一种适用于沙漠种植的太阳能驱动空气取水装置

本发明属于太阳能空气取水，具体涉及一种适用于沙漠种植的太阳能驱动空气取水装置。

背景技术：

1、淡水资源短缺与土地荒漠化是当前全球面临的两大严峻挑战，在干旱与半干旱地区，如地下水开采、跨区域引水等传统供水方式往往面临建设成本高、运行维护困难以及生态破坏等问题。因此，探索适用于沙漠环境的新型分散式供水方式具有重要的现实意义。大气中蕴含着丰富的水资源，从空气中直接提取淡水的空气取水技术打破传统水资源的地理空间分布限制，因此受到广泛关注。

2、然而，现有空气取水技术仍存在以下不足：首先，采用制冷结露原理的沙漠空气取水装置依赖半导体制冷或压缩制冷实现冷凝，能耗较高且需要持续的电力供应，不适用于离网干旱沙漠地区的长期运行；其次，现有装置普遍针对实验室级别的原理性验证，缺乏针对沙漠风沙环境的有效防护措施，风沙扬尘易污染吸附剂材料，影响系统长期稳定运行，同时缺乏针对传热传质的优化设计，使得规模化放大后系统运行效率显著降低；此外，现有装置普遍缺乏自动化运行能力，大多需要人工干预完成吸附与解吸状态的切换，部分装置虽配备光伏供电系统，但往往未集成基于环境光照的自动控制逻辑，难以实现无人值守的昼夜自动化运行。

3、cn121047323a公开了一种基于吸湿水凝胶的太阳能全自动大气集水装置，涉及水资源收集技术领域，自动化集水装置包括：可调支架，用于平衡夜间吸湿时对空气的暴露角度与日间产水时对太阳辐射的接收角度；腔体模块，用于容纳所述核心吸湿模块，并具有可开合的结构；核心吸湿模块，用于吸收冷凝水；集水冷凝模块，用于冷凝水蒸气并收集液态水；智能化系统模块，用于自动化运行，并提供动力来源。然而，该装置的吸湿材料体系单一，难以兼顾多种气候条件下的吸附与脱附效率；其单层透光盖板配合外部隔热泡沫的热管理方式，解吸阶段仅能一定程度减少热量从侧面散失，无法阻止通过透光盖方向的热传递因而热量散失较大；此外，该装置并未针对沙漠地区风沙扬尘侵入污染吸附剂材料进行封装与保护，同时其t型丝杠电机驱动的垂直升降机构对安装空间要求较高，在风沙环境下易发生磨损卡滞。

4、综上，现有空气取水装置在材料适应性、热管理效率、风沙防护及驱动可靠性等方面仍存在明显不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于沙漠种植的太阳能驱动空气取水装置。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种适用于沙漠种植的太阳能驱动空气取水装置，包括：

4、双层玻璃；

5、吸附剂材料，贴敷于所述双层玻璃的背面，用于吸附和脱附水蒸气；

6、水蒸气冷凝腔，设于所述吸附剂材料下方，用于使脱附的水蒸气凝结为液态水；

7、太阳能光伏板，将太阳能转化为电能，为自动化控制系统供电；

8、自动化控制系统，与所述太阳能光伏板电连接；

9、电动推杆，分别与所述自动化控制系统和所述双层玻璃连接；

10、所述自动化控制系统检测光照强度，并根据检测结果控制所述电动推杆驱动所述双层玻璃及吸附剂材料运动，以切换夜间开启吸附水蒸气与日间闭合解吸产水的工作状态。

11、进一步地，所述双层玻璃由上层透光板、下层透光板及位于两者之间的密闭空气夹层构成；所述密闭空气夹层用于阻隔热量以在所述双层玻璃与所述吸附剂材料之间形成温室效应空间。

12、具体地，所述密闭空气夹层用于阻隔热量通过热传导与热对流方式向外散失，使所述双层玻璃在允许太阳短波辐射高效透过的同时，对所述吸附剂材料受热后发出的长波热辐射形成反射与阻隔，从而在所述双层玻璃与所述吸附剂材料之间形成温室效应空间，将太阳辐射热能限域在所述吸附剂材料表面，减少热量向外界环境散失。

13、进一步地，所述吸附剂材料包含光热组分，该光热组分用于将太阳能高效转化为热能以驱动解吸过程。

14、具体而言，所述吸附剂材料包括光热组分、吸湿盐和聚合物基质。所述光热组分为本领域已知的光热转换材料，其能够高效吸收太阳光谱能量并将其转化为热能，用以驱动吸附态水蒸气的脱附再生。该光热组分的质量分数通常为0.05%~10%，具体取值可根据吸附剂整体组成及所需光热转换效率进行优化调整。所述吸湿盐为氯化锂、氯化钙等常规吸湿性盐类，其在低湿环境条件下赋予材料优异的水蒸气捕获能力，其质量分数通常不低于50%，部分实施方案中可超过75%。所述聚合物基质选自海藻酸盐、聚丙烯酰胺、纤维素等常用聚合物材料，其作为吸附剂材料的骨架，提供必要的机械强度和结构稳定性，同时其多孔结构可以容纳吸湿盐防止盐溶液泄漏。

15、进一步地，所述光热组分选自炭黑、石墨烯、氮化钛、氮化碳中的一种或多种。

16、进一步地，还包括封装材料，该封装材料贴合于所述吸附剂材料下方，用于封装所述吸附剂材料并允许水蒸气通过。

17、更进一步地，所述封装材料为无纺布或聚四氟乙烯膜；

18、所述无纺布由纤维经非织造工艺形成，其纤维原料包括天然纤维（例如棉纤维、麻纤维、羊毛纤维等）和/或化学纤维（例如聚丙烯纤维、聚酯纤维、粘胶纤维等）。

19、所述封装材料通过耐高温粘合剂紧密贴合于所述吸附剂材料下方，既能够有效阻挡外界沙尘颗粒侵入吸附剂内部孔隙，防止孔隙堵塞，又能够保证水蒸气分子自由透过，从而实现防沙尘污染和水蒸气高效传质，确保吸附剂在沙漠等风沙环境下的长效稳定运行。

20、所述耐高温粘合剂的种类无特殊限定，只需保证在吸附剂光热解吸过程所达到的温度下能够维持稳定的粘合强度即可，例如可选自有机硅密封胶或环氧树脂胶。

21、进一步地，还包括散热翅片，所述散热翅片连接于所述水蒸气冷凝腔下方，用于增强自然对流以降低所述冷凝腔的温度，促进水蒸气的高效冷凝。

22、进一步地，所述自动化控制系统包括储能电池、光敏传感器、控制单元和电机驱动；

23、所述储能电池与所述太阳能光伏板电连接，用于储存所述太阳能光伏板产生的电能，并向所述光敏传感器、控制单元、电机驱动持续供电；

24、所述光敏传感器、电机驱动分别与控制单元电连接，电机驱动与电动推杆电连接。

25、所述控制单元为arduino控制板。

26、具体地，所述自动化控制系统通过所述光敏传感器持续感知外界光照强度，并由所述控制单元接收并处理信号后向所述电机驱动发出指令，所述电机驱动通过调控电流方向控制所述电动推杆内置电机的正反转；

27、所述自动化控制系统采用具有上阈值和下阈值的滞回控制逻辑。光照检测值低于或等于预设光照强度下阈值并持续达到第一预设时长时，控制单元控制电动推杆沿开启方向运动；光照检测值高于或等于预设光照强度上阈值并持续达到第二预设时长时，控制单元控制电动推杆沿闭合方向运动。其中，所述上阈值大于所述下阈值。

28、当光照检测值处于所述下阈值与所述上阈值之间时，控制单元保持装置在前一次完成切换后的开启状态或闭合状态，不向电动推杆发出反向切换指令。若光照检测值在达到相应预设时长之前离开对应的阈值范围，则控制单元取消本次计时，并保持装置当前状态。

29、当电动推杆驱动双层玻璃到达预设开启位置或预设闭合位置时，控制单元停止向电机驱动输出相应的驱动指令，使电动推杆停止运动，并将当前状态锁存为开启状态或闭合状态。在当前状态锁存期间，即使光照检测值继续满足触发该状态的阈值条件，控制单元也不再重复驱动电动推杆；仅当光照检测值满足相反状态的阈值条件并持续达到对应的预设时长时，控制单元解除当前状态锁存并执行反向切换。

30、进一步地，所述下阈值为水平面太阳总辐照度50 w/m2，所述上阈值为水平面太阳总辐照度150 w/m2，所述第一预设时长和第二预设时长均为10 min。

31、在相对低温高湿的夜间，所述电动推杆推动双层玻璃与吸附剂材料绕合页转动以开启装置，利用所述吸附剂材料捕捉并吸附大气中的水蒸气；

32、在日间，所述电动推杆带动所述双层玻璃与吸附剂材料转动以闭合装置，在太阳能驱动下解吸，释放的水蒸气在分压差驱动下进入所述水蒸气冷凝腔并在冷凝壁面上凝结为液态水，最终首先收集至集水容器并根据实际用水需求利用滴灌组件供给沙漠地区种植灌溉。

33、进一步地，还包括支撑台架，用于支撑所述装置各部件；所述支撑台架配置为使闭合状态下的双层玻璃能够获得依据当地纬度选取的工作倾角，该工作倾角例如为15°-45°，便于接收太阳辐照，并利于冷凝水汇集。

34、太阳能光伏板固定安装于支撑台架的上部；水蒸气冷凝腔固定设置于支撑台架的中部平台；双层玻璃外框的后边缘通过合页铰接于支撑台架的后部横梁；电动推杆的缸体端通过支座固定在支撑台架上，电动推杆的推杆端与双层玻璃的外框铰接，电动推杆伸缩可驱动双层玻璃的外框绕合页转轴转动，实现双层玻璃的开合。光敏传感器暴露设置于外界环境中。

35、进一步地，所述双层玻璃与所述水蒸气冷凝腔之间设有密封材料，例如密封条，该密封条的材质无特殊限定，可选用橡胶、硅胶或聚氨酯等；所述密封材料用于保证日间解吸过程中的气密性，实现水蒸气的定向传输与冷凝。

36、进一步地，还包括集水容器和滴灌组件；

37、所述集水容器与水蒸气冷凝腔的出水口相连接，用于储存装置解吸产水；

38、所述滴灌组件包括连接软管、地插和调节阀；所述连接软管的一端连接于所述集水容器，另一端连接调节阀；所述调节阀用于调节滴灌组件的开闭及出水流量；所述地插用于固定连接软管。

39、本发明的工作原理如下：

40、本发明的自动化控制系统由太阳能光伏板供电，光伏板在日间太阳辐照下进行光电转换，电能储存在储能电池中，并向光敏传感器、控制单元和驱动电机持续供电。

41、光敏传感器持续采集环境光照强度，并将模拟信号传输至arduino控制板的转换接口；自动化控制系统通过光敏传感器实时感知外界光照强度，由控制单元对采集信号进行处理与判断。当光照检测值低于预设光照强度下阈值（例如水平面太阳总辐照度g≤50w/m2）且持续超过10min时，控制板判定为夜间状态，向电机驱动输出正向电流指令，驱动电机控制电动推杆内置电机正转，电动推杆伸出，推动双层玻璃及吸附剂材料绕合页向上翻转开启，吸附剂材料暴露于环境空气中。此时环境温度较低、环境湿度相对较高，吸附剂材料捕捉并吸附大气中的水蒸气。

42、当光照检测值高于预设光照强度上阈值（例如水平面太阳总辐照度g≥150w/m2）且持续超过10min时，控制板判定为日间状态，向电机驱动输出反向电流指令，驱动电机控制电动推杆内置电机反转，电动推杆收缩，带动双层玻璃及吸附剂材料绕合页向下翻转，直至与水蒸气冷凝腔的上沿紧密贴合，密封条受压缩形成密闭空间。双层玻璃的密闭空气夹层对吸附剂材料受热产生的长波热辐射起到反射、阻隔作用，在双层玻璃与吸附剂材料之间构建温室效应空间，将太阳辐射热能限域在吸附剂材料表面；吸附剂材料借助光热组分将太阳能高效转化为热能，自身温度升高，所吸附的水蒸气发生脱附释放。

43、脱附产生的高温水蒸气在分压差驱动下向下进入水蒸气冷凝腔；水蒸气冷凝腔受自然对流冷却，其温度显著低于吸附剂材料，构成低温冷凝表面，高温水蒸气在冷凝腔壁面凝结形成液态小液滴，不断汇集后流入集水容器；可根据实际用水需求，通过调节阀控制滴灌组件的通断与流量，产出的水供给沙漠地区种植灌溉。

44、至此装置完成“夜间吸附、日间解吸”的一次完整工作循环，并在自动化控制系统的时序控制下往复运行，实现夜间开放吸附与日间闭合解吸的自动化时序切换。

45、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

46、（1）自动化控制：本发明构建了独立的光伏发电系统，并设计了基于环境光照检测的智能控制逻辑，实现了沙漠地区空气取水装置全天候自动化运行，无需外部电网供电或人工干预，极大降低沙漠种植场景的运维成本。

47、（2）长期运行稳定性好：封装材料在夜间吸附阶段可以有效阻隔外界风沙扬尘进吸附剂材料内部，避免传质通道堵塞及材料污染失效；密封材料在日间解吸阶段形成封闭空间，避免水蒸气向外界扩散，提高冷凝收集效率。

48、（3）环境适应性强：本发明采用基于吸附的空气取水技术，相较于依赖高湿环境的雾捕集技术和依赖电力供应的制冷结露技术，在相对湿度低至30%的沙漠地区仍能稳定运行并有效产水。

49、（4）可持续性好：本发明完全依靠太阳能驱动，无需传统化石能源或额外能量输入，具有广泛的离网适用性，为全球干旱地区及荒漠化地区的生态修复、防沙治沙与可持续农业发展提供了切实可行的技术路线。