呂東芳 宋雷震

(1淮南聯(lián)合大學信息工程學院；2淮南聯(lián)合大學智能制造學院 安徽淮南 232001)

1研究背景及意義

1.1全球水資源現(xiàn)狀

地球表面的72%被水覆蓋，但是淡水資源僅0.75%，有近70%的淡水固定在南極和格陵蘭的冰層中，其余多為土壤水分或深層地下水，不能被利用。地球上只有不到1%的淡水或約0.007%的水可被人類直接利用，中國人均淡水資源只占世界人均淡水資源的1/4。

地球的儲水量是很豐富的，共有14.5億立方千米之多。地球上的水，盡管數(shù)量巨大，但是能直接被人們生產(chǎn)和生活利用的，卻少得可憐。首先，海水又咸又苦，不能飲用，不能澆地，也難以用于工業(yè)。全球淡水資源不僅短缺而且地區(qū)分布極不平衡。按地區(qū)分布，巴西、俄羅斯、加拿大、中國、美國、印度尼西亞、印度、哥倫比亞和剛果9個國家的淡水資源占了世界淡水資源的60%。約占世界人口總數(shù)40%的80個國家和地區(qū)約15億人口淡水不足，其中26個國家約3億人極度缺水。更可怕的是，預計到2025年，世界上將會有30億人面臨缺水，40個國家和地區(qū)淡水嚴重不足。

文章設(shè)計這款作品旨在收集空氣中的水汽來滿足缺水地區(qū)的用水需求。

2設(shè)計方案

2.1總體設(shè)計

水汽收集裝置大概可分為五大部分，深埋在最地底下的集水區(qū)，埋在地下的冷凝區(qū)，與集水區(qū)相通的通風管，地上的風葉區(qū)以及最頂部的太陽能電池裝置,如圖1所示。

圖1 水氣收集裝置

2.2集水區(qū)部分

集水區(qū)整體部分設(shè)計集水區(qū)域如圖2所示。

圖2 集水區(qū)整體部分設(shè)計集水區(qū)域

材質(zhì)采用耐腐蝕食品級PE塑料，形狀為上半部為圓柱，下半部為圓錐的組合體。上半部圓柱的底面外徑為30cm，內(nèi)徑為28cm，高度為10cm。下半部圓錐的底面外徑為30cm，內(nèi)徑為28cm，內(nèi)高度為5cm，整體壁厚為2cm。整個集水區(qū)設(shè)計容量約為V=m2h+1/3m2h=3.14×(29cm)2×10+1/3×3.14×(29)2×5cm=49.32L。安裝時埋在錐尖距地面155cm深處。以上半部圓柱底面的圓心為圓心，半徑為14cm開一圓孔，并在此圓孔四周間隔2cm處對稱開4個半徑為10cm的圓孔，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)進、排氣管

半徑為14cm的圓孔用于連接冷凝區(qū)，4個半徑為10cm的圓孔用于連接通風區(qū)。在下半部圓錐內(nèi)部的一條母線上安裝有水位傳感器，以頂部太陽能電池為能源工作。

傳感器可以將水位信號通過安裝在頂部太陽能電池板旁的NBiot技術(shù)發(fā)送到上位機中。這樣可以在一臺上位機上檢測多個終端，如圖4所示。

圖4 系物聯(lián)網(wǎng)

在圓錐頂點內(nèi)部附近放置抽水管的一端，抽水管經(jīng)過一根通風管與外部用太陽能電池供電的水泵相連，如圖2和圖3部分所示。

2.3 冷凝區(qū)部分

圖5材質(zhì)采用6061/6063型鋁合金，形狀為外徑為14cm，內(nèi)徑為12cm，高度為150cm的圓柱。圓柱垂直安裝，上底面高于地面10cm，下底面與集水區(qū)半徑為14cm的圓孔連接。連接的部分用法蘭及固定螺栓進行加固，如圖6所示。

圖5 冷凝區(qū)部分設(shè)計

圖6 連接法蘭

在圓柱的內(nèi)壁有10條互為一定角度的，長度為135cm的散熱片。散熱片頂端距凝水區(qū)頂部15cm散熱片下邊的角度為圓錐錐度的1/2，緊靠在集水區(qū)圓錐的母線上。因為要埋在地下，所以冷凝管外表面要涂上防腐蝕涂料。內(nèi)表面包括散熱器表面涂上疏水涂料，有利于凝結(jié)的水滴落到集水區(qū)中。

系統(tǒng)中特別設(shè)計了制冷片，見圖7。制冷片也叫熱電半導體制冷組件或帕爾貼等，是指一種分為兩面，一面吸熱，一面散熱，起到導熱的貼片，本身不會產(chǎn)生冷。將其制冷片嵌入在保溫層中與冷凝管外壁緊密固定一起，使其冷面與管壁接觸。目的是通過熱傳導效應(yīng)，將冷凝管的熱量通過制冷片的熱面上的散熱片傳導于空氣中，使冷凝管內(nèi)的溫度低于空氣溫度，通過溫度差達到冷凝水的目的。制冷片工作時需要電源由蓄電池提供，由于制冷片與電動風機采用PMW調(diào)速控制，因此在增強出水量的同時最大減小系統(tǒng)對電力的需求。

圖7 制冷片

2.4排氣管部分

排氣管部分機械部分設(shè)計通風區(qū)，如圖8所示。

圖8 排氣管部分機械部分設(shè)計通風區(qū)

材質(zhì)采用 6061/6063 型鋁合金，形狀為外徑為 10cm，內(nèi)徑為 9cm，高度為 160cm，傾斜角度為 70 度的圓柱。圓柱下底面與集水區(qū) 4 個對應(yīng)的半徑為 10cm 的圓孔連接。連接的部分用法蘭及固定螺栓進行加固。上底面裝有無動力通風機，使得整個裝置的空氣循環(huán)更流暢。外表面涂上防腐蝕涂料。

2.5 風葉區(qū)部分

圖9中圓柱材質(zhì)采用6061/6063型鋁合金，形狀為外徑為14cm，內(nèi)徑為12cm，高度為50cm。圓柱垂直安裝，與下方冷凝區(qū)連接的部分用法蘭及固定螺栓進行加固。上方架設(shè)有太陽能電池板。圓柱內(nèi)部安裝有兩個風葉，分別為上方以風能驅(qū)動的同軸風葉，和下方電動風葉，電機為太陽能電池供電。風能風葉頂部為達里厄型風力發(fā)電機渦輪(葉片長度30cm，葉片直徑30cm，葉片材

圖9 風葉部分設(shè)計

料鋁合金，葉片數(shù)量4幅)，下方為超輕大風壓風葉(葉片直徑11cm，葉片數(shù)量3幅，頁面傾角10°)，兩風葉處在同一豎直軸上。在風能風葉上安裝有太陽能電池供電的轉(zhuǎn)速傳感器，一旦傳感器檢測到其轉(zhuǎn)速低于設(shè)置值的時候?qū)詣訂酉路降碾姍C風葉，轉(zhuǎn)速恢復時自動關(guān)閉下方電機風葉。下方的電機風葉電機采用防水低功耗型，以蓄電池或是鋰電池等為能源由太陽能電池為其充電，所帶動的風葉也超輕大風壓型。

2.6太陽能電池板部分

太陽能電池板部分設(shè)計如圖10所示。

圖10 太陽能電池板部分設(shè)計

太陽能電池板架設(shè)在風葉區(qū)上端，起到為下方裝置遮陽的作用，防止因為太陽對裝置的照射，引起裝置內(nèi)的溫度升高，溫度差減小而影響水的冷凝作用。整個太陽能電池板向南傾斜30°-45°，有利于更好地接受太陽光，在太陽能電池板的下方有一個雨水收集裝置，裝置下方有一小孔，與冷凝區(qū)管壁通過中空不銹鋼管連接，保證裝置所在地區(qū)下雨的時候可以更好地收集雨水。同時不銹鋼與冷凝管內(nèi)壁固定起到支撐太陽能板的作用。實驗中采用為單晶硅太陽能電池板輸出18V50W高效5線，轉(zhuǎn)換效率可以達20%以上。由于所生要的電能主要用于電動風機和制冷片的驅(qū)動，所以該裝置不采用太陽能追蹤裝置。如果量產(chǎn)可能使用更為輕便的柔性太陽能電池，安裝面積可以更大，功率也可以增大，制冷效果更好，出水量更多。

2.7控制程序(PMW部分程序)

采用PMW控制節(jié)能電動風葉轉(zhuǎn)速、制冷片工作溫度，部分代碼如下：int main(void)

{

u16 pwm_motor=300，pwm_TEC；

delay_init()； //延時函數(shù)初始化

NVIC_Configuration()；//設(shè)置 NVIC 中斷分組 2：2 位搶占優(yōu)先級，2位響應(yīng)優(yōu)先級

get_temp_Init()；//蓄電池電壓采集

TIM3_PWM_Init(899，0)；//不分頻，PWM 頻率=72000/900=8Khz

TIM2_PWM_Init(899，0)；

TIM_SetCompare2(TIM3，pwmval_motor)；//電機pwm賦值

while(1)

{

T=get_temp()；//獲取溫度

pwm_TEC=pid(T)；//pid控制溫度

TIM_SetCompare2(TIM2，pwm_TEC)；//制冷片pwm賦值

delay(30)；

}

}

3創(chuàng)新及應(yīng)用

(1)該系統(tǒng)適用于許多類型的干旱缺水地區(qū)，也適用于淡水資源缺乏的沿海地區(qū)。

(2)安裝和監(jiān)控簡便，容易使用。

(3)無需外部供能，減低運水成本，節(jié)能減排。

(4)通過設(shè)計產(chǎn)生的電能，控制風機、制冷片等元件，提高抽水效率。