新型的自動化太陽能空氣取水裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型的自動化太陽能空氣取水裝置。本實用新型包括空氣取水裝置、控制單元和電力單元。具體包括冷凝器、儲液罐、換熱器、熱電堆、泵、散熱片、液位開關、溫度傳感器、第一電磁閥、第二電磁閥、第一控制點、第二控制點和第三控制點。電力單元包括光伏組件與電力輸送線。冷凝器設置在儲液罐內，儲液罐中部輸出的不凝氣管道貫穿換熱器后與泵的輸入端相連接，儲液罐底部輸出端與淡水管道相連接；第二路空氣管道與泵的輸入端相連接，泵的輸出端與冷卻風管道的一端相連接，散熱片與熱電堆的散熱端相連接，熱電堆的吸熱端與儲液罐內冷凝器相連接。本實用新型具有節能性好、結構緊湊、運行過程自動化、智能化、最優化等多種優點。
【專利說明】新型的自動化太陽能空氣取水裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于新能源應用與水處理領域，具體涉及到一種新型的自動化太陽能空氣取水裝置。
【背景技術】
[0002]地球表面70%為海洋，15%為沙漠，沙漠和海島地區人們都缺乏淡水資源。地球表面上的水在地心引力和太陽輻射熱的作用下，氣態、液態、固態等三態不斷遷移和轉化，大氣層永遠成為地表水循環的中轉站。隨著大氣環流作用，即使沙漠缺水地區的空氣含濕量與其他地區差別不大，例如:在早晨，沙漠地區的相對濕度可達到90%，在白天高溫情況下降到了 20%。從空氣獲取淡水在理論上可行。
[0003]從空氣中獲取淡水的最簡單方式是收集雨水，然而，在缺乏雨水的地區可行性較差。采用人工方法，主要是致冷結露方法、吸附材料吸附-脫附方法。致冷結露方法是利用冷凝器將空氣的熱量吸走，降低空氣溫度，當低于露點后，則水汽凝結成水滴，收集水滴可以產生淡水。吸附材料吸附-脫附方法是某些多孔材料，例如:沸石、硅膠，有吸收水分子的特性，待吸附材料吸收了很多水分子后，再采用某種脫附方法，通常加熱方法，就可以讓水汽脫離吸附材料，再聚集后形成水滴，收集水滴可以產生淡水。可見，空氣取水方法是需要消耗很多能量，用于產生制冷、蒸發等吸熱或放熱過程。
[0004]人們已經發明了一些簡單的裝置，結合太陽能，利用太陽能的熱能或轉化后的電能。然而，這些裝置缺乏一些能量能量回收再利用的環節，而且，這些裝置幾乎沒有實現自動化、智能化、性能優化。因此，能量利用率低、產水量低，沒有大規模推廣。
[0005]換熱技術，是一種很好的節能技術，常用于將某一工藝過程的廢氣、廢水的余熱進行回收再利用。熱電堆技術(一種熱泵)，是一種最先進的空調技術，與傳統壓縮機制冷相t匕，沒有運動部件、沒有冷媒、結構十分緊湊，常用于小型設備的制冷。自動化技術，基于傳感器、執行器等儀表，常常結合單片機、工控機等現代計算機控制系統，實現先進的數學方法或控制算法，能實現工藝的自動化、智能化、信息化、最優化。
【發明內容】
[0006]本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種新型的自動化太陽能空氣取水裝置。本實用新型具有節能性好、結構緊湊、運行過程自動化、智能化、最優化等多種優點。
[0007]本實用新型包括空氣取水裝置、控制單元和電力單元。
[0008]空氣取水裝置包括冷凝器、儲液罐、換熱器、熱電堆、泵、散熱片。第一路空氣管道貫穿換熱器后與冷凝器相連接，冷凝器設置在儲液罐內，并與儲液罐內頂部相連接，儲液罐中部輸出的不凝氣管道貫穿換熱器后與泵的輸入端相連接，儲液罐底部輸出端與淡水管道相連接；第二路空氣管道與泵的輸入端相連接，泵的輸出端與冷卻風管道的一端相連接，冷卻風管道的另一端開口朝向散熱片，散熱片與熱電堆的散熱端相連接，熱電堆的吸熱端與儲液罐內冷凝器相連接。
[0009]所述的儲液罐通過內壁上的環形隔板分為上下兩個部分，上部分用于放置冷凝器，下部分為集液腔，用于收集水滴；環形隔板為兩端開放的圓臺，其下底面與儲液罐內壁固定，上底面懸空；
[0010]空氣取水裝置工作過程如下:第一路空氣管道通過換熱器預熱后遇到冷凝器，若氣體降低到露點，水分子在冷凝器的網狀結構凝結成水滴后墜落，并被收集到儲液罐底部的集液腔內；第一路空氣管道中的不凝氣(主要氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體)通過不凝氣管道從儲液罐內排出，并經過換熱器與第一路空氣管道中的空氣換熱，收集冷量；最終不凝氣和第二路空氣管道在泵的作用下均用于散熱片的冷卻風；同時，熱電堆作為一種熱泵，能夠吸收低品位熱源的熱量并釋放到熱端，熱電堆工作后致使冷凝器的熱量被吸走，達到給冷凝器制冷的作用。
[0011]控制單元包括液位開關LS1、溫度傳感器TS1、第一電磁閥V1、第二電磁閥V2、第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3。第一電磁閥Vl設置在淡水管道內，即與儲液罐底部輸出端相連接的管道內；第二電磁閥V2設置在第二空氣管道內，即與泵輸入端相連接的管道內；液位開關LSl設置在儲液罐腔體內，且位于儲液罐中下位置的內壁上；溫度傳感器TSl設置冷凝器內；第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別與熱電堆、泵、第二電磁閥V2相連接。控制單元控制過程如下:溫度傳感器TSl檢測到冷凝器的溫度后，在線反饋給第一控制點CCl、第二控制點CC2和第三控制點CC3，通過第一控制點CCl、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別在線調節熱電堆的驅動電流、泵的轉速和第二電磁閥V2的開合；液位開關LSl用于監測儲液罐儲液腔是否水位已滿，若滿則打開第一電磁閥VI，讓淡水排出。
[0012]電力單元包括光伏組件與電力輸送線兩部分，光伏組件的輸出端通過電力輸送線分別與泵和熱電堆相連接，為其供電。光伏組件在太陽光照射下產生直流電，直流電被調制后，通過電力輸送線輸送到熱電堆、泵以及控制系統的用電部件上。
[0013]本實用新型工作流程如下:
[0014]系統啟動后，讀取外部手動操作指令，按照指令決定是否進入工作狀態。若開始工作，分兩類控制。一類用于決定是否排水，若排水，則啟動排水程序，反之，進入不排水程序，此控制方式簡單，主要是用液位開關的信號開合電磁閥，即第二電磁閥V2。另一類用于控制空氣取水過程，主要分為兩個循環，一個是冷凝器溫度低于露點溫度的情況下，進行正常的冷凝-冷卻工作循環；另一個是冷凝器溫度高于露點溫度的情況下，當冷凝器的溫度高于空氣露點的時候，則冷凝器不在工作區間內，此時，第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別給出各自的控制信號，第一控制點CCl給出控制命令終止給熱電堆供電，第三控制點CC3給出控制命令打開第二電磁閥V2，允許第二路空氣管道通入空氣，第二控制點CC2加快泵的轉速，強力給散熱片制冷，使得熱電堆兩端的溫差快速地縮小到一個較小的范圍內，這個工作循環通常很快，能在規定時間內結束，然后，控制系統進入下一個工作循環，第三控制點CC3給出命令關閉第二電磁閥V2，第二路空氣管道通入的空氣不再作為冷卻風，第二控制點CC2給出命令降低泵的轉速，讓第二路空氣管道中通入的空氣充分地通過冷凝器，并通過換熱器回收冷量，第一控制點CCl給出控制命令使得熱電堆工作在最佳操作點上。此時，熱電堆產生的制冷量非常大，令冷凝器的溫度低于空氣露點，讓系統繼續產生淡水。若冷凝器溫度再次高于露點溫度，則控制系統切換到前一個工作循環，給散熱片降溫。此外，儲液罐儲液腔液位被檢測已滿狀態后，液位開關LSl觸發第一電磁閥Vl打開，讓淡水排出，反之亦然。綜上看出，設備的每個物料流和傳熱過程都得到了有效的控制，該控制系統能夠完成工藝所需的控制功能。
[0015]本實用新型的有益效果如下:
[0016]本實用新型節能性好，不但利用換熱器進行冷量回收，而且利用溫度較低的排出氣體對熱電堆進行更有效的降溫，提高了熱電堆的制冷效率。
[0017]本實用新型具有自動化、智能化、最優化等先進功能，所有的物料流動和吸熱排熱過程得到了自動化控制程序的控制，通過檢測到反饋信號運行，各控制單元協調控制，使得系統控制過程融合了人工智能，使系統工作在最佳狀態。
[0018]本實用新型環保性好，使用了太陽能新能源，不污染環境。
[0019]本實用新型結構緊湊，易于實現小型化、便攜式，適用面廣，可以用于沙漠地區、海島、苦咸水地區、缺乏淡水的作業平臺的人們使用，具有很好的實用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本實用新型示意圖。
[0021]圖2是本實用新型工作流程。
[0022]圖中，冷凝器1、儲液罐2、換熱器3、熱電堆4、散熱片5、泵6。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對本實用新型做進一步闡述。
[0024]如圖1所示，新型的自動化太陽能空氣取水裝置，包括空氣取水裝置、控制單元和電力單元。
[0025]空氣取水裝置包括冷凝器1、儲液罐2、換熱器3、熱電堆4、散熱片5、泵6。第一路空氣管道貫穿換熱器3后與冷凝器I相連接，冷凝器I設置在儲液罐2內，并與儲液罐2內頂部相連接，儲液罐2中部輸出的不凝氣管道貫穿換熱器3后與泵6的輸入端相連接，儲液罐2底部輸出端與淡水管道相連接；第二路空氣管道與泵6的輸入端相連接，泵6的輸出端與冷卻風管道的一端相連接，冷卻風管道的另一端開口朝向散熱片5，散熱片5與熱電堆4的散熱端相連接，熱電堆4的吸熱端與儲液罐2內冷凝器I相連接。
[0026]所述的儲液罐通過內壁上的環形隔板分為上下兩個部分，上部分用于放置冷凝器，下部分為集液腔，用于收集水滴；環形隔板為兩端開放的圓臺，其下底面與儲液罐內壁固定，上底面懸空；
[0027]空氣取水裝置工作過程如下:第一路空氣管道通過換熱器預熱后遇到冷凝器，若氣體降低到露點，水分子在冷凝器的網狀結構凝結成水滴后墜落，并被收集到儲液罐底部的集液腔內；第一路空氣管道中的不凝氣(主要氧氣、氮氣、二氧化碳等氣體)通過不凝氣管道從儲液罐內排出，并經過換熱器與第一路空氣管道中的空氣換熱，收集冷量；最終不凝氣和第二路空氣管道在泵6的作用下均用于散熱片的冷卻風；同時，熱電堆作為一種熱泵，能夠吸收低品位熱源的熱量并釋放到熱端，熱電堆工作后致使冷凝器的熱量被吸走，達到給冷凝器制冷的作用。[0028]控制單元包括液位開關LS1、溫度傳感器TS1、第一電磁閥V1、第二電磁閥V2、第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3。第一電磁閥Vl設置在淡水管道內，即與儲液罐2底部輸出端相連接的管道內；第二電磁閥V2設置在第二空氣管道內，即與泵6輸入端相連接的管道內；液位開關LSl設置在儲液罐腔體內，且位于儲液罐中下位置的內壁上；溫度傳感器TSl設置冷凝器內；第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別與熱電堆4、泵6、第二電磁閥V2相連接。控制單元控制過程如下:溫度傳感器TSl檢測到冷凝器的溫度后，在線反饋給第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3，通過第一控制點CCl、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別在線調節熱電堆的驅動電流、泵的轉速和第二電磁閥V2的開合；液位開關LSl用于監測儲液罐儲液腔是否水位已滿，若滿則打開第一電磁閥Vl,讓淡水排出。
[0029]電力單元包括光伏組件與電力輸送線兩部分，光伏組件的輸出端通過電力輸送線分別與泵6和熱電堆相連接，為其供電。光伏組件在太陽光照射下產生直流電，直流電被調制后，通過電力輸送線輸送到熱電堆、泵以及控制系統的用電部件上。
[0030]本實用新型工作流程如下:
[0031]如圖2所示，系統啟動后，讀取外部手動操作指令，按照指令決定是否進入工作狀態。若開始工作，分兩類控制。一類用于決定是否排水，若排水，則啟動排水程序，反之，進入不排水程序，此控制方式簡單，主要是用液位開關的信號開合電磁閥，即第二電磁閥V2。另一類用于控制空氣取水過程，主要分為兩個循環，一個是冷凝器溫度低于露點溫度的情況下，進行正常的冷凝-冷卻工作循環；另一個是冷凝器溫度高于露點溫度的情況下，當冷凝器的溫度高于空氣露點的時候，則冷凝器不在工作區間內，此時，第一控制點CCl、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別給出各自的控制信號，第一控制點CCl給出控制命令終止給熱電堆供電，第三控制點CC3給出控制命令打開第二電磁閥V2，允許第二路空氣管道通入空氣，第二控制點CC2加快泵的轉速，強力給散熱片制冷，使得熱電堆兩端的溫差快速地縮小到一個較小的范圍內，這個工作循環通常很快，能在規定時間內結束，例如:30秒。然后，控制系統進入下一個工作循環，第三控制點CC3給出命令關閉第二電磁閥V2，第二路空氣管道通入的空氣不再作為冷卻風，第二控制點CC2給出命令降低泵的轉速，讓第二路空氣管道中通入的空氣充分地通過冷凝器，并通過換熱器回收冷量，第一控制點CCl給出控制命令使得熱電堆工作在最佳操作點上。此時，熱電堆產生的制冷量非常大，令冷凝器的溫度低于空氣露點，讓系統繼續產生淡水。若冷凝器溫度再次高于露點溫度，則控制系統切換到前一個工作循環，給散熱片降溫。此外，儲液罐儲液腔液位被檢測已滿狀態后，液位開關LSl觸發第一電磁閥Vl打開，讓淡水排出，反之亦然。綜上看出，設備的每個物料流和傳熱過程都得到了有效的控制，該控制系統能夠完成工藝所需的控制功能。
[0032]考慮到具體控制算法的多樣性、可選擇性，例如:切換控制方法，最大制冷點搜索方法，集中式控制方法、解耦控制等不同控制算法，本專利不提供具體的控制算法，用戶可結合圖2工作流程圖來設計具體控制程序。
【權利要求】
1.新型的自動化太陽能空氣取水裝置，其特征在于包括空氣取水裝置、控制單元和電力單元； 空氣取水裝置包括冷凝器、儲液罐、換熱器、熱電堆、泵、散熱片，第一路空氣管道貫穿換熱器后與冷凝器相連接，冷凝器設置在儲液罐內，并與儲液罐內頂部相連接，儲液罐中部輸出的不凝氣管道貫穿換熱器后與泵的輸入端相連接，儲液罐底部輸出端與淡水管道相連接；第二路空氣管道與泵的輸入端相連接，泵的輸出端與冷卻風管道的一端相連接，冷卻風管道的另一端開口朝向散熱片，散熱片與熱電堆的散熱端相連接，熱電堆的吸熱端與儲液罐內冷凝器相連接； 控制單兀包括液位開關LS1、溫度傳感器TS1、第一電磁閥V1、第二電磁閥V2、第一控制點CCl、第二控制點CC2和第三控制點CC3 ;第一電磁閥Vl設置在淡水管道內，即與儲液罐底部輸出端相連接的管道內；第二電磁閥V2設置在第二空氣管道內，即與泵輸入端相連接的管道內；液位開關LSl設置在儲液罐腔體內，且位于儲液罐中下位置的內壁上；溫度傳感器TSl設置冷凝器內；第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別與熱電堆、泵、第二電磁閥V2相連接； 電力單元包括光伏組件與電力輸送線兩部分，光伏組件的輸出端通過電力輸送線分別與泵和熱電堆相連接，為其供電； 所述的儲液罐通過內壁上的環形隔板分為上下兩個部分，上部分用于放置冷凝器，下部分為集液腔，用于收集水滴；環形隔板為兩端開放的圓臺，其下底面與儲液罐內壁固定，上底面懸空； 所述的空氣取水裝置工作過程如下:第一路空氣管道通過換熱器預熱后遇到冷凝器，若氣體降低到露點，水分 子在冷凝器的網狀結構凝結成水滴后墜落，并被收集到儲液罐底部的集液腔內；第一路空氣管道中的不凝氣通過不凝氣管道從儲液罐內排出，并經過換熱器與第一路空氣管道中的空氣換熱，收集冷量；最終不凝氣和第二路空氣管道在泵的作用下均用于散熱片的冷卻風；同時，熱電堆作為一種熱泵，能夠吸收低品位熱源的熱量并釋放到熱端，熱電堆工作后致使冷凝器的熱量被吸走，達到給冷凝器制冷的作用。
2.如權利要求1所述的新型的自動化太陽能空氣取水裝置，其特征在于所述的控制單元控制過程如下:溫度傳感器TSl檢測到冷凝器的溫度后，在線反饋給第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3，通過第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別在線調節熱電堆的驅動電流、泵的轉速和第二電磁閥V2的開合；液位開關LSl用于監測儲液罐儲液腔是否水位已滿，若滿則打開第一電磁閥VI，讓淡水排出。
3.如權利要求1所述的新型的自動化太陽能空氣取水裝置，其特征在于所述的光伏組件在太陽光照射下產生直流電，直流電被調制后，通過電力輸送線輸送到熱電堆、泵以及控制系統的用電部件上。
4.如權利要求1所述的一種新型的自動化太陽能空氣取水裝置，其特征在于所述的裝置啟動后，讀取外部手動操作指令，按照指令決定是否進入工作狀態，若開始工作，分兩類控制:一類用于決定是否排水，若排水，則啟動排水程序；反之，進入不排水程序，該程序是用液位開關的信號開合電磁閥，即第二電磁閥V2;另一類用于控制空氣取水過程，分為兩個循環，一個是冷凝器溫度低于露點溫度的情況下，進行正常的冷凝-冷卻工作循環?’另一個是當冷凝器的溫度高于空氣露點的時候，則冷凝器不在工作區間內，此時，第一控制點CC1、第二控制點CC2和第三控制點CC3分別給出各自的控制信號，第一控制點CCl給出控制命令終止給熱電堆供電，第三控制點CC3給出控制命令打開第二電磁閥V2，允許第二路空氣管道通入空氣，第二控制點CC2加快泵的轉速，強力給散熱片制冷，使得熱電堆兩端的溫差快速地縮小到一個較小的范圍內，這個工作循環通常很快，能在規定時間內結束，然后，控制系統進入下一個工作循環，第三控制點CC3給出命令關閉第二電磁閥V2，第二路空氣管道通入的空氣不再作為冷卻風，第二控制點CC2給出命令降低泵的轉速，讓第二路空氣管道中通入的空氣充分地通過冷凝器，并通過換熱器回收冷量，第一控制點CCl給出控制命令使得熱電堆工作在最佳操作點上；若冷凝器溫度再次高于露點溫度，則控制系統切換到前一個工作循環，給散熱片降溫，此外，儲液罐儲液腔液位被檢測已滿狀態后，液位開關LSl觸發第一電磁閥Vl打開，讓淡水排出，反之亦然。
【文檔編號】E03B3/28GK203462517SQ201320448478
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年7月24日 優先權日:2013年7月24日
【發明者】劉光宇, 李兵, 李少兵, 薛安克 申請人:杭州電子科技大學