便携式太阳能雨水净化器的设计

王魏魏， 刘辉， 宿忠娥

（兰州城市学院， 甘肃 兰州 730070）

引言

在我国黄土高原缺水、苦水(水质苦涩）地区，当地人通过水窖存蓄雨水、雪水。然而在这些山区，交通不便，即使现在国家尽力为家家户户通自来水，也很难为那些在大山深处的家庭铺设水管，这些家庭的用水问题成了一个难题。水窖中的水成分比较复杂，而且人体所需的矿物质也很少，而有害物质却很多，难以直接饮用，这些水窖中的水在刚收集之后不能立刻饮用，需要一两天的时间沉淀泥沙，用纱网过滤不溶性杂质，烧开之后饮用，味质苦涩。为了让偏远地区的人能够饮用上健康的水，特研究设计了此项目。

1 设计原理

便携式太阳能雨水净化器通过可以折叠的光伏组件发电，蓄电池存储电能为净水器的增压泵和水窖的提水泵提供电能，净水器六级水过滤装置，反渗透膜过滤可以把水变成纯水，完全过滤掉水里的细菌，双重供电模式，可以在连续阴雨天实现电网供电[1]。

2 框架设计

便携式太阳能雨水净化器在使用时，内部包含了上下水箱以及净化器和蓄电池等设备，同时要兼顾太阳能电池板重量，总体重量很大，还得考虑光伏组件承受风的能力，因此对于承重结构的强度要求比较高，同时为了减轻净化器的重量，项目采用正方形钢管材料焊接而成，钢管的长为20 mm,宽为20 mm，厚度为1 mm。

2.1 拉伸腿的设计

当净水器在搬运过程中或者短暂的使用中，拉伸腿穿在方管中，可以方便携带，如果是长期使用，就需要将拉伸腿拉出来，用螺丝固定在地面上，就能抵抗一定的风力或者冲击，保证净水器位置固定不变。如图1所示，为了防止拉伸腿穿进去取不出来，特在外面焊接一个类似四边形、两边凸起的一个盖子。

2.2 水箱的设计

便携式太阳能雨水净化器总共有两个水箱，一个是上水箱，一个是下水箱，上下水箱均有两个口，一个是进水，一个用来出水。上水箱用来存储过滤干净的水，下水箱用来存储从水池或者水窖里面抽上来的水[2]。上下水箱在材料的选择上没有太多的要求，可以用软布袋储水，或者用塑料做成的水箱，还可以用铁皮做成的水箱，在这里以铁皮做的水箱为例，如图2所示。

图1 拉伸腿

图2 水箱

3 折叠太阳能板及其组件的设计3.1 组件的材料选择

为了能够最大限度利用太阳能进行发电，组件采用单晶硅太阳能电池，有较高的发电能力，同时具有抵抗冰雹的冲击能力。

3.2 支架的设计

太阳能在使用过程中一般不承受太大的载荷，同时为了能够制造方便，采用与框架结构相同的管材，支架总共三块，之间通过合页连接，折叠起来就是一个立方体的形状，体积约为500 mm×500 mm×300 mm。

3.3 两侧支架的固定

如图3所示，将右侧支架旋转到与左侧支架平行，然后把左侧的插销插入到右侧，将右侧支撑起来，总共有4个插销，分别位于中间支架的四角。折叠时只需要将插销拉回去即可。

图3 两侧支架

3.4 高度调节与安装方位

太阳能电池撑起来的时候需要与水平面之间形成一个坡度，这个坡度需要根据当地的纬度去决定，所以在该项目上设计了一个可以调节的支撑杆，根据需要去调节支撑杆的长度。

为了最大限度地产生电量，根据日地运行规律，只有将光伏组件朝向正南才能捕获最大太阳光，所以在放置净水器水需要朝向正南方向。

4 净水器的使用及维护4.1 净水步骤

将水从水池或者水窖抽到下水箱的时候，需要从源头上过滤一部分的不溶性杂质，此时将水泵的吸水口放入到过滤网中，过滤掉里面的大于0.5 mm的不溶性杂质。

净水器六道净水过程，分别是PP棉滤芯，去除泥沙、铁锈、红虫线虫、颗粒物质等杂质；颗粒活性炭吸附余氯等有害物质，去除异色异味等；压缩活性炭去除更小的有害物质；UF超滤膜去除细菌病毒，保留矿物质，去除大于0.01 μm的所有物质；后置活性炭改善口感，去除农药等残留物、重金属离子等；载银活性炭消除各种异味。通过六道净水，水变成直饮水，将水存储在上水箱中。

4.2 污水的回收

净水器通过一步步过滤把污水变成干净的水和更污的水，干净的水和更污的水的比例为1∶0.6（实际的净水比例以实物为准），对于本来就缺水的山区回收这部分污水就显得很重要了。蒸发池中的水经过层层沉淀，同时通过太阳的能量将水蒸发之后再冷凝，然后连接到净水器的下水箱，再次利用。

4.3 净水能力

净水器一小时可以净水7 L，一天可以净水168 L，一般来说，一个人每天要喝2 L左右的水去保持身体水分的平衡，烧饭用水量人均在2 L左右，该净水器完全够一家五口的用水能力，多余的水还可以用来洗漱，因此净水器只需要白天工作。

4.4 日常维护

便携式太阳能雨水净化器的日常维护包括定期擦除太阳能表面的灰尘以及周围的杂物，定期对净水器的滤芯进行更换，做好冬季的保温措施，防止水管冻裂、净水器以及水箱冻坏。

4.5 电路设计

水泵的电能来自太阳能发电和国家电网，太阳能电池所发的电通过太阳能控制器将电能存储在蓄电池上，负载从控制器上取电，当蓄电池的电量过低，系统会断开电路，保护蓄电池避免因电压过低而馈电报废。液位传感器放置在水缸中，当水缸中水满后停止净水。