝單元。目前的主要采用各種風(fēng)力機進行收集，包括離心式風(fēng)機、軸流式風(fēng)機、貫流式風(fēng)機[6]。

由于設(shè)計采用風(fēng)光互補的能量來源，其穩(wěn)定性并不理想，并且系統(tǒng)所運載的流體為空氣，并不需要很高的揚程。從設(shè)計結(jié)構(gòu)上來看，軸流式風(fēng)機葉片能夠滿足本次設(shè)計要求，為增加空氣收集效率，需要添加貫流式風(fēng)機輔助運行。通過風(fēng)機在有風(fēng)時同軸帶動或無風(fēng)時電機帶動空氣收集單元將周圍空氣收集起來傳送至冷凝裝置中。

由于市場上貫流式風(fēng)機都是以單向送風(fēng)為主，后側(cè)進風(fēng)前側(cè)出風(fēng)，流體需要橫穿兩層葉片，系統(tǒng)并不需要貫流式風(fēng)機的單向送風(fēng)能力，而是需要貫流式風(fēng)機收集周圍空氣，所以需要對傳統(tǒng)貫流式風(fēng)機進行改造為將周圍空氣向中心匯聚的形式。

空氣收集裝置由貫流式風(fēng)機與軸流式風(fēng)機組成，先由貫流式風(fēng)機將周圍的濕空氣收集至中心處，再由軸流式風(fēng)機將貫流式中心匯聚的濕空氣送入冷凝設(shè)備中。貫流式風(fēng)機收集周圍的空氣會在風(fēng)機內(nèi)部相互抵消，所以需要添加光滑的導(dǎo)流平面，將周圍的空氣引向軸流式風(fēng)機，再將軸流式風(fēng)機為濕空氣增加動能將濕空氣送入冷凝裝置。而軸流式與貫流式旋轉(zhuǎn)方向一致，會在空氣收集裝置中形成渦流，則需要在冷凝裝置管口處添加一個旋轉(zhuǎn)方向相反的一個軸流式風(fēng)機。

兩個軸流式風(fēng)機在空氣收集裝置中屬于串聯(lián)運行，而在管路系統(tǒng)中一般流量較小并且阻力過大時才能使用風(fēng)機串聯(lián)，與此同時采用串聯(lián)的兩個軸流式風(fēng)力機時需要注意盡量采用性能線性曲線相同的兩個風(fēng)機。

空氣收集裝置如圖2所示。

圖2 空氣收集裝置

(4)冷凝單元。冷凝單元的主要作用是將空氣收集單元送來的濕空氣進行降溫，通過降溫冷凝的方法將濕空氣中的水分提取出來并進行儲存。目前主要的制冷方式有空氣壓縮式制冷、蒸汽壓縮制冷、氨-水吸收式制冷、制冷劑制冷等方式[7]。空氣壓縮制冷、蒸汽壓縮制冷還是吸收式制冷功耗都比較高，而制冷劑制冷對環(huán)境又有污染，以上幾種制冷方法均不適合該設(shè)計。

由于農(nóng)田灌溉頻率非常高土壤一直處于濕潤狀態(tài)，并且農(nóng)田里農(nóng)作物生長茂盛陽光不能直射到地面上，地表部分水分蒸發(fā)式會吸收地下溫度，農(nóng)田地下溫度較低，本文選擇利用地下的溫度進行降溫換熱，地下制冷的裝置參照換熱器來設(shè)計。由空氣收集裝置收集的空氣經(jīng)匯流送入冷凝器入口，濕空氣在冷凝管中經(jīng)過多個彎道循環(huán)1周后從另一端出口排除，中間冷凝出的水分從每個彎道下方的管道流入儲水罐中，管道與儲水罐形成連通器，當儲水罐中的水快滿時水會堵住冷凝管使其無法繼續(xù)冷凝水分。儲水罐上方與冷凝管出風(fēng)口連接，水泵的抽水管從冷凝管出風(fēng)口伸入儲水罐中取水。

冷凝單元如圖3所示。

圖3 冷凝單元

由于實驗地點在烏魯木齊，當?shù)貪窨諝獾穆饵c溫度為17 ℃左右，只要將冷凝單元埋入地下達到露點溫度即可。農(nóng)田當中土壤深度越深溫度越低，根據(jù)烏魯木齊大氣和土壤月平均土壤溫度變化規(guī)律，4月～9月，地下70 cm～90 cm是最理想的安裝點。筆者通過土壤溫度傳感器在7月測得當土壤深度為60 cm，溫度為17 ℃。考慮不同季節(jié)、不同地點溫度不同，將冷凝單元安裝在地下80 cm較合適。

冷凝單元每小時生產(chǎn)0.77 L水，若工作10 h，每天可收集7.7 L水。假設(shè)農(nóng)田4天灌溉一次，那么需要30.8 L的儲水罐，為留有一定裕量，制成標準單元35 L的儲水罐。這樣容量的儲水罐埋在地下不會占用太多土地，對農(nóng)業(yè)種植影響不大。

(5)控制單元。控制單元完成系統(tǒng)的整體控制。風(fēng)機齒輪上加裝轉(zhuǎn)速傳感器，當風(fēng)機轉(zhuǎn)速達到工作要求時單片機控制步進電機對傳動單元進行換位。液位傳感器采集儲水罐中的水位數(shù)據(jù)，當儲水罐水位過高時單片機對限制步進電機對傳動單元進行換位，不再制水。濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行判斷，決定是否需要對農(nóng)田進行灌溉，當農(nóng)田濕度達到一定值時單片機控制水泵開始灌溉，當農(nóng)田土壤濕度達到標準值時關(guān)閉水泵。

光伏發(fā)電控制系統(tǒng)圖如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)圖

整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 整體結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

灌溉系統(tǒng)主要用于在土壤濕度過低時控制水泵對農(nóng)田進行灌溉，通過對單片機設(shè)定濕度上限和濕度下限與土壤濕度進行對比，根據(jù)對比出的最終結(jié)果判斷是否需要對農(nóng)作物進行灌溉。除此之外，單片機還需要通過液位傳感器對水位進行確認，在儲水罐有水的情況下，才允許水泵進行灌溉。

傳動系統(tǒng)主要用于動力切換和脫離驅(qū)動單元，在無風(fēng)狀態(tài)下傳動單元將動力切換為驅(qū)動電機，由驅(qū)動電機帶動裝置進行工作；在有風(fēng)狀態(tài)下傳動單元將動力切換為風(fēng)機[8-9]，由風(fēng)機帶動裝置進行工作；在風(fēng)速極高的情況下傳動單元將驅(qū)動單元和其他單元斷開連接并且觸發(fā)剎車制動停止工作。

傳動系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

圖6 傳動系統(tǒng)控制流程圖

4 理論設(shè)計計算

本文設(shè)計地點選在新疆省烏魯木齊市，經(jīng)過監(jiān)測烏魯木齊市空氣濕度在4月份時保持在53%，而農(nóng)田的濕度應(yīng)比烏魯木齊城市濕度更高。假設(shè)農(nóng)田濕度為60%，本設(shè)計將30 ℃的溫度降低至10 ℃，可得每立方空氣集水量[10]。

根據(jù)溫度壓力露點水分含量關(guān)系圖可得：

18 g/m3-4 g/m3=14 g/m3

(1)

假設(shè)冷凝管半徑為0.035 m，管內(nèi)濕空氣流速為4 m/s，1 h內(nèi)流入冷凝管內(nèi)的總濕空氣體積如下:

V=πr2sT=π×0.0352×4 m/s×3 600 s=55.4 m3

(2)

式中：V—管內(nèi)空氣體積；T—時間；r—管內(nèi)半徑；s—空氣流速。

空氣集水裝置每小時集水量為：

14 g/m3×V=775.6 g=0.77 L

(3)

所以該裝置在理想情況下每小時收集0.77 L的空氣水。

這種集水量情況下工作，假設(shè)該裝置的集水效率為65%，則該裝置每小時集水量為0.5 L。烏魯木齊水費為3.8元/m3，那么每臺集水裝置每天可節(jié)約水費0.456元。若每8 m3安裝1個集水灌溉裝置，每畝地1個月可節(jié)省113.55元的水費，現(xiàn)在階段每個農(nóng)戶都有10畝以上的農(nóng)田，那么平均每個農(nóng)戶每個月可節(jié)省1 000元以上的水費。

5 實驗結(jié)果與分析

為分析本文系統(tǒng)實際的集水量，筆者做了多次實驗。

實驗地點選在某處綠植地，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實驗裝置圖

實驗過程中，考慮每個時刻的溫度、濕度等參數(shù)。

本文以實驗中某一天的數(shù)據(jù)為例進行分析[11]，實驗數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)測量

表1中反映了空氣濕度與集水量的關(guān)系。數(shù)據(jù)有意避開較高的濕度和較低的濕度，選取的是較為適中的濕度。從數(shù)據(jù)上來看，系統(tǒng)實際每小時的集水量偏低，總的實際集水量和理論集水量有較大差距，僅為理論集水量的0.57%，這和當時實驗過程中空氣的溫度、濕度均有關(guān)系，理論值是在60%的標準濕度、溫度30 ℃下計算的，有偏差較正常，實際過程中空氣濕度大的時候集水量也會相應(yīng)增加。

理論值和實際值不一致，主要有以下幾點原因：

(1)空氣的收集效率低。理論計算中以濕空氣在冷凝單元中的流速達到4 m/s為準，但實際測試時測得的空氣流速僅達到2.7 m/s，導(dǎo)致冷凝裝置中的濕空氣總量不夠。風(fēng)力機和空氣收集單元均自己設(shè)計制作，系統(tǒng)所用材料自身重量均較重，轉(zhuǎn)動起來自身摩擦阻力較大，當風(fēng)力較小時，有時風(fēng)力機不能啟動，即使啟動轉(zhuǎn)速也較慢。若能夠找到更堅韌更輕的材料制作，空氣收集效率會大大提高。

(2)冷凝效果差。冷凝單元采用地下降溫換熱冷凝，雖然儲水罐安裝在地下80 cm，但由于冷凝管比儲水罐高，冷凝管平均分布在地下55 cm-70 cm，溫度剛剛達到露點。且埋入地下需要采用防腐材料，保證一定硬度，避免鼠蟲咬壞，冷凝管較厚，和土壤的熱交換效果沒有理想中好。

另外，理論計算過程中假設(shè)的條件均在理想情況下，但實際運行時，機械部件的摩擦力、風(fēng)速大小、空氣濕度、地表氣溫、地下溫度等因素均會影響集水量。

6 結(jié)束語

本研究提出了利用風(fēng)光互補作為能量來源進行空氣集水灌溉，不需外接電源，很好地利用了新疆豐富的可再生能源；經(jīng)實驗驗證，系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)田，亦可用于干旱缺水地區(qū)、無人區(qū)、軍事禁區(qū)等地區(qū)的用水。

研究結(jié)果表明：根據(jù)現(xiàn)在新疆的情況，理論上每畝地1個月可節(jié)省113.55元的水費。雖然實際情況不會有這么多，但隨著系統(tǒng)的完善，集水量越大節(jié)約越多，因而該系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。