太阳能净水装置

1.太阳能融雪水净水意义及背景

目前高原寒冷地区存在饮用水供应不够便捷、水质安全无法保证、冬季吃水困难等问题［1］。某些偏远地区供水设施简陋甚至根本没有供水设施，冬季低温使得井口或河流结冰导致现有水源无法使用［2-4］。而在这些地区往往具有丰富的冰雪资源，充分高效的利用冰雪资源将极大的解决饮用水来源问题。同时基于高寒、高海拔地区常规能源供应短缺、不稳定，且遭受暴风雪等自然灾害风险大、保障难度大等特点，不适宜采用电力等常规能源加热进行融雪取水。因此，研究太阳能融雪净水技术对于解决高寒偏远地区饮用水保障问题具有重要意义。目前国内外针对太阳能融雪净水方面的研究几乎没有，太阳能融雪研究主要集中在太阳能道路融雪方面。这项技术利用道路作为太阳能收集与加热融雪的载体，实现道路利用上融雪化冰的需求，同时该项技术促进了可再生能源的利用研究［5］。早期的Sedwick等人利用埋管的方式，通过沥青路面构建了太阳能集热系统对泳池进行加热，同时还建立了理论模型与实验结果进行了对照验证［6］。20世纪90年代，美国各州开始大规模进行道路桥梁融雪化冰研究工作，建造了各类道路融雪应用示范工程。从1998年开始，美国在OSU建立了采用竖直地下换热地源热泵系统的大型太阳能路桥融雪实验场，从而开始对太阳能融雪换热技术进行了系统的研究和分析，并对蓄热循环流体的融雪过程进行了模拟、实验、比较分析［7］。日本、荷兰等国家也进行了一系列的太阳能道路集热融雪方面的研究，结果表明，热循环流体融雪技术在道路融雪方面具有节能效果明显、环境保护及资源有效利用等优势，太阳能地面平均集热效率可达36%［8］。

1.1系统构成

研制的新型太阳能融雪系统由3部分组成，分别为太阳能聚光集热系统、促冰雪

快速融化系统、融雪水净水系统。整体系统工作原理：太阳光照射到太阳能聚光集热系统上，经系统转化为热能加热在太阳能聚光集热系统及促冰雪快速融化系统中循环流动的导热油；导热油在促冰雪快速融化系统内通过管壁对待融冰雪进行加热促使其融化成水；雪融水通过促冰雪快速融化系统下部出水口进入融雪水净化系统，最后根据融雪水水质情况对其进行相应净水处理后导出饮用。

1.2融雪水净化系统

融雪水净水系统为模块化组装组成，视处理地点融雪水水质决定。融雪水净化系统功能模块主要由水质实时监测模块、预处理模块、膜处理模块、高效吸附模块、矿化模块组成。水质实时监测模块主要用于对融雪水进出口水质进行实时监测，监测指标用于指导确定水质净化环节所需模块并可监测保证出水质量；预处理模块用于处理融雪水中颗粒性杂质以及各类不溶性物质；膜处理模块主要适用于水质中溶解性物质含量较多，且用水要求较高的情况；高效吸附模块适用于处理不溶性物质较小、处理部分溶解性物质、去除水中臭味时；矿化模块主要针对是部分融雪水中水质较为纯净，缺乏部分必须矿物元素，长期饮用将导致人体产生健康问题的情况。融雪水净化系统采用模块化组合处理，简化了水质分析、工艺流程选择、设备设施建造的步骤，具有简单易操作的特点。

1.3融雪水净化的结论

对自制的新型太阳能融雪净水系统整体构建与设计思路进行了阐述，分别 针对太阳能聚光集热系统、促冰雪快速融化系统、融雪水净化系统进行了功能分析以及细部设计分析，证明新型太阳能净水系统具有设计科学、论证充分、简单易用的特点。同时对太阳能聚光集热系统与促冰雪快速融化系统进行了功能分析与性能研究实

验，搭建了聚光面积10m2的聚光集热融雪系统，进行了实际天下条件下的实验。得到以下结论：1）空载情况下，太阳能聚光集热系统可快速将温度上升至100C。甚至以上，说明系统聚光集热能力甚佳，可为整体系统提供稳定能源供应。若有需要，该系统也可提供100C以上温度，可用于中温集热方面的应用。

2）聚光集热融雪系统稳态运行时间为10：00－14：00，系统平均有效效率

为39%，最高有效效率可达40%。14：00以后，产水量下降、有效效率随之下降。系统在1天的实验中稳定运行时间约为4h,辐照度为1kW/m2时，产水量可达

38.1L/h。实际天气下，在系统可运行时间内平均太阳辐照度M0.8kW/m2时，系统

日产水量可达200L以上。

3）聚光集热融雪系统在可融冰雪量较少处于临界状态时,系统产水量、有效

效率下降非常明显。并且此时对系统有效效率的关键影响因素便是可融冰雪量,因此系统应用时需保证可融冰雪量充足以保证促冰雪快速融化系统有足够换热面积。

4）研制的新型太阳能融雪净水系统具有二次聚光反射器存在,跟踪精度在1°

即可,且太阳能跟踪方式为聚光镜跟踪,仅需要改变聚光镜角度。

因此该设计方式极大地减少了电机驱动跟踪系统的功率,可选用小型普通电机便可,降低了整套系统初期投资。同时,整套系统以及各子系统均运用功能模块化设计,可根据实际情况决定所用模块迅速完成系统搭建,具有 组装运行简便、初期投资相对较少、维护耐久性较好等的优点

2.普通可移动太阳能净水器

目前，市面上的净水装置多为大中型的固定设备，采用交流电供电方式，或者是一些非常简易的个人小型净水设备，而简便、可携带、清洁能源功能的净水设该净水器是一种小型节能净水设备它通过自身的太阳能板将光能转化为电能，存储在蓄电池中。在净化饮水过程中，无需自来水压，通过蓄电池供电，驱动水泵，将经过TiO2净

化的水吸入设备进行过滤和蒸馏，再次去除有害物质，同时可以有效过滤细菌病原体，从而达到有效提高人们饮水安全的目的。

2.1净水装置工作原理

本研究设计的太阳能净水器采用折叠式太阳能光伏板。该光伏板配备最大太阳能功率跟踪伺服系统，可以随着太阳的偏移转动太阳能光伏板，从而时刻处在最大的发电功率状态。太阳能光伏板将太阳能转为直流电存储在蓄电池中，为净水装置的增压泵提供能量。增压泵将水抽取到净水装置中，经过一系列的过滤消毒等处理流程，将干净的水送出。利用不同的过滤技术，可将不同的水中杂质进行滤除，具体的滤除技术所对应的滤除杂质参数如图1所示。

采用：利用微滤膜就可将直径大于0.1~1um的杂质滤除，因此利用微滤膜就可将水中的大块悬浮固体以及大直径的菌落进行滤除。针对细菌或蛋白质等大分子有机物可采用超滤膜，该超滤膜的过滤参数可去除大于0.01um的物质。针对小分子的有机物、无机盐等纳米级0.001um的物质，利用纳米膜可将这些物质进行滤除。针对溶于水的金属盐、细菌、有机物等物质，利用反渗透膜可滤除大于0.0001um的物质。因此，为了保证饮水安全，可将水中的

悬浮物、细菌、大块菌落进行有效过滤

2.2净水器结构设计

太阳能净水器包含太阳能光伏板、蓄电池、水箱、过滤器以及小型水泵等设备。以上设备的总体重量较大，因此，为了净水器装置牢固耐用，必须采用 可以承受较大重量的材质作为装置的框架。本设计采用不锈钢正方形钢管，利用该钢管采用焊接工艺作为净水器的框架结构。太阳能净水器装置采用两个水箱，分别为上下水箱，这两个水箱分别有一个进水口、出水口

其中，下水箱用作存储增压泵抽取上来的水，上水箱则用来存储经过了净化装置的干净饮用水。这两个水箱的材质没有较为严格的要求，因此可以采用塑料、软布袋或者铁皮等材料

2.3关于供电问题的方案

黑电也 一上虑棘

在供电方面还应有蓄电池直流供电和电网供电两种模式，这是为了防止连续多天的阴雨天，太阳能光伏板不能发电，导致蓄电池没有储存电能，这就需要安装一个蓄电池电压检测装置，当蓄电池电压过低时会直接切换到国家电网的供电方式，这样既能保护蓄电池，同时也能让净水器正常工作。。本装置还设计了液位检测器，可实时检测净水存储缸的液位高度，当净水存储到一定程度时，液位检测器会给净水器发送一个信号，此时净水器会停止工作。

2.4净水器的日常维护操作

净水器的太阳能光伏板在长期使用过程中，难免会积攒大量的灰尘及杂物 因此要定期对太阳能光伏板进行擦拭，如此，可以最大效率地利用太阳能 净水器中的净水滤芯需要定期进行替换，以便获取到健康的直饮水。高原地区冬季一

般比较寒冷，因此冬季时要做好净水器各类设备的保暖工作，以免损坏设备。

2.5净水器污水回收

净水器通过净水装置将原水分为两部分，一部分水变为干净的直饮水，另一部分水则是污染更多的水。这些污染的水在缺水地区也很珍贵，因此对这部分污染水进行回收利用非常有必要。利用太阳蒸发方式将水变成水蒸气，然后经过冷凝，送入水箱，进行二次利用。