一种野外无源便携式全天集水装置

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，具体涉及基于天空辐射制冷技术、太阳能光热转换技术，淡水资源获取技术。

背景技术

水资源短缺和饮用水安全是人类社会共同面对的问题。全球约22亿人无法获得安全的饮用水，人口最多的地区是撒哈拉以南非洲、南亚和拉丁美洲。为了缓解这一问题，全球河流总量六倍的大气层成为可持续的水源。早晨的露水就是植物从大气中获得的纯净水，是利用了天空辐射制冷原理。天空辐射制冷是以太空低温背景为辐射传热对象，通过“大气窗口”将热量输送到太空中去，以实现地表物体被动制冷夜间低于露点温度的辐射冷却材料可以在高湿度环境吸收大气中的水分获得纯净水。此外，很早之前，人们就已经学会了利用太阳光得到纯净的冷凝水的技术，这是利用了太阳能光热转换技术。光热转换是通过光谱选择性涂层，提高太阳辐射吸收，降低中红外发射，把太阳辐射转化为热能加以利用的方式。太阳能转化成热能驱动蒸发，涉及在低于沸腾温度的温度下产生蒸汽，以及在沸腾温度或高于沸腾温度下产生蒸汽，从而获得纯净冷凝水。

目前，人们发明了多种装置来收集水资源。2018年袁丹等人发明了一种应用辐射制冷技术的冷凝水收集装置。在夜晚，可以利用冷凝法将大气中的水蒸气转化为干净且可饮用的水，解缓解一定的缺少问题。但是装置只在晚上工作，造成大量时间的浪费。也有人认为太阳能—热能转换进行水净化是更环保、更具成本效益的技术。近年来，太阳能驱动的水蒸发技术引起了学术界和工业界的广泛关注。2022年张宪胜发明了一种智能太阳能界面蒸发式海水淡化连续收集装置，为解决水资源短缺问题提供有效方法，在海水淡化和污水处理领域有广泛的应用前景。而且更早之前韩传龙等人也发明了类似装置，都可以利用太阳能进行海水淡化、实现淡水收集。尽管人们已经进行了许多研究发明，但现有的设备对能源利用效率较低，无法实现白天和夜晚对水资源的连续收集。为了更加高效的收集纯净水，将白天太阳能光热转换和夜间天空辐射制冷耦合。实现白天太阳能光热转换集水，同时夜间天空辐射制冷集水。但是，从光谱分析，太阳能光热转换材料与辐射制冷材料存在光谱冲突。因此，在不损失白天集水性能的同时，实现高效率的夜间集水依旧是一个难题。

发明内容

为了自适应切换白天太阳光热集水模式和夜间天空辐射制冷集水模式，实现白天和夜晚的连续获得更多的冷凝纯净水，本发明提供一种野外无源便携式全天集水装置。

一种野外无源便携式集水装置包括集水池1、蓄水池3、支架6和吸水体5；

所述集水池1和蓄水池3均为圆柱桶状，所述蓄水池3同轴位于集水池1内；蓄水池3的直径小于集水池1的直径，蓄水池3的高度小于集水池1的高度；集水池1的顶部盖设着透明盖板8；

所述支架6为伞状，支架伞面62的顶面设有涂层7，支架伞杆61为支撑杆，支撑杆的下端固定设于蓄水池3内，且支架伞杆61与蓄水池3同轴；支架6材料的导热系数为0.01～0.5 W·m

所述涂层7为温度自适应薄膜，包括从下至上依次是铝层71、二氧化硅层72、二氧化钒层73和氧化铝层74；

所述吸水体5为伞状，吸水体5的伞面固定设于支架6的伞面的底面，吸水体5的吸水杆位于蓄水池3内；吸水体5为亲水多孔材料；

所述野外无源便携式集水装置自适应切换白天太阳能光热和夜间天空辐射制冷；

所述涂层7根据白天温度和夜间温度的变化，改变自身光谱特性以满足白天高效率太阳能光热和夜间辐射制冷的要求；白天，蓄水池3中的水蒸发获得水蒸气，水蒸气冷凝流入集水池1；夜晚，大气中的水蒸气凝结在涂层7表面，流入集水池1；全天的产水量超过2kg·m

进一步限定的技术方案如下：

所述蓄水池3的直径为集水池1的直径至少二分之一，蓄水池3的高度小于集水池1的高度至少20cm。

所述支架6的材料为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚全氟乙丙烯、乙烯-四氟乙烯共聚物、玻璃纤维中的一种。

所述支架伞面62的外圆周为向下弯曲的弧形引流板63。

所述涂层7包括上下依次连接的氧化铝层、二氧化钒层、二氧化硅层和金属铝层。

所述氧化铝层的厚度为40 nm～60 nm，所述二氧化钒层的厚度为180 nm～250nm，所述二氧化硅层的厚度大于200 µm，所述铝层的厚度大于100 nm。

所述吸水体5的材料为植物纤维、海绵、氢化棉中的一种。吸水体5具有亲水基团，多孔性，安全环保，可以迅速运输污水或海水。

所述吸水体5的的伞面的厚度为3～10 mm，吸水杆的直径为0.5～2 cm。

所述集水池1的材料为塑料、玻璃、陶瓷、搪瓷、不锈钢中的一种。

所述蓄水池3的材料为聚氯乙烯塑料、玻璃、陶瓷、搪瓷、不锈钢中的一种。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明的野外无源便携式集水装置借助温度自适应薄膜实现连续白天太阳能光热集水和夜间辐射制冷集水。在白天工作时，温度自适应薄膜随着升温转变为太阳能光热模式，具有优异的光谱选择性，太阳辐射波段吸收率高过0.85，同时中红外波段的发射率低于0.3，从而增强对太阳辐射的吸收和降低热损，获得高的热量和温度。高温涂料会加剧水的蒸发获得水蒸气，水蒸气遇到较冷的集水池壁会迅速冷凝成纯净水留在集水池中。此时，这一光谱选择特性的材料比传统的太阳能光热集水的材料具有更好的太阳能利用率。

同时，相较于传统的太阳能集水，本发明可以在夜间工作，并且可以在无水源的地方工作。夜间工作时，温度自适应薄膜随温度的降低转变为辐射制冷模式，由于二氧化钒发生相变，中红外波段的发射率增加，发射率高于0.75，热量以热辐射的形式通过“大气窗口”散失到太空中去，从而使温度自适应薄膜达到露点温度以下,大气中的水分会凝结在温度自适应薄膜表面进而流入集水池。

因此，本发明在白天可以比传统的太阳能集水有更高的太阳能利用率，获得更多的水蒸气并冷凝成纯净水；其次，本发明可以在夜间工作，从大气中捕捉水蒸气并冷凝成可直接饮用的液态水。该过程中的水源来自于大气中的水分，无需额外的水源，可以广泛应用在沙漠等干旱少雨的地方。此外，这两种工作模式均无需额外输入能源，清洁无污染。

2.本发明的野外无源便携式集水装置全天集水装置产量超过2kg·m

3、本发明利用温度自适应薄膜实现了白天太阳能光热集水和夜间辐射制冷集水的自动切换，无需输入额外的能源或控制信号，节省了成本和维护，而且可以从不同的水源：污水、海水、大气中获得纯净的冷凝水，适用于不同的环境和需求，为缺乏饮用水的地区提供安全、可靠、可持续的解决方案。考虑到户外使用，结构设计简单、轻便、易于携带和安装，适合野外使用。采用的伞状的支架和吸水体，可以方便地折叠和展开。

附图说明

图1为本发明日间集水示意图。

图2为本发明夜间集水示意图。

图3为支架结构示意图。

图4为本发明涂层的结构示意图。

图5为本发明涂层可见光波段光谱图。

图6为本发明涂层中红外波段光谱图。

图7为本发明涂层的户外温度变化图。

上图中序号：集水池1、冷凝水2、蓄水池3、水4、吸水体5、支架6、支架伞杆61、支架伞面62、弧形引流板63、涂层7、铝层71、二氧化硅层72、二氧化钒层73、氧化铝层74、透明盖板8。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

参见图1，一种野外无源便携式集水装置包括集水池1、蓄水池3、支架6和吸水体5。

集水池1和蓄水池3均为圆柱桶状，蓄水池3同轴位于集水池1内；集水池1的顶部盖设着透明盖板8。

集水池1的材料为玻璃，壁厚为4mm，化学性质稳定，用于收集冷凝水，白天收集壁面冷凝的水，夜间收集涂层7上的冷凝水。

蓄水池3的材料为玻璃，壁厚为4mm，化学性质稳定，用于提供蒸发的水源，包括河水、海水以及不能直接引用的水。

蓄水池3的直径为集水池1的直径的二分之一，蓄水池3的高度小于集水池1的高度20cm。

透明盖板8的材料为0.1mm聚乙烯薄膜，作用是防止白天蒸发的水汽逸散出去，同时提供一个良好的光学透过率，在300nm-2500nm的太阳辐射波段透过率为0.95。

参见图3，支架6为伞状，支架伞面62的顶面涂设有涂层7，支架伞面62的外圆周为向下弯曲的弧形引流板63；支架伞杆61为支撑杆，支撑杆的下端固定安装于蓄水池3内，且支架伞杆61与蓄水池3同轴。支架6的材料为导热系数为0.01～0.5W·m

参见图4，涂层7为温度自适应薄膜，包括从下至上依次为厚度100nm的铝层71、厚度0.5mm的二氧化硅层72、厚度200nm的二氧化钒层73和厚度50nm的氧化铝层74。

参见图5和图6，高温状态的涂层7对波长300nm-2500nm的太阳辐射的吸收率为0.89，对5000nm-20000nm的中红外波段的发射率为0.21；低温状态涂层7的中红外的发射率为0.75。参见图7，户外实验中，涂层7在白天的滞止温度达到97℃，为蒸发蓄水池中的水提供热源。涂层7在夜间的滞止温度低于环境7℃，为空气中水的冷凝提供冷源。

参见图1，吸水体5为伞状，吸水体5的伞面固定安装于支架6的伞面的底面，吸水体5的吸水杆位于蓄水池3内。吸水体5的材料为吸水海绵，吸水体5的伞面厚度为2cm,吸水杆的直径1cm、长度10cm，吸水体5的作用是储存液体，将蓄水池3中的液体引至涂层7的下方。

蓄水池3中的水4为河水。

本发明的工作原理详细说明如下：

参见图5，涂层7在白天太阳波段吸收率可以达到0.85，同时红外发射率降低到0.3以下。尽可能吸收更多热量的同时降低热损。参见图6，涂层7在夜间中红外波段的发射率增加到0.75，增强热辐射使热量通过大气窗口散失到外太空。涂层7在白天和夜间对应不同光谱特性，且能根据涂层材料温度变化，改变自身光谱特性以满足白天高效率太阳能光热，夜间辐射制冷的要求。

参见图1，在白天，涂层7实现增强热辐射特性，加剧水的蒸发获得水蒸气，水蒸气遇到较冷的集水池1的内池壁迅速冷凝成纯净水流入集水池1中。参见图2，在夜晚，涂层7会随温度的降低，改变自身光谱特性，获得低于露点的温度，大气中的水蒸气会如同露水一样凝结在涂层7的表面，进而流入集水池1中。

对本发明装置进行集水性能测试，本发明装置依靠涂层7自适应切换的白天太阳能光热和夜间天空辐射制冷实现了全天集水。测试结果表明，在白天时，本发明装置实现将蓄水池3中的海水4加热至80℃左右，并通过吸水体5将海水4输送到涂层7下方进行蒸发。海水4中的盐分和杂质被滤除，产生纯净的水蒸气。水蒸气经过透明盖板8后遇到较冷的集水池1的内池壁面而冷凝成纯净水，并流入集水池1中。在夜间时，本发明装置实现利用涂层7对深空的辐射制冷效果，将涂层7表面温度降至-10℃左右，低于大气的露点温度。此时，大气中的水蒸气会在涂层7的表面凝结成露水，并沿着弧形引流板63流入集水池1中。经过24小时的连续运行，本发明装置实现从海水4和大气中收集约4.2g的纯净水，相当于每平方米每天收集约2.1 kg的纯净水，比现有技术提高了约20%的效率。

实施例2

与实施例1不同在于选择材料部分不同。集水池1和蓄水池3的材料替换为具有柔性特征的聚氯乙烯塑料，方便折叠携带。

导热系数为0.1 W·m

蓄水池3中的水4选择生活污水替代海水。

对本发明装置进行集水性能测试，测试结果表明，在白天时，本发明装置实现将蓄水池3中的生活污水加热至80℃左右，并通过吸水体5将生活污水输送到涂层7下方进行蒸发。生活污水中的有机物和无机物被滤除，产生纯净的水蒸气。水蒸气经过透明盖板8后遇到较冷的集水池1的内壁面而冷凝成纯净水2，并流入集水池1中。在夜间时，本发明装置实现利用涂层7对深空的辐射制冷效果，将涂层7表面温度降至-8℃左右，低于大气的露点温度。此时，大气中的水蒸气会在涂层7表面凝结成露水，并沿着弧形引流板63流入集水池1中。经过24小时的连续运行，本发明装置实现从生活污水和大气中收集约4.0g的纯净水，相当于每平方米每天收集约2.0 kg的纯净水，比现有技术提高了约15%的效率。