[实用新型]适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置

说明书

本实用新型公开了一种适用于高温低湿环境的光伏电解质膜一体化空气制水装置。该制水装置包括水蒸气富集系统、制水系统、自动控制系统以及装置外壳。本实用新型空气制水装置采用一体化设计，结构简单紧凑、安全可靠，无运动部件，无固定设备，制作简单，便携性好；同时，本实用新型空气制水装置中通过电化学反应使得集气罐内的空气中水蒸气富集，其所需的低压直流电由太阳能光伏组件提供；水蒸气富集过程受空气温湿度影响较小，有较宽的可操作温度和优越的低露点性能，可在高温低湿情况下正常运行，甚至在空气湿度小于5~10%RH时都仍可继续工作，特别适用于沙漠等高温低湿环境中的空气制水，可连续工作，取水效率高。

技术领域

本实用新型涉及空气制水技术领域，具体涉及一种适用于高温低湿环境的空气制水装置。

背景技术

当今世界，淡水资源日渐匮乏，淡水短缺问题日益严峻。尤其是沙漠、海岛等干旱地区，短缺情况非常严重，严重威胁到了这些地区人类的生存和发展。

沙漠是典型的缺水地区，世界上沙漠或面临沙漠化威胁的地区达陆地面积的50％甚至更高，并且由于气候变化这一比例还在逐渐变大。沙漠地区人口占世界人口的10％左右。同时，沙漠中蕴藏着极其丰富的石油、天然气等矿物资源。然而沙漠地区降雨稀少且蒸发强烈，导致径流水资源极度匮乏。这给居民生活、工业生产、经济开发、科学考察及军事部署等都带来了巨大的困难。

目前，解决沙漠地区的淡水供应问题主要有三种途径：(1)异地送水；(2)海水淡化；(3)空气取水。前两种方法较为传统，但都不能从根本上很好地解决沙漠这一特定区域、特定应用环境下的淡水水源问题。运输水有十分高昂的运输成本，还受制于运输条件。海水淡化严重受制于用水区域地理位置的影响，难以在广阔的沙漠地区应用。

空气取水方式是近年来受到广泛关注的一种更加节能环保的制水方式，尤其适用于没法获得其他水资源的苛刻沙漠自然条件。事实上，大气本身就是一个巨大的淡水库，空气中水蒸气清洁且可再生，在没有地表水源的情况下，空气可成为我们获取淡水的重要水源。例如，我国的塔克拉玛干沙漠，其全年平均相对湿度也有20～30％左右，将空气中的水蒸气分离并转化为液态水，具有巨大的潜力。同时，白天沙漠光照强度大，光照时间长，有利于采用光伏系统来驱动空气制水装置。

如何高效节能地从空气中获取淡水是众多科研人员共同关心的课题。目前空气取水的主要方法有冷却结露法、吸附法及膜分离法等，但对于沙漠环境，均存在不足之处。由于沙漠中空气温度高、湿度低，为制得所需的露点温度所消耗的能量大，冷却过程效率较低。吸附法利用干燥剂的吸湿、解吸过程，对水质可能有一定影响，易导致水安全问题。而膜分离法需要较高压力，能耗高并且系统复杂而限制了其应用。

例如，中国专利CN1131359C描述了一种吸附式空气取水装置，采用特定的吸附剂强化取水效果，但由于沙漠等地区空气湿度较低，吸附效率低，能量消耗大，且有可能导致水的污染。中国专利CN 101851946B描述了一种利用分离膜富集空气水蒸气的制水方法和装置，利用分离膜富集空气中的水蒸气，再通过对富集气体降温从而制造液体水的方法。但需要较高压力(典型的，采用压缩机将空气升压至4～15bar)，能耗较大且系统复杂，并具一定的危险性。中国专利CN01102877.7公开了一种太阳能吸附式空气取水器，利用太阳能聚光罩和相变蓄冷冷凝罩进行吸附过程，但体积过于庞大，结构十分复杂，且吸附剂吸附量较低，取水量无法满足要求。

利用电解质膜富集空气水蒸气是一项十分新颖的技术，通过在电解质膜两侧施加低压直流电场，利用电解反应及电渗效应使得水蒸气逐步由阳极侧转移到阴极侧，使得阴极侧中空气的水蒸气逐步富集。该技术有较宽的可操作温度和优越的低露点性能，可在低湿(5-10％甚至以下)情况下正常运行；水蒸气富集过程中无需吸附剂，无有害物质；其结构简单紧凑，无固定设备，适于制作便携装置；同时，其采用单一低压直流电能，非常适合与光伏或风力发电等可再生能源有机结合。因此，这一水蒸气富集技术非常适合应用于空气制水装置中，特别是针对沙漠等高温低湿环境中的空气制水。