太阳能驱动半导体制冷结露法家庭制水技术研究

摘 要本文通过对太阳能驱动半导体制冷结露法家庭制水的原理、方法进行简要分析和比较，针对不同特点进行简要研究，提出了家庭制水的实际方法及应用前景。由于现阶段的技术水平有限，该技术仅对构建环保型、节约型、低碳型社会提供了有益的探索。

关键词家庭制水；空气取水；太阳能；超声波雾化；制冷结露法；半导体热电式制冷

中图分类号TK51文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0167-01

0引言

水是生命之源，一个正常人，如果没有任何食物而有饮水的条件下，可以存活20－30天，但如果没有了水，最多只能活一个星期。纵观人类发展史，地球上的原始生命诞生于水，人类文明也发源于江河的周围。地球上的水据估计总体积约为13.8亿立方公里。但是其中98％是咸水，主要分布在海洋中，淡水只占地球水总量的2％。在这些淡水中，只有约12％即河流、湖泊和能开采的浅层地下水才可为人类应用，其余的淡水被冻在两极的冰帽和冰川里或埋藏在极深的地下无法开采。在这可为人类利用的水中绝大多数又为地下水，不开采不能应用，可直接应用的河流湖泊中的水，只占淡水总量的0.04％。同时，自工业革命以来，大量工业废水的排放和各种废弃物造成的污染，使这些仅有的淡水也越来越匮乏，加上水资源分布不均衡，许多国家和地区严重缺水。而城市大量开采地下水和抽取河流水，更进一步带来了许多生态问题。

近几年，国内外科学家在积极探索，寻找各种取水、制水、回收净化废水的方法，缓解水资源紧张带来的各种问题。工业用水量大，而且污染物复杂，并不需要直接饮用，因此主要采用中水回用；本文主要研究家庭制水方法。

1家庭用水情况现状

根据调查，目前中国家庭用水平均每月7.5立方米，主要分为：

1）户外用水。比如浇灌花草等，这个对水质要求不高，不需要净化；

2）生活用水，有一定的水质要求。家庭用水中有95%用于清洁人体、冲厕，以及室内卫生。对这部分水的水质要求是除去水中的杂质和硬度，以有利于洗浴和各种洗涤工作的完成，以及家庭用水设备的使用和维护。

3）饮用水。饮用水则要求进一步深度净化，达到健康安全、卫生及改善口感的目的。

据世界家庭会议的统计，中国的家庭总数超过了3.5亿，据此计算，中国的家庭用水年度总量在300亿立方米以上，如果每个家庭能够做到水的充分利用，那一年节约的水将十分可观。

2太阳能驱动半导体制冷结露法家庭制水原理及方法

2.1制水原理

地球上的水，总是处在变化之中，由于太阳光的辐射，海洋和陆地上的水被加热蒸发到空气中，这些水蒸汽在温度较低的高空形成小水滴团，也就是云，当这些小水滴团遇到更冷的空气变聚集起来形成雨雪直接落回大地，或在海拔高的地方形成雪山冰川，这些雪山或冰川受季节等因素影响，不断融化形成河流，流向大海，然后继续被加热成为水蒸汽。

本技术就是采用水的循环原理，将某些无法饮用的水利用加热或其他方式进行雾化，使其成为水蒸汽或小水滴，然后进行冷凝，使水蒸汽或小水滴结露聚合成大水珠并被收集，然后通过过滤、杀菌、消毒等深度处理，使之成为饮用水。

2.2方法的选择

太阳能驱动半导体制冷结露法家庭制水就是利用太阳能作为驱动能源，利用超声波雾化装置将低杂质水雾化后，由半导体制冷装置进行冷凝，获得液态水。

但是，空气取水的方法有很多，制冷的方法也很多，为什么选用半导体制冷和制冷结露法制水呢？下面将对本技术的方法选择进行简要的说明。

2.2.1能源的选择

在制水过程中需要消耗能量，而太阳能资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，目前国内外的技术已经成熟，因此选用太阳能作为驱动能源。当然在某些风能充沛的地区，也可以采用风光互补发电来提供能源。

2.2.2超声波雾化的选择

雾化有四种不同的方法:

1）压力雾化：利用高压液泵将液体压过小孔，将液体分散成雾滴。

2）气流雾化：利用压缩空气或过热蒸汽的高速流动将溶液分散成雾状。

3）转盘雾化：利用高速旋转圆盘将溶液有其中撒出，使之形成薄膜，然后断裂成细丝和雾滴。

4）超声波雾化：利用超声波产生的机械振动产生液膜，并将液膜分成雾滴。

前三种雾化法需要消耗高能量，而超声波雾化耗能低，适宜家庭使用，目前家用加湿器就是采用超声波雾化。

2.2.3取水方法的比选

近几年，国内外科技工作者继续了大量的研究，寻找到多种空气取水的方法，具体有：

1）制冷结露法：即利用温度差，将湿热的空气温度降到露点以下，使其中的气态或微小液态水结露聚合，形成液态水。许多国家已经研制出相应的取水设施。此方法原理简单，成本较低，有一定的取水率。适宜家庭使用。

2）吸附法：即利用吸附剂，将湿空气中的水分吸附出来，然后通过加热或其他方式将水分离出来，形成液态水。这种方法对吸附剂的要求比较高，既需要有较强的吸附能力，又需要在加热或其他方式下，能比较容易的将水分分离出来，而且必须无毒、无可溶物质，寿命要较长，这些因素使得吸附法的成本较高，在新的吸附剂研制出以前，不适合家庭使用。

3）聚雾法：即利用物理方法，将雾气中的小水滴收集起来得到液态水的方法。这种方法受环境影响比较大，适宜在多雾地区使用，如重庆、伦敦等，不适宜家庭使用。

经过比较，上述三种方法中，制冷结露法是目前家庭取水、制水比较好的方法。

2.2.4制冷方法的比选

制冷的方法有很多，主要方法有：

1）蒸气压缩式：即让制冷剂高压液化后，进入蒸发器，由于蒸发器内压力低，制冷剂迅速气化并吸收热量，从而使周围物体温度下降，然后制冷剂重新进行液化，并开始新的循环。这种方式是家用空调、冰箱等设备的主要方式。蒸汽压缩式制冷是最常用的。然而，目前这种系统中使用较多的制冷剂对环境存在着或多或少的影响，不是对环境友好的制冷剂。

2）吸收式：即让制冷剂液化后进入蒸发器，并被气化成低压蒸气，同时吸收热量进行制冷，低压蒸气被吸收剂吸收后离开蒸发器进入发生器，在发生器中吸收热量与吸收剂分离进入新的制冷循环，而吸收剂也进入新的吸收循环。该方式原理和蒸气压缩式一样，但蒸气式依靠机械做功来完成制冷循环，吸收式靠消耗热能完成制冷。这种方式利用低品位热能，电能耗费少，但体积较大，设备价格昂贵，主要应用于大型制冷需要，不适用于家用。

3）蒸汽喷射式：即利用高压工作蒸气在喷射器中引射蒸发器中的低压气态制冷剂，并使之增压，从而带动制冷循环。该方式原理和吸收式一样，不同的是它的工作蒸气和制冷剂是同一种物质，因此无需分离设备。这种方式同吸收式一样，利用低品位热能，电能耗费少，但体积较大，设备价格昂贵，主要应用于大型制冷需要，不适用于家用。

4）半导体热电式。即利用珀尔贴效应，利用两种不同物质形成的温差进行制冷。该方式设备简易；使用直流电；无运动结构，噪声小；无制冷剂，对环境无污染；不受空间和重力影响；作用速度快；易控制；寿命长。缺点是在大制冷量上效率低。

经过比选，半导体热电式制冷具有非常好的竞争优势，虽然大制冷上效率低，但在制水方面不需要大制冷量，而且使用太阳能驱动，其产生的是直流电，因此在家用制水方面选择半导体热电式制冷。而且，半导体的热端发热量较大，可辅助雾化设备增加蒸发量。

3特征及现阶段的局限性

通过上述分析，太阳能驱动半导体制冷结露法家庭制水可以很好的利用自然资源和先进技术，节约匮乏的水资源，应用广泛，能解决一些水质差或运输不便的地区的饮用水问题。

但由于这些技术自身的局限性，需要进一步加强研究和开发，努力解决以下问题：

1）太阳能虽然是清洁能源，取之不尽，大幅度降低运行成本，但现在的太阳能光电板成本偏高，造成初投资偏高，影响了消费者购买的积极性；同时，还要注意太阳能光电与太阳能集热的综合利用。

2）太阳能产生的多余电由蓄电池储存，但目前使用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂电池等，这些电池的化学物质易产生环境污染，而且电池寿命偏低、成本偏高，因此应当积极开发新型无害和低成本蓄电池。

3）超声波雾化对水质要求高，要求液体中无固体颗粒，粘度小于50厘泊。

4）空气取水的弊端是取水率低，而且产生的水珠会进一步降低导热效率，从而进一步降低取水率，因此应当积极研制高效的取水装置。

5）半导体制冷的不足就是制冷效率低，成本相对偏高，因此应进一步改进材料性能，寻找新的材料，提高其制冷效率。

4结束语

太阳能驱动半导体制冷结露法制水技术是为人类生活提供水源的一个新的方向，符合可持续发展战略思想，是深入学习实践科学发展观的重要成果。特别是在当前节能、环保成为国际热点话题的今天，如何利用新技术、新能源、新方法解决传统问题是我们值得思考的话题。相信在科技发展的今天，在科技工作者的共同努力下，在各学科的综合作用下，太阳能驱动半导体制冷结露法制水技术一定能有广阔的前景。

参考文献

[1]张欣茹等.新的淡水水源—空气取水[J].水资源保护,2007,5:60-79.

[2]张宏仁.中国的淡水资源问题[J].资源·产业,2001,3(4):5-11.

[3]殷勇高等.太阳能驱动制冷空调技术[C].2006全国暖通空调制冷学术年会.

[4]解利昕.海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J].化工进展,2003,22(10):1081-1084.

[5]周建戎,潘毅群.太阳能制冷综述[J].制冷,2002,21(4):60-63.

推荐访问:法家 技术研究 半导体 制冷 太阳能