專利名稱：水汽捕捉裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水汽捕捉裝置，該裝置能將空氣中的水汽轉(zhuǎn)化成為液態(tài)淡水。
背景技術(shù)：
水是生命之源，它滋潤(rùn)著世間萬(wàn)物，沒(méi)有水就沒(méi)有生命，也就沒(méi)有人類(lèi)的一切。地球雖然稱為“水球”，但直接能為人類(lèi)所使用的液態(tài)的淡水所占的比例很少，并且隨著人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展，可利用的液態(tài)淡水資源越發(fā)不能滿足人類(lèi)的需求。面對(duì)嚴(yán)峻的水資源短缺問(wèn)題，人類(lèi)提出了不少解決辦法:海水淡化、人工降雨、水的多次循環(huán)利用等等。這些技術(shù)都存在不同方面的制約，比如:淡化海水，只能在沿海部分地區(qū)進(jìn)行，此外技術(shù)不夠成熟成本高；人工降雨則必須要有可降雨的云層，且不太環(huán)保。眾所周知大氣中含有不少的水汽，研究數(shù)據(jù)表明:大氣中的水汽總量是地表河流水量的八倍，并且水汽無(wú)處不在，有空氣的地方就有水汽；在干旱、半干旱甚至沙漠地區(qū)，水汽凝結(jié)形成的露水量常常是自然降水量的好幾倍；在一些環(huán)境污染比較嚴(yán)重的地區(qū)，水汽比地表水更為潔凈；當(dāng)露點(diǎn)為20°C時(shí)，絕對(duì)濕度α =18.6g/m3，當(dāng)露點(diǎn)為10°C時(shí)，絕對(duì)濕度α = 9.4g/m3，考率到空氣的流動(dòng)性，能夠收集的水的量還是可觀的。因此可以對(duì)大氣中的水汽加以開(kāi)發(fā)利用。目前將大氣中的水汽轉(zhuǎn)化為液態(tài)淡水的方法主要有:電制冷結(jié)露法、吸附劑吸附法、聚霧取水法等。但是這些方法存在以下缺點(diǎn):電制冷結(jié)露法耗能且效率相對(duì)較低；吸附法使用的高效吸附劑還有待開(kāi)發(fā)，且液態(tài)吸附劑有害人體健康；聚霧取水法只適宜在多霧且缺水的地方推廣。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出了一種無(wú)需能量供給、僅依靠自身結(jié)構(gòu)和不同特性材料的優(yōu)化組合就能捕捉大氣中水汽的環(huán)保型水汽捕捉裝置。本發(fā)明裝置的設(shè)計(jì)思路為:要捕捉到大氣中的水汽并使水汽凝結(jié)成液態(tài)水，主要得滿足以下三個(gè)條件:①提供水汽凝結(jié)的載體；②大氣溫度達(dá)到露點(diǎn)以下適宜的近地層風(fēng)速。對(duì)于條件①本發(fā)明采用親水材料作為水汽凝結(jié)的載體，提高凝結(jié)效率；對(duì)于條件②，本發(fā)明采用輻射制冷材料使凝結(jié)面的溫度降得更快更低；對(duì)于條件③，本發(fā)明通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)獲得適宜的風(fēng)場(chǎng)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種水汽捕捉裝置，包括波浪形水汽凝結(jié)面和儲(chǔ)水裝置，水汽凝結(jié)面由輻射制冷材料為基板，波浪形水汽凝結(jié)面的凸起部為親水凸起部，其低凹部為疏水低凹部；儲(chǔ)水裝置設(shè)置在水汽凝結(jié)面底端，親水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部流至儲(chǔ)水裝置中。本發(fā)明裝置可實(shí)現(xiàn)水汽捕捉、水珠轉(zhuǎn)移、水珠傳輸、水珠存儲(chǔ)的連續(xù)收集過(guò)程。 上述輻射制冷材料為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯同時(shí)也是疏水材料。
上述親水凸起部覆有親水材料層，所述的親水材料為納米二氧化硅、金屬或玻璃。上述水汽凝結(jié)面為半球面或圓柱面。本發(fā)明的一種具體實(shí)施例為:水汽凝結(jié)面為半球面，所述的親水凸起部和疏水低凹部相間設(shè)置在半球面上，且親水凸起部和疏水低凹部的一端交于半球面頂點(diǎn)，另一端終止于半球面底端，該半球面底端設(shè)有存儲(chǔ)水珠的儲(chǔ)水沿。考慮到和大氣接觸的表面積和空氣動(dòng)力學(xué)原理，半球面結(jié)構(gòu)能增加和大氣接觸的表面積，美觀且實(shí)用。實(shí)際中風(fēng)場(chǎng)是不穩(wěn)定的，軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半球面，不僅能夠適應(yīng)不同風(fēng)向并且還具有調(diào)節(jié)風(fēng)速的作用，使整個(gè)水汽凝結(jié)面的風(fēng)速比較適宜，當(dāng)水汽吹向低溫的凝結(jié)面時(shí)，整個(gè)半球面都能被含水汽的氣流覆蓋，親水凸起部能充分接觸水汽，親水凸起部凝結(jié)的水珠轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，疏水低凹部能快速傳輸水珠又能減少水珠在轉(zhuǎn)移時(shí)的受氣流影響，從而提高水汽凝結(jié)效率。本發(fā)明的另一種具體實(shí)施為:水汽凝結(jié)面為圓柱面結(jié)構(gòu)，所述的親水凸起部和疏水低凹部相間設(shè)置在圓柱面上，且親水凸起部和疏水低凹部與該圓柱面結(jié)構(gòu)的上、下底面垂直，圓柱面結(jié)構(gòu)底端設(shè)置有儲(chǔ)水裝置。圓柱凝結(jié)面為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)不同風(fēng)場(chǎng)；凝結(jié)面垂直于地面，在重力的作用下凝結(jié)的水珠更快地轉(zhuǎn)移，有利于提高水汽凝結(jié)效率。水汽捕捉裝置是一種能夠?qū)⒖諝庵械乃D(zhuǎn)化成為液態(tài)淡水的裝置。本發(fā)明水汽捕捉裝置是基于以下原理進(jìn)行設(shè)計(jì):I)水汽凝結(jié)原理水汽凝結(jié)在自然界中最常見(jiàn)的形式就是露水。露水是指在天氣晴朗、無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的夜晚，貼近地面的空氣受地面長(zhǎng)波輻射冷卻的影響而降溫到露點(diǎn)以下，空氣中所含水汽的過(guò)飽和部分在地面或地物表面上凝結(jié)而成的水珠。水汽凝結(jié)發(fā)生的一般條件是:近地層水汽達(dá)到飽和狀態(tài)并且有形成露珠的凝結(jié)核；地表溫度日溫較差大，凝結(jié)時(shí)溫度降到露點(diǎn)以下；近地層風(fēng)速較小。2)輻射制冷原理在某種情況下，輻射體的熱輻射能夠“不受阻擋地”直接輻射到溫度極低的宇宙或者高層大氣中去，這樣輻射體就與空氣形成可觀的溫差，從而達(dá)到極高的輻射效率。這種以低溫的宇宙環(huán)境或高層大氣為熱沉的輻射換熱方式，就是輻射制冷。宇宙空間接近絕對(duì)零度，外層大氣的溫度也相當(dāng)?shù)停虼藢?duì)于地表而言，天空是一個(gè)天然的巨大冷庫(kù)。大氣層對(duì)于不同的波段有著不同的透射率，透射率較高的波段稱為“大氣窗口”。大氣層有多個(gè)大氣窗口，8 13um這一段是比較特殊的，因?yàn)槌叵碌暮隗w輻射能量王要集中在此。夜間從大氣窗口透射到地表的輻射功率有限,而地表通過(guò)8 13um的大氣窗口向天空輻射的能量較多，使得地表在夜間自然冷卻。采用選擇性光譜輻射材料可以加強(qiáng)輻射制冷的效果，假設(shè)地表的物體表面用某種理想的選擇性輻射體制成，在8 13um波段外反射率為1，那么它就只在8 13um窗口大量向外空輻射熱量，溫度不斷下降。研究表明，具有這種特性的理想輻射體可以把物體表面的溫度降得比環(huán)境溫度低得多。3)仿生原理在水極其匱乏的沙漠地區(qū)，生長(zhǎng)在那里的昆蟲(chóng)已經(jīng)進(jìn)化出能從大氣中獲取水的能力。例如，納米比亞的沐霧甲蟲(chóng)(又稱暗黑甲蟲(chóng))就是一個(gè)水汽捕捉專家。沐霧甲蟲(chóng)的背上有許多背峰和背脊，背脊可將微小的水汽匯集到一起以形成較大的露滴。露滴漸漸累積，然后順著沐霧甲蟲(chóng)背部向下流向其嘴巴。沐霧甲蟲(chóng)收集水汽的奧秘在于沐霧甲蟲(chóng)背殼的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。沐霧甲蟲(chóng)擁有超強(qiáng)的疏水性背殼表面并且其背殼表面規(guī)則地布滿了親水性的凸起，親水性的凸起很容易吸引水汽的凝結(jié)，疏水性的凹槽則很方便水珠的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移。鑒于沐霧甲蟲(chóng)的例子，本發(fā)明采用親水凸起部和疏水低凹部相間設(shè)計(jì)的水汽捕捉裝置，不僅加大水汽的捕捉量，并使凝結(jié)的液態(tài)水易于轉(zhuǎn)移。固體表面的親水性和疏水性，主要由表面化學(xué)組成和表面粗糙度共同決定。制作波浪形水汽凝結(jié)面的時(shí)候，以輻射制冷材料為基板，然后通過(guò)對(duì)其表面加工改變其表面化學(xué)組成或表面粗糙度使其具有親水性或疏水性。4)空氣動(dòng)力學(xué)原理風(fēng)是由于空氣流動(dòng)產(chǎn)生的，為了使空氣流經(jīng)物體(即是繞流)后，仍和物體表面接觸，需要合理設(shè)計(jì)物體外形，空氣流經(jīng)它之后，附面層的分布范圍仍是很大。鑒于空氣動(dòng)力學(xué)原理和增大水汽凝結(jié)面表面積的需要，為了得到更優(yōu)的水汽凝結(jié)效果，本發(fā)明的優(yōu)選方案采用了半球形或圓柱面結(jié)構(gòu)的水汽凝結(jié)面。基于上述四大原理，水汽捕捉裝置應(yīng)該具有以下性能:I)好的絕熱性能:絕熱性能好的材料的溫度不易受環(huán)境溫度的影響，這使水汽凝結(jié)面溫度能盡可能的保持在露點(diǎn)以下，從而提高露水的收集效率。并且，水汽液化時(shí)會(huì)放出熱量，絕熱性能好的材料溫度不易受其影響。2)好的輻射制冷效果:具有較好輻射制冷作用的材料能夠通過(guò)“大氣窗口 ”波段的熱輻射作用，增大凝結(jié)面的輻射散熱功率，使得凝結(jié)面的溫度可以降得更快、更低，從而促進(jìn)逆溫層的形成與保持，從而提高水汽凝結(jié)效率。3)必要的親水性:親水性越強(qiáng)，露水的接觸濕潤(rùn)角就越小,其成核率就越大,露滴的增長(zhǎng)速度就越快，形成的露水量就更多一些。4)必要的疏水性:表面粗糙并覆蓋疏水性活化膜的凝結(jié)面的接觸濕潤(rùn)角高達(dá)180度，水汽會(huì)被覆蓋在凝結(jié)平面的氣體隔絕，不易產(chǎn)生露水，但有利于凝結(jié)好的水珠轉(zhuǎn)移。親水性可以增加露水量，但不利于凝結(jié)露水的轉(zhuǎn)移，于是本發(fā)明水汽凝結(jié)面采用親水材料和疏水材料的相間布置。4)合理的外形結(jié)構(gòu):鑒于空氣動(dòng)力學(xué)原理和增大水汽凝結(jié)面表面積的需要，需要合理設(shè)計(jì)物體外形，以得到更優(yōu)的水汽凝結(jié)效果。本發(fā)明提出了一種可實(shí)現(xiàn)人工高效水汽轉(zhuǎn)換的水汽凝結(jié)裝置。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，無(wú)需耗能即可將大氣中的水汽轉(zhuǎn)換成液態(tài)水，符合低碳可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代主題。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn):1、本發(fā)明裝置通過(guò)轉(zhuǎn)化空氣中的水汽來(lái)獲得寶貴的液態(tài)淡水，提供了解決水資源難題的新途徑；2、本發(fā)明將輻射制冷材料、親水性材料和疏水性材料優(yōu)化組合，輻射制冷材料用來(lái)降低凝結(jié)面的溫度，親水性材料用來(lái)捕捉空氣中的水汽，疏水性材料用來(lái)傳輸凝結(jié)后的水珠，極大的提高了大氣中水汽的凝結(jié)效率；3、本發(fā)明的優(yōu)選方案采用了表面呈波浪形水汽凝結(jié)面，該結(jié)構(gòu)增大了凝結(jié)水汽的表面積，不但能使凸起親水材料充分接觸空氣，而且減小水珠在疏水低凹部中轉(zhuǎn)移時(shí)受氣流影響進(jìn)一步提高了大氣中水汽的凝結(jié)效率。本發(fā)明具有如下應(yīng)用前景:1、在我國(guó)西北地區(qū)，水資源比較匱乏，能夠供給植物生長(zhǎng)的水非常少。本發(fā)明能在不消耗能源的條件下高效地捕捉水汽，并將水存儲(chǔ)起來(lái)，儲(chǔ)存的水可用來(lái)種植樹(shù)木，提供樹(shù)苗成長(zhǎng)的水分需要。2、在干旱和沙漠地區(qū)，本發(fā)明可以收集露水、霧水為居民提供一部分生活用水，在一定程度上可緩解水資源短缺狀況。3、本發(fā)明也可用在不缺水的地區(qū)，例如用于花卉、盆景的種植以及樹(shù)苗的培育，減少每日澆灌用水的用量，有效地節(jié)約水資源并減少管理工作量。4、本發(fā)明能夠?yàn)橐巴夂秃Ｉ瞎ぷ髡呒败娛路矫嫣峁┮欢ǖ谋憷?、可將本發(fā)明與耗能制冷部件相結(jié)合來(lái)增加本發(fā)明的應(yīng)用范圍，以便快速提供潔凈的液態(tài)淡水。


圖1為本發(fā)明水汽凝結(jié)面的示意圖；圖2為本發(fā)明的第一種具體實(shí)施方式
；圖3為本發(fā)明的第二種具體實(shí)施方式
。圖中，1-親水凸起部，2-疏水低凹部，3-儲(chǔ)水裝置。
具體實(shí)施例方式圖1為本具體實(shí)施波浪形水汽凝結(jié)面的示意圖，親水凸起部I和疏水低凹部2相間設(shè)置，。親水凸起部覆有親水材料層用來(lái)捕捉空氣中的水汽；疏水低凹部因其疏水性，用來(lái)轉(zhuǎn)移親水凸起部捕捉到的水汽。圖2為本發(fā)明的優(yōu)選方案，其中，水汽凝結(jié)面形狀為波浪形的半球面，以聚四氟乙烯為水汽凝結(jié)面基板，聚四氟乙烯既是疏水材料又是輻射制冷材料；水汽凝結(jié)面的親水凸起部覆有親水材料層，本具體實(shí)施中采用的親水涂料為XZ-GTOl型號(hào)的納米二氧化硅涂料。沿該半球面結(jié)構(gòu)下邊沿設(shè)有一圈儲(chǔ)水沿，該儲(chǔ)水沿不僅未影響水汽凝結(jié)面的空氣特性，還可以增加該裝置的穩(wěn)定性和美觀性。在適當(dāng)條件下，通過(guò)聚四氟乙烯輻射制冷材料降低水汽凝結(jié)面表面溫度并達(dá)到露點(diǎn)以下，大氣中的水汽在凸起的親水材料表面凝結(jié)，當(dāng)水珠達(dá)到一定體積后在重力作用下轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，并通過(guò)疏水低凹部流到儲(chǔ)水沿中。上述半球面結(jié)構(gòu)的水汽凝結(jié)面符合空氣動(dòng)力學(xué)特性，該結(jié)構(gòu)增大了水汽凝結(jié)面的表面積，有利于輻射散熱，且美觀實(shí)用。該半球面結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):實(shí)際中風(fēng)場(chǎng)是不穩(wěn)定的，軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的半球面，不僅能夠適應(yīng)不同風(fēng)向并且還具有調(diào)節(jié)風(fēng)速的作用，使整個(gè)水汽凝結(jié)面的風(fēng)速比較適宜，當(dāng)水汽吹向低溫的凝結(jié)面時(shí)，整個(gè)半球面都能被含水汽的氣流覆蓋，親水凸起部能充分接觸水汽，親水凸起部凝結(jié)的水珠轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，疏水低凹部又能減少水珠在轉(zhuǎn)移時(shí)的受氣流影響，從而提高水汽凝結(jié)效率。
本實(shí)例選擇了聚四氟乙烯作為水汽凝結(jié)面的基體材料，該材料同時(shí)兼作疏水材料和輻射制冷材料，而將親水材料均勻涂覆在水汽凝結(jié)面的凸起部分，所述的親水材料采用XZ-GTOl型號(hào)的納米二氧化硅涂料。聚四氟乙烯(PTFE)具有耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、無(wú)毒、不易老化等特性。更重要的是，聚四氟乙烯表面相當(dāng)光滑，表面張力非常小，并且還有較強(qiáng)的輻射制冷作用，在理想情況下PTFE的制冷空間與環(huán)境的溫差達(dá)到30°C。PTFE的特性有利于大氣中水汽的凝結(jié)與露水的收集，由于聚四氟乙烯的強(qiáng)疏水性，有利于將捕捉的水珠轉(zhuǎn)移到集水裝置。圖3為本發(fā)明裝置的另一種具體實(shí)施例。圖3中的水汽凝結(jié)面為圓柱面結(jié)構(gòu)，親水凸起部和疏水低凹部均勻相間設(shè)置在圓柱面上，親水凸起部和疏水低凹部與該圓柱面結(jié)構(gòu)的上、下底面垂直。以聚四氟乙烯為水汽凝結(jié)面基板，水汽凝結(jié)面的親水凸起部覆有親水材料層，本具體實(shí)施中采用的親水涂料為XZ-GTOl型號(hào)的納米二氧化硅涂料。圓柱面結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):凝結(jié)面為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能夠適應(yīng)不同風(fēng)向；凝結(jié)面垂直于地面，在重力的作用下凝結(jié)的水珠更快地轉(zhuǎn)移，有利于提高水汽凝結(jié)效率。以圖3所示裝置進(jìn)行水汽凝結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間:2011年7月某天20:00，天氣:無(wú)云，氣溫:28°C，濕度:85%。將實(shí)驗(yàn)裝置置于開(kāi)闊的空地上，開(kāi)始時(shí)裝置的水汽凝結(jié)面的溫度與氣溫一樣，40分鐘后水汽凝結(jié)面的溫度低于氣溫4.3°C，且在實(shí)驗(yàn)裝置的親水凸起部上開(kāi)始產(chǎn)生水膜，且形成水珠并慢慢長(zhǎng)大，當(dāng)水珠直徑達(dá)到約2.3mm后即滾落至疏水疏水低凹部，并轉(zhuǎn)移至儲(chǔ)水裝置。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可以看出，在自然條件下，水汽凝結(jié)面的溫度很快就降至低于環(huán)境溫度4.3°C，即本發(fā)明裝置的水汽凝結(jié)面可以很快達(dá)到露點(diǎn)以下，從而可以實(shí)現(xiàn)高效補(bǔ)水。
權(quán)利要求
1.一種水汽捕捉裝置，其特征是: 包括波浪形水汽凝結(jié)面和儲(chǔ)水裝置，水汽凝結(jié)面由輻射制冷材料為基板，波浪形水汽凝結(jié)面的凸起部為親水凸起部，其低凹部為疏水低凹部；儲(chǔ)水裝置設(shè)置在水汽凝結(jié)面底端，親水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部流至儲(chǔ)水裝置中。
2.如權(quán)利要求1所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的輻射制冷材料為聚四氟乙烯。
3.如權(quán)利要求1所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的親水凸起部覆有親水材料層。
4.如權(quán)利要求3所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的親水材料為納米二氧化硅、金屬或玻璃。
5.如權(quán)利要求1所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的水汽凝結(jié)面為半球面或圓柱面。
6.如權(quán)利要求5所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的半球面結(jié)構(gòu)的水汽凝結(jié)面具體為: 親水凸起部和疏水低凹部相間設(shè)置在以輻射制冷材料為基板的波浪形半球面上，且親水凸起部和疏水低凹部的一端交于半球面頂點(diǎn)，另一端終止于半球面底端，該半球面底端設(shè)有存儲(chǔ)水珠的儲(chǔ)水沿。
7.如權(quán)利要求5所述的水汽捕捉裝置，其特征是: 所述的圓柱面結(jié)構(gòu)的水汽凝結(jié)面具體為: 親水凸起部和疏水低凹部相間設(shè)置在以輻射制冷材料為基板的波浪形圓柱面上，親水凸起部和疏水低凹部均與該圓柱形結(jié)構(gòu)的上、下底面垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水汽捕捉裝置，包括波浪形水汽凝結(jié)面和儲(chǔ)水裝置，水汽凝結(jié)面由輻射制冷材料為基板，波浪形水汽凝結(jié)面的凸起部為親水凸起部，其低凹部為疏水低凹部；儲(chǔ)水裝置設(shè)置在水汽凝結(jié)面底端，親水凸起部捕捉到的水汽形成水珠后轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部傳輸至儲(chǔ)水裝置中。輻射制冷材料能使凝結(jié)面的溫度降得更快更低，親水凸起部捕捉空氣中的水汽并凝結(jié)形成水珠，水珠長(zhǎng)大后轉(zhuǎn)移到疏水低凹部，并沿疏水低凹部能快速傳輸至儲(chǔ)水裝置中。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保，可應(yīng)用到干旱、半干旱地區(qū)，能在一定程度上緩解缺水問(wèn)題，也可以應(yīng)用于非干旱地區(qū)，提供一些生活、生產(chǎn)用水。
文檔編號(hào)E03B3/28GK103205994SQ201310079428
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者李凌程, 李羲輪, 袁俊, 朱彩虹, 韋直林, 張利平, 曹增龍, 曾思棟, 杜鴻, 萬(wàn)蕙, 匡洋, 劉睿 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)