本發明屬于空氣冷凝制水領域，具體涉及一種太陽能及電池驅動的熱電冷凝集水方法。

背景技術：

水,生存之本，生態之基。水資源危機一直是全球面臨的一個重要問題。生活用水尤其是飲用水的匱乏嚴重影響人們的生產和生活。為了緩解水資源危機，人們進行了大量的努力，諸如人工降雨、修建遠程輸水管道等，這些途徑存在著受自然環境、地理條件等影響大的不足，且會耗費大量人力、物力和財力。相比較而言，從空氣中冷凝集水是一個簡便、有效的途徑。該途徑簡單易行、不需要耗費大量人力，特別是不同于其他集水途徑，冷凝集水可以直接獲得飲用水，這對于一些特定區域(偏遠海島、遠洋船、沙漠地區、偏僻山區等)以及水污染地區人類的生存是至關重要的。

然而，靠自然冷凝集水效率是非常低的，因為只有在達到露點時才能實現集水。目前關于空氣集水技術，國內外科研人員已開展了許多研究工作，方法主要包括冷凝結露集水、吸濕-解吸集水、聚霧集水、利用溫差冷凝集水等，同時也開發了多種集水裝置。但是，現階段冷凝空氣集水裝置多采用壓縮機制冷來產生溫差，這一技術能耗高、噪音大、設備小型化困難，這限制了其在某些特定區域的實際應用前景，如沙漠、荒島、山區等電力資源匱乏的地區。而且常規的凝水表面一般為普通金屬(如銅、不銹鋼等)，無表面結構處理及控制，冷凝水在其表面易形成水膜，傳熱效率低，從而降低冷凝集水效率。

技術實現要素：

為了解決背景技術中存在的上述技術不足，本發明提供了一種太陽能或電池驅動的高效冷凝空氣集水方法。該集水方法采用熱電制冷技術、充分利用太陽能或電池為熱電制冷提供動力，降低露點溫度。該方法可解決現有技術能耗高、噪音大、設備體積大的問題，且凝水表面為具有納米結構的超疏水表面，可大大提高集水效率。

本發明的技術解決方案是：一種高效冷凝空氣集水系統，其特征在于：所述系統包括太陽能電池板1、熱電片2、基底3以及集水容器4；太陽能電池板1與熱電片2相連為熱電片提供所需的工作電力；基底3接于熱電片2冷端上；

所述集水容器4是U型箱體，U型箱體頂端設置送風扇，U型箱體底部設置排風扇；箱體內壁上設置熱電片，熱電片熱端連接金屬散熱器；太陽能電池板與熱電片相連。

凝水表面的基底是超疏水金屬基底或納米結構陣列的FTO玻璃。

上述超疏水金屬基底呈30°—60°插于U型箱體中，形成Z字形空氣流。

上述超疏水金屬基底為板狀、片狀或管狀；超疏水金屬基底的表面為銅、鋁、鐵或不銹鋼。

一種高效冷凝空氣集水系統基底的制備方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟：

1)將打磨好的銅片用丙酮和乙醇以及水超聲清洗；

2)將銅片浸入0.05-2.5M氫氧化鈉和0.05-0.15M過硫酸銨的溶液中，浸泡后取出，壓縮空氣吹干，置于烘箱中烘干；

3)步驟2)中制得的樣品放入正己烷的三氯硅烷溶液中浸泡，取出吹干后，放置于烘箱中烘干。

步驟2)中浸泡時間是0.5-2天；烘箱溫度是120-180°；烘干時間是1-3小時。

步驟3)中浸泡時間10-60分鐘；烘箱溫度是100-150°；烘干時間1-3小時。

一種高效冷凝空氣集水系統基底超疏水表面的制備方法，其特征在于：

1)在FTO玻璃上采用光刻技術制備一層具有有序陣列結構的光刻膠；

2)采用e-beam技術在具有光刻膠陣列的FTO玻璃上鍍一層銅(厚度為200-600納米)；

3)將FTO玻璃浸入1.0-3.5M氫氧化鈉和0.1-0.3M過硫酸銨的溶液中，浸泡后取出，壓縮空氣吹干，烘箱中烘干；

4)制得的樣品放入正己烷的三氯硅烷溶液中浸泡10-60分鐘，取出吹干后烘箱中100-150度烘1-3小時。

步驟2)銅厚度為200-600納米；

步驟3)浸泡時間是1-30分鐘；烘箱溫度120-180°；烘干時間1-3小時；

步驟4)浸泡時間是10-60分鐘；烘箱溫度100-150°；烘干時間1-3小時。

本發明與現有的集水技術相比，其優點在于：

1)采用太陽能電池板或可充電電池為熱電制冷提供所需的動力，無需額外電力控制，大大降低能耗。性能可靠、節具有能耗低、環境適應性強、無噪音、壽命長、無污染源、無旋轉部件、易于安裝、可小型化組裝等優勢。太陽能電池板是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應直接轉換成電能的裝置，本發明中主要使用單晶硅或多晶硅太陽能電池板。電池可以是鋰電池，蓄電池，可以保證夜間無太陽能時能穩定、高效的工作。鋰電池的優點在于：高能量密度、無污染、循環壽命高、高低溫適應性強。本發明所用太陽能或電池驅動與傳統的電力驅動大不相同，特別是可用于原本缺乏電力、又嚴重飲用水源匱乏的偏遠地區如海上、海島、沙漠、山區等。

2)熱電片可以提供冷凝空氣所需的溫差，提高冷凝效率，克服自然冷凝所需的環境條件限制。所述超疏水基底，表面覆蓋納米結構層，可以實現水滴的滴狀快速冷凝與傳遞，提高熱傳遞和冷凝效率。熱電材料不限于碲化鉍為基體的三元固溶體合金，還包括硅-鍺(SiGex),鈦酸鍶(SrTiO3)等熱電材料。

3)凝水基底采用表面化處理，得到具有納米結構的超疏水表面。這一表面的結構特點決定了水滴可以在基底表面滴狀凝結，而非膜狀聚集。滴狀凝結可以增大冷凝表面的熱傳遞效率、從而提高集水效率。完全區別于傳統集水器中使用的平板結構的金屬基底。

4)U型箱體的設計，可以保證空氣在箱體內流通的同時能最大限度地實現冷凝。且排風扇排出的冷空氣可以進一步冷卻連接熱電片的金屬散熱器。

5)超疏水的凝水表面采用傾斜一定角度插入，可以使孔道內形成Z字形氣流，提高冷凝效率。

6)本發明提出的空氣集水方法能耗低、環境適應能力強、不需要任何制冷劑、可連續工作、能有效地解決生產生活用水問題，在水資源匱乏、電力缺乏但太陽能充沛的地區如干旱沙漠、航海等環境下具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明太陽能驅動的高效冷凝空氣集水方法示意圖；

圖2(a)、圖2(b)、圖2(c)分別是普通銅片、具有納米結構的銅片、以及具有氧化銅有序納米陣列的FTO玻璃的掃描電鏡(SEM)照片：

圖3是具有納米結構的超疏水銅基底的接觸角測試結果；

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別是銅基底、具有納米結構的銅基底、具有氧化銅有序納米陣列的FTO玻璃水的滴在不同基底上凝結的顯微結構照片；

圖5是U型箱體設計的新型高效冷凝空氣集水裝置示意圖；

具體實施方式

本發明是一種太陽能或電池(如可充電電池、鋰離子電池等)驅動高效冷凝空氣集水方法，包括U型箱體，送風、抽風部件，熱電制冷部件，太陽能供電部件(或電池)，金屬散熱器，超疏水凝水基底，以及集水箱。送風部件位于U型箱體的頂端，抽風部件位于U型箱體的底端。熱電制冷部件與太陽能電池板或電池相連。金屬散熱器與熱電制冷部件的熱端相連。凝水表面為經過表面處理、具有納米結構的超疏水基底。

本發明根據集熱電技術與高效冷凝技術為一體的創新性的集水概念，進一步提出了設計U型箱體結構的技術實施方案來實現冷凝空氣集水，并對箱體關鍵部件的集成配置進行了精確設計。U型箱體裝有送風扇和排風扇，能保證箱體內空氣的流通，且排風扇排出的冷風可以進一步冷卻散熱。熱電片鑲嵌于箱體壁中，為箱體內部提供冷卻溫度，熱電片熱端朝外連接于金屬散熱器上。超疏水基底按一定角度插于箱體中，形成Z字形空氣流，提高集水效率。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步地詳細描述。

具體如下：

圖1為一種太陽能驅動的高效冷凝空氣集水方法示意圖。包括太陽能電池板1、熱電片2、具有超疏水特性的基底3和集水容器4。太陽能電池板1與熱電片2相連為熱電片提供所需的工作電力。超疏水的基底3接于熱電片冷端上。熱電片的冷端可以提供冷凝所需的溫差。

本發明提出了一種新型高效冷凝空氣集水的方法，該創新性的概念設計已經得到了初步的實驗驗證。具體包括以下步驟：

1.具有納米結構的超疏水基底的制備

1)無序納米結構的超疏水表面制備以金屬基底銅為例，具有氧化銅納米結構的超疏水表面采用化學氧化處理銅片制得，方法如下：

將打磨好的銅片用丙酮和乙醇以及水超聲清洗。將銅片浸入0.05-2.5M氫氧化鈉和0.05-0.15M過硫酸銨的溶液中，浸泡0.5-2天后取出，壓縮空氣吹干，120-180度烘箱中烘1-3小時。制得的樣品放入正己烷的三氯硅烷(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)溶液中浸泡10-60分鐘，取出吹干后，放置于烘箱中100-150度烘1-3小時。

所得產物的形貌結構如圖2b所示，對比于普通銅片(圖2a)，經過處理后樣品表面有明顯的納米結構出現，形貌為具有一定生長取向的納米片。對本實例所得樣品表面進行接觸角測試，結果如圖3所示，從圖中可以看出樣品表面呈超疏水性，水滴非常容易從表面滑走。水滴在超疏水金屬基底的凝結實驗在常溫下、空氣環境中進行(溫度為21度，濕度為55％)。水滴在具有納米結構的超疏水銅基底表面凝結的顯微結構照片見圖4b,可以觀察到明顯的滴狀冷凝。

2)有序納米結構陣列的超疏水表面，以生長于FTO玻璃上的氧化銅陣列為例，其制備通過光刻、電子束鍍膜(e-beam)、化學氧化幾個過程。具體步驟如下：

首先在FTO玻璃上采用光刻技術制備上一層具有有序陣列結構的光刻膠，然后采用e-beam技術在具有光刻膠陣列的FTO玻璃上鍍上一層銅(厚度為200-600納米)，后將其浸入1.0-3.5M氫氧化鈉和0.1-0.3M過硫酸銨的溶液中，浸泡1-30分鐘后取出，壓縮空氣吹干，120-180度烘箱中烘1-3小時。制得的樣品放入正己烷的三氯硅烷(Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane)溶液中浸泡10-60分鐘，取出吹干后烘箱中100-150度烘1-3小時即可。

所得產物的形貌結構如圖2c所示，樣品為氧化銅納米線組成的有序納米陣列。水滴在具有氧化銅有序納米陣列的FTO玻璃表面凝結的顯微結構照片見圖4c，可以觀察到明顯的滴狀冷凝，且水滴實現了取向聚集，有利于提高集水效率。

2.冷凝空氣集水裝置的組裝

本發明設計了U型箱體結構來實現冷凝空氣集水。按照圖5示意圖的要求對各個部件進行組裝。在箱體頂端有送風扇，底部有排風扇，能保證箱體內空氣的流通，且排風扇排出的冷風可以進一步冷卻散熱器。熱電片插于箱體壁，為箱體內部提供冷卻溫度，熱電片熱端朝外連接于金屬散熱器上。太陽能電池板或電池與熱電片相連，為熱電片提供所需的工作動力。超疏水金屬基底按一定角度(30-60°)插于箱體中，形成Z字形空氣流，提高集水效率。

3.冷凝空氣集水實驗

集水裝置的工作流程如下：

太陽能電池板或電池給熱電片提供動力，熱電片開始工作。約5分鐘后，送風扇將空氣從U型箱體頂端送入，空氣遇冷的金屬基底后冷凝，凝結的水滴落下由出水口進入集水箱。U型箱體底端的排風扇，將冷卻過的空氣排出，實現空氣的流通。排風扇的排風口對準金屬散熱器，幫助金屬散熱器散熱，維持熱電片的制冷效果。