風光互補空氣集水系統設計*

竟靜靜，王玉巍，曾德千

(1.新疆工程學院 能源工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.紅云紅河煙草(集團)有限責任公司 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水變為液態水，目前在國內外均有應用。2007年，英國水務科學公司研制出“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，已經上市，每臺30萬美元；2017年7月，東華大學的郭建生、余玉蝶等人研發了沙漠甲蟲Stenocara，該裝置通過背部表面的特殊結構從空氣中獲取水，可解決某些環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、應用范圍小，研制一種不消耗常規能源、集水效率高、應用范圍廣的空氣集水系統勢在必行。

新疆降水稀少、蒸發強烈，作物生長所需水分主要依靠人工灌溉方式予以滿足[1]，水資源是該區域自然生態系統和人類社會經濟系統賴以維系和發展的關鍵制約因素。

針對此，本研究將利用新疆太陽能和風能資源豐富的特點，設計風光互補空氣集水系統[2]。

1 研制背景

農業中的失水現象主要是由植物蒸騰作用與土地水分蒸發作用導致的[3]。據估計，1株玉米從出苗到收獲需消耗四、五百斤水。風光互補空氣集水系統能充分利用風能與太陽能，對農業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作用產生的農田濕空氣，以緩解新疆干旱地區農業用水問題，并對農田土壤濕度進行監控，對農作物進行合理灌溉，為農作物提供有利的生長環境。

2 設計方案

2.1 總體設計思路

利用光伏發電與風力發電提供系統所需電能，風力機亦可用于驅動空氣收集裝置，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據，將數據傳送給單片機，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域進行灌溉。

總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

圖1中，驅動單元包括垂直軸風力機和直流電機，有風時風機直接給空氣收集裝置提供動力，無風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；光伏發電和控制單元包括光伏電池板、蓄電池、濕度傳感器、轉速傳感器、液位傳感器和單片機系統。

2.2 單元設計

(1)驅動單元。驅動單元用來驅動空氣收集單元收集濕空氣，采用風力機進行驅動。考慮到農田風向多變，并且要求風力機高效率工作，本文采用垂直軸風力機。為進一步提高風機效率，降低啟動風速，垂直軸風機葉片采用S型+H型[5]。S型風機葉片啟動風速低，H型風機葉片效率較高，將兩種風機葉片結合起來可提高風機的風能利用效率并可以相應地降低啟動風速。在有風無風兩種情況下，空氣收集裝置的齒輪部分需要在風機與電機之間切換。

在有風的情況下由風機驅動空氣收集裝置工作，在無風情況下需要由電機驅動空氣收集裝置，保證系統持續工作。風力機外側為H型風機結構，內側為S型結構。

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

在系統高負荷工作時傳動單元還需要對系統進行保護，進入停機狀態或將傳動單元與其他單元進行脫離。

(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力機進行收集，包括離心式風機、軸流式風機、貫流式風機[6]。

由于設計采用風光互補的能量來源，其穩定性并不理想，并且系統所運載的流體為空氣，并不需要很高的揚程。從設計結構上來看，軸流式風機葉片能夠滿足本次設計要求，為增加空氣收集效率，需要添加貫流式風機輔助運行。通過風機在有風時同軸帶動或無風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機都是以單向送風為主，后側進風前側出風，流體需要橫穿兩層葉片，系統并不需要貫流式風機的單向送風能力，而是需要貫流式風機收集周圍空氣，所以需要對傳統貫流式風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機與軸流式風機組成，先由貫流式風機將周圍的濕空氣收集至中心處，再由軸流式風機將貫流式中心匯聚的濕空氣送入冷凝設備中。貫流式風機收集周圍的空氣會在風機內部相互抵消，所以需要添加光滑的導流平面，將周圍的空氣引向軸流式風機，再將軸流式風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方向相反的一個軸流式風機。

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

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，而制冷劑制冷對環境又有污染，以上幾種制冷方法均不適合該設計。

由于農田灌溉頻率非常高土壤一直處于濕潤狀態，并且農田里農作物生長茂盛陽光不能直射到地面上，地表部分水分蒸發式會吸收地下溫度，農田地下溫度較低，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計。由空氣收集裝置收集的空氣經匯流送入冷凝器入口，濕空氣在冷凝管中經過多個彎道循環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冷凝水分。儲水罐上方與冷凝管出風口連接，水泵的抽水管從冷凝管出風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，當地濕空氣的露點溫度為17 ℃左右，只要將冷凝單元埋入地下達到露點溫度即可。農田當中土壤深度越深溫度越低，根據烏魯木齊大氣和土壤月平均土壤溫度變化規律，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、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0.77 L水，若工作10 h，每天可收集7.7 L水。假設農田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，對農業種植影響不大。

(5)控制單元。控制單元完成系統的整體控制。風機齒輪上加裝轉速傳感器，當風機轉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據，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據發送給單片機，單片機對數據進行判斷，決定是否需要對農田進行灌溉，當農田濕度達到一定值時單片機控制水泵開始灌溉，當農田土壤濕度達到標準值時關閉水泵。

光伏發電控制系統圖如圖4所示。

圖4 光伏發電控制系統圖

整體結構如圖5所示。

圖5 整體結構圖

3 軟件設計

灌溉系統主要用于在土壤濕度過低時控制水泵對農田進行灌溉，通過對單片機設定濕度上限和濕度下限與土壤濕度進行對比，根據對比出的最終結果判斷是否需要對農作物進行灌溉。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。

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

傳動系統控制流程圖如圖6所示。

圖6 傳動系統控制流程圖

4 理論設計計算

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

根據溫度壓力露點水分含量關系圖可得：

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

(1)

假設冷凝管半徑為0.035 m，管內濕空氣流速為4 m/s，1 h內流入冷凝管內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—管內空氣體積；T—時間；r—管內半徑；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個月可節省113.55元的水費，現在階段每個農戶都有10畝以上的農田，那么平均每個農戶每個月可節省1 000元以上的水費。

5 實驗結果與分析

為分析本文系統實際的集水量，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 系統實驗裝置圖

實驗過程中，考慮每個時刻的溫度、濕度等參數。

本文以實驗中某一天的數據為例進行分析[11]，實驗數據表如表1所示。

表1 實驗數據測量

表1中反映了空氣濕度與集水量的關系。數據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。從數據上來看，系統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，導致冷凝裝置中的濕空氣總量不夠。風力機和空氣收集單元均自己設計制作，系統所用材料自身重量均較重，轉動起來自身摩擦阻力較大，當風力較小時，有時風力機不能啟動，即使啟動轉速也較慢。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 結束語

本研究提出了利用風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；經實驗驗證，系統可應用于農田，亦可用于干旱缺水地區、無人區、軍事禁區等地區的用水。

研究結果表明：根據現在新疆的情況，理論上每畝地1個月可節省113.55元的水費。雖然實際情況不會有這么多，但隨著系統的完善，集水量越大節約越多，因而該系統具有非常廣闊的應用前景。