[0001] 本发明涉及空气取水器技术领域，特别涉及一种太阳能热泵驱动的空气取水系统。

[0002] 目前，饮用水保障对人类生存至关重要，但是在干旱地区、海岛地区、偏远哨所、抢险救灾和野外驻训等极端环境或条件下却面临着现实困难。空气取水以大气中的气态水作为水源，使得获取水资源的方式不再受时间和空间限制。

[0003] 空气取水技术根据原理不同可以分为雾水收集法、空气冷却法、吸附剂取水法等。雾水收集法利用网状结构对雾气聚集、增长，形成水滴下落收集，但是受地域气候限制，收集水量有限。空气冷却法是将空气中的水蒸气直接冷却至露点形成液态水，该方法适用于潮湿地区，当相对湿度＜30％时基本失去取水效果。吸附剂取水法是指用吸附剂先吸附空气中的水蒸气，再通过解析、冷凝至露点形成液态水。吸附剂取水法主要有间歇式和连续式两种方案。间歇式取水，夜间吸附白天脱附，与太阳辐射强度密切相关，取水周期长，无法确保连续的用水需求。转轮式取水器，在吸附区不断地将湿空气内的水蒸气分离，在再生区通入高温气体将水蒸气释放出来，并通过冷凝获取淡水，通过转轮缓慢的旋转，可实现连续切换取水，最大程度提取水分并提高效率。吸附剂的选择对于取水系统而言也至关重要。

[0004] 现有技术的缺点是空气取水系统的转轮再生耗电量大，干旱地区等极端环境的现场电力供应存在问题，传统吸附剂的使用不能提高取水量和取水效率，设备体积大，不易推广等。

[0024] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0025] 在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；也可以是电气连接或信号传输；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

[0026] 请参见图1，一种太阳能热泵驱动的空气取水系统，包括高温热泵与转轮取水器12耦合装置4、太阳能光伏板1、储能装置3及控制器2，高温热泵与转轮取水器12耦合装置4包括：用于提供再生热量的热泵系统，用于吸附空气中水蒸气的转轮取水器12，用于储存水资源的蓄水装置11，热泵系统与转轮取水器12耦合；太阳能光伏板1用于吸收光能并将之转化为电能，储能装置3用于储存来自太阳能光伏板1的电能，并向热泵系统、转轮取水器12、控制器2供电；控制器2用于控制热泵系统、转轮取水器12的工作；转轮取水器12包括转轮，转轮内设基材，基材表面涂覆有吸附水分的吸附材料；将转轮转动区域分设为转轮取水器吸附区12‑1和转轮取水器再生区12‑2；热泵系统包括释放热能的加热装置及释放冷能的冷却装置；在控制器2控制下，转轮转动，转轮转至转轮取水器吸附区12‑1时吸附水分；转轮转至转轮取水器再生区12‑2时，热泵系统的加热装置向再生区释放热能，使吸附材料吸附的水分脱附；水分脱附后被气体介质携带输入热泵系统的冷却装置中，冷却装置释放冷能使水分冷凝聚集并进入蓄水装置11，输出去除水分的气体介质。

[0027] 转轮内设的基材可为包括蜂窝结构的多孔材料。转轮可以陶瓷纤维为基材、转轮表面涂覆聚丙烯腈聚合物等作吸附材料做成的蜂窝状圆盘体。

[0028] 在转轮取水器吸附区12‑1，潮湿的空气通过转轮取水器12的吸附材料时，水分被吸附在转轮取水器12的吸附材料表面。这一过程主要依靠转轮取水器12的吸附材料的物理吸附作用，即吸附材料表面通过其特殊的微孔结构捕获空气中的水分。这种吸附作用基于分子间的相互作用力，使得水分被牢牢吸附在转轮取水器12的吸附材料表面。

[0029] 转轮取水器12的旋转速度是一定的，当转轮取水器12进入转轮取水器再生区12‑2时，转轮取水器12的吸附材料表面吸附的水分通过加热的方式被释放，这个过程称为脱附。加热可以通过高温空气或外部热源实现，使吸附在转轮取水器12的吸附材料表面的水分蒸发，从而实现转轮取水器12的吸附材料的再生。这样，转轮取水器12在不断地旋转中，完成了吸附和再生的循环过程，从而持续地从空气中吸附及汇集水分。这种循环过程使转轮取水器12能够持续工作并有效收集空气中水分。

[0030] 优选地，热泵系统可包括依次连接的压缩机19、冷凝器15、膨胀阀18和蒸发器9，冷凝器15为加热装置，蒸发器9为冷却装置；冷凝器15设有用于吸入较低温度气体的第一进气口17及用于排放较高温度气体的第一排气口21，蒸发器9设有第二进气口20、使冷凝水汇集的集液管10及第二排气口7；第一进气口17与外部空间连通，第一排气口21向转轮取水器再生区12‑2的一侧输送气体；第二进气口20吸收转轮取水器再生区12‑2另一侧的气体；第二排气口7向外部空间排放气体；集液管10与蓄水装置11的进水口连通；第二排气口7与第一进气口17分别位于高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的相对两侧面。

[0031] 热泵系统可在第一进气口17、第一排气口21、第二进气口20、第二排气口7内设置温度传感器，对应测量第一进气口17、第一排气口21、第二进气口20、第二排气口7的气体温度，设定冷却装置释放的冷能及加热装置释放的热能，或者设定第一进气口17与第一排气口21的温差，设定第二进气口20与第二排气口7的温差，控制器接收来自第一进气口17、第一排气口21、第二进气口20、第二排气口7内的温度传感器信号，计算：冷却装置释放的冷能、加热装置释放的热能，第一进气口17与第一排气口21的温差，第二进气口20与第二排气口7的温差；并与对应的设定值进行比较，根据比较结果输出信号控制压缩机19和膨胀阀18的启停或给定电压。

[0032] 储能装置3可内设充电控制模块，充电控制模块包括电压转换子模块、电流控制子模块、充电保护子模块和充电管理子模块。

[0033] 电压转换子模块：充电模块通常使用直流电源为电池或电子设备充电，但直流电源的电压并不总是与电池或设备所需的充电电压相匹配。因此，充电模块包含一个电压转换器，能够将输入电源的电压转换为合适的充电电压。

[0034] 电流控制子模块：充电模块需要根据电池或设备的需求来控制输出的充电电流。充电电流的大小对充电速度和电池寿命都有重要影响。为了实现电流控制，充电模块使用电流传感器和电流控制电路来监测和控制输出电流的大小。

[0035] 充电保护子模块：为了确保充电过程的安全和可靠性，充电保护子模块具有保护功能，其包括过充保护单元、过放保护单元、过流保护单元等。这些保护单元的功能通过使用特定的保护芯片和电路实现，当充电参数超过设定范围时，保护电路会自动切断充电或调整充电参数，以避免损坏电池或设备。

[0036] 充电管理子模块：充电管理子模块具有充电管理功能，可以根据充电状态和需求动态调整充电参数，以优化充电效率和电池寿命。充电管理功能通过使用智能控制芯片和算法实现，可以实现快充、均充、浮充等充电方式。

[0037] 充电控制模块通过电压转换、电流控制、充电保护和充电管理等一系列原理和技术，实现对电池或电子设备等储能装置3的有效充电。

[0038] 储能装置3的过放保护单元在检测到储能装置3的放电电压过低时，通过关闭放电回路来防止储能装置3过度放电。

[0039] 设置储能装置3的正常放电电压最小值。当储能装置3的放电电压小于等于正常放电电压最小值时，储能装置3发送放电电压过低信号至控制器，控制器2输出信号使控制热泵系统、转轮取水器12停机。同时控制器2进入低耗能的睡眠状态。当储能装置3的放电电压大于正常放电电压最小值时，储能装置3发送放电电压正常信号至控制器，控制器2输出信号使控制热泵系统、转轮取水器12进入工作状态。

[0040] 较低温度气体进入第一进气口17，通过冷凝器15换热后变成较高温度气体，从第一排气口21排出至转轮取水器再生区12‑2的一侧；转轮取水器再生区12‑2经较高温度气体加热，吸附的水分被脱附分离混入流经的气体中，从转轮取水器再生区12‑2流出温度较高且水分较高气体。

[0041] 第二进气口20吸入温度较高且水分较高气体，被蒸发器9冷却后，气体中的水分冷凝成冷凝水，冷凝水被集液管10汇集后流入蓄水装置11的进水口；温度较高且水分较高气体被蒸发器9冷却后去除了气体中的水分，变成干燥且温度较低的气体排出。

[0042] 气体温度的高低基于外部空间气温。

[0043] 优选地，第二排气口7可设有第一风机8；第一进气口17可设有第一过滤器16。

[0044] 优选地，转轮取水器吸附区12‑1入口端可设有用于吸入外部空气的转轮进气管道5，转轮取水器吸附区12‑1的出口端可设有向外部空间排放气体的转轮排气管道13，转轮进气管道5的进气口与转轮排气管道13的排气口可分别位于高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的相对两侧面。

[0045] 优选地，转轮取水器再生区12‑2入口端可通过通风管道连接在第一排气口21，转轮取水器再生区12‑2出口端可通过通风管道连接在蒸发器9的第二进气口20。

[0046] 优选地，在转轮进气管道5内可设有第二过滤器6，在转轮排气管道13内可设有第二风机14。

[0047] 优选地，转轮排气管道13可与第一进气口17连通。

[0048] 优选地，转轮进气管道5的进气口与第二排气口7可位于高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的同一侧面。

[0049] 优选地，储能装置3可包括蓄电池，蓄电池可安装在太阳能光伏板1下方。

[0050] 优选地，吸附材料可采用聚丙烯腈聚合物。

[0051] 下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构及工作原理：

[0052] 一种太阳能热泵驱动的空气取水系统，包括高温热泵与转轮取水器12耦合装置4、太阳能光伏板1、储能装置3及控制器2，高温热泵与转轮取水器12耦合装置4包括：用于提供再生热量的热泵系统，用于吸附空气中水蒸气的转轮取水器12，用于储存水资源的蓄水装置11，热泵系统与转轮取水器12耦合；太阳能光伏板1用于吸收光能并将之转化为电能，储能装置3用于储存来自太阳能光伏板1的电能，并向热泵系统、转轮取水器12、控制器2供电；控制器2用于控制热泵系统、转轮取水器12的工作；转轮取水器12包括转轮，转轮内设基材，基材表面涂覆有吸附水分的吸附材料；将转轮转动区域分设为转轮取水器吸附区12‑1和转轮取水器再生区12‑2；热泵系统包括释放热能的加热装置及释放冷能的冷却装置；在控制器2控制下，转轮转动，转轮转至转轮取水器吸附区12‑1时吸附水分；转轮转至转轮取水器再生区12‑2时，热泵系统的加热装置向再生区释放热能，使吸附材料吸附的水分脱附；水分脱附后被气体介质携带输入热泵系统的冷却装置中，冷却装置释放冷能使水分冷凝聚集并进入蓄水装置11，输出去除水分的气体介质。

[0053] 储能装置3内设有蓄电池，储能装置3上安装有控制器2，储能装置3安装在太阳能光伏板1下方，太阳能光伏板1、风机、高温热泵均与储能装置3电连接。

[0054] 热泵系统包括依次连接的压缩机19、冷凝器15、膨胀阀18和蒸发器9，冷凝器15为加热装置，蒸发器9为冷却装置；冷凝器15设有用于吸入较低温度气体的第一进气口17及用于排放较高温度气体的第一排气口21，蒸发器9设有第二进气口20、使冷凝水汇集的集液管10及第二排气口7；第一进气口17与外部空间连通，第一排气口21向转轮取水器再生区12‑2的一侧输送气体；第二进气口20吸收转轮取水器再生区12‑2另一侧的气体；第二排气口7向外部空间排放气体；集液管10与蓄水装置11的进水口连通；第二排气口7与第一进气口17分别位于高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的相对两侧面。

[0055] 第二排气口7设有第一风机8；第一进气口17设有第一过滤器16。

[0056] 转轮取水器吸附区12‑1入口端设有用于吸入外部空气的转轮进气管道5，转轮取水器吸附区12‑1的出口端设有向外部空间排放气体的转轮排气管道13，转轮进气管道5的进气口与转轮排气管道13的排气口分别位于高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的相对两侧面。转轮取水器再生区12‑2入口端通过通风管道连接在第一排气口21，转轮取水器再生区12‑2出口端通过通风管道连接在蒸发器9的第二进气口20。在转轮进气管道5内设有第二过滤器6，在转轮排气管道13内设有第二风机14。吸附材料采用聚丙烯腈聚合物。

[0057] 高温热泵与转轮取水器12耦合装置4的耦合方式为：转轮取水器再生区12‑2入口空气热湿参数为冷凝器15出口空气参数，转轮取水器再生区12‑2出口空气热湿参数为蒸发器9入口空气参数。

[0058] 本实施例中，太阳能热泵速产型空气取水装置的工作步骤包括：

[0059] 一、空气取水部分：空气从转轮取水器吸附区12‑1入口端连接的转轮进气管道5，经过第二过滤器6进入转轮取水器吸附区12‑1，在转轮取水器吸附区12‑1，潮湿的空气通过转轮时，水分被吸附在转轮取水器12的吸附材料表面。

[0060] 当转轮取水器12进入转轮取水器再生区12‑2时，较低温度气体进入第一进气口17，通过冷凝器15换热后变成较高温度气体，从第一排气口21排出至转轮取水器再生区12‑
2的一侧；转轮取水器再生区12‑2经较高温度气体加热，吸附的水分被脱附分离混入流经的气体中，从转轮取水器再生区12‑2流出温度较高且水分较高气体。转轮取水器12的吸附材料表面吸附的水分通过加热的方式被释放。

[0061] 转轮取水器12的吸附材料表面吸附的水分脱附后混入气体中，被第二进气口20吸入，第二进气口20吸入温度较高且水分较高气体，被蒸发器9冷却后，气体中的水分冷凝成冷凝水，冷凝水被集液管10汇集后流入蓄水装置11的进水口；温度较高且水分较高气体被蒸发器9冷却后去除了气体中的水分，变成干燥且温度较低的气体排出。

[0062] 蒸发器9下端连接的集液管10将取得的水接入蓄水装置11中，完成取水过程，被除湿空气再通过与转轮取水器吸附区12‑1的出口端连接的转轮排气管道13排出。

[0063] 转轮取水器12在不断地旋转中，完成了吸附和再生的循环过程，从而持续地从空气中吸附及汇集水分。这种循环过程使转轮取水器12能够持续工作并有效收集空气中水分。转轮取水器12上吸附材料循环吸附再生才能实现连续取水。

[0064] 二、热泵系统驱动：

[0065] 热泵系统包括依次连接的压缩机19、冷凝器15、蒸发器9和膨胀阀18，

[0066] 热泵系统包括蒸发、压缩、冷凝和膨胀四个过程。

[0067] 蒸发过程：在蒸发器9中，第二进气口20吸入温度较高且水分较高气体，制冷剂吸收热量。这个过程使得制冷剂从液态变为气态，同时吸收大量热量，使得周围环境温度下降。使通过蒸发器9的气体中的水分冷凝成冷凝水。

[0068] 压缩过程：蒸发后的制冷剂以气体形式进入压缩机19，通过压缩机19的工作，制冷剂的温度和压力都会升高。这一过程需要消耗一定的能量，但通过压缩，制冷剂能够被输送到高温热源处进行放热。

[0069] 冷凝过程：经过压缩后，高温高压的制冷剂气体进入冷凝器15，在这里与高温热源接触，释放出之前吸收的热量，制冷剂冷凝成液体。这个过程使得制冷剂释放出的热量能够被利用，使较低温度气体进入第一进气口17，通过冷凝器15换热后变成较高温度气体。

[0070] 膨胀过程：冷凝后的制冷剂通过膨胀阀18进入蒸发器9，压力迅速降低，使其变为低温低压状态，从而准备进入下一个蒸发循环。在这个过程中，制冷剂从液体变为气体，再次吸收低温热源中的热量。

[0071] 第二进气口20吸入温度较高且水分较高气体，被蒸发器9冷却后，气体中的水分冷凝成冷凝水，冷凝水被集液管10汇集后流入蓄水装置11的进水口；温度较高且水分较高气体被蒸发器9冷却后去除了气体中的水分，变成干燥且温度较低的气体排出。

[0072] 三、太阳能供电：为保障系统内热泵装置和风机的电力需求，采用离网型太阳能光伏系统发电，并配备储能装置3，储能装置3内设置有蓄电池，在偏远地区或极端环境下，离网型光伏供电系统不依赖于传统电力网络，而是通过太阳能光伏板1将太阳能转化为电能并储存在蓄电池内，分别向热泵系统、第一风机8、第二风机14、控制器2供电，以供无光照情况下使用，实现系统长时间供电保障。此外，离网型太阳能光伏供电系统比传统发电设备更具可靠性、稳定性和灵活性。

[0073] 本发明利用高温热泵与转轮取水器12耦合，转轮取水器再生区12‑2入口空气热湿参数为热泵冷凝器15出口空气参数，转轮取水器再生区12‑2出口空气热湿参数为热泵蒸发器9入口空气参数，利用热泵的蒸发器9对被加湿空气降温冷却，使其达到露点温度凝结取水，同时利用热泵的冷凝器15释放的热量加热再生空气，使系统内部实现冷量和热量的物尽其用。

[0074] 本发明可应用在沙漠、海岛、滩涂等一些取水困难地区或用于应对一些极端条件下饮用水保障需求，具有取水量大、取水效率高、取水性能稳定等优点。

[0075] 本发明的工作原理：在吸附过程中，潮湿空气流经涂有吸附剂的吸附材料的转轮取水器12时，空气中的水分被吸附剂吸附。随着转轮取水器12的旋转，吸附水分的扇区将进入转轮取水器再生区12‑2。在转轮取水器再生区12‑2，干燥的热空气(或其他再生介质)吹过转轮取水器12，将吸附的水分从吸附剂中脱附出来。干燥的热空气(或其他再生介质)的水蒸气分压力高于转轮表面水蒸气分压力，有助于将水分气化并带走。这一过程使吸附剂恢复干燥状态，可以重新用于吸附空气中的水分。

[0076] 转轮取水器再生区12‑2的目的是使转轮取水器12内吸附材料恢复吸湿能力，以便再次用于处理新的潮湿空气。通过这个过程，转轮取水器12能够连续不断吸收空气中的水分用于取水。

[0077] 上述太阳能光伏板1、控制器2、储能装置3、高温热泵与转轮取水器12耦合装置4、转轮进气管道5、第二过滤器6、转轮排气管道13、第二排气口7、第一风机8、蒸发器9、集液管10、蓄水装置11、转轮取水器12、转轮排气管道13、第二风机14、冷凝器15、第一过滤器16、第一进气口17、膨胀阀18、压缩机19、转轮、充电控制模块、电压转换子模块、电流控制子模块、充电保护子模块、充电管理子模块、过充保护单元、过放保护单元、过流保护单元、转轮内基材、吸附材料等可采用现有技术中的装置及材料；或采用现有技术中的装置及材料并采用常规技术手段构造。

[0078] 以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。