基于多种仿生原理的水汽凝结器的研究

陈友升 牛通之 李小宁 赵祉昕 降帅 杨时炜

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

基于多种仿生原理的水汽凝结器的研究

陈友升 牛通之 李小宁 赵祉昕 降帅 杨时炜

（武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070）

在一些边远的山区、海岛等地区，水资源及其稀少。一些进化出可从稀薄而潮湿的空气中收集水的机制的生物可在干旱的环境中生存，利用这些生物特有的机构对海岛、边远山区等地区的雾气进行收集、利用可得到可观的淡水资源。因此我们利用沙漠甲虫、仙人掌和猪笼草的特殊微观结构自主设计了基于多种仿生原理的水汽凝结器，其集水效果显著。

仿生 水汽 凝结

1　整体设计

为实现在高湿度环境下高效连续的水汽收集，首先仿照“凝结—聚集—传输—吸收”的集水过程，对不同材料的集水网的集水效果进行观察和研究，选出凝水性能最好的集水网。同时，本项目采用半导体降温冷凝的方式，提高空气凝水效率。制冷模块的能量由太阳能发电系统提供，该装置主要由水汽收集模块、机械模块、太阳能供电模块、半导体制冷模块组成。

2　水汽集水模块

水汽收集模块主要以捕雾网为载体，仿照仿沙漠甲虫崎岖不平的壳、仙人掌上刺的不对称结构和猪笼草光滑表面的微观特征对空气中的水汽进行高效的收集。

沙漠甲虫的高效集水原理在于，雾气中的小水滴最先聚集在甲虫背部的亲水麻点上并不断积聚增大，当增大到一定程度时，水珠的重量对接触面积的比例增大，毛细管张力抓不住这些水珠时水珠下落，顺势在甲虫鞘翅表面的疏水凹槽中流动，最后流入甲虫嘴中。甲虫背部单独的几何形状凸块可便于凝结水滴，当水滴在凹凸不平的表面凝结后通过模仿仙人掌的非对称结构，在拉普拉斯力的作用下将刺状尖端部分的水滴聚集到根部从而形成更大的水滴，加快水汽收集速度。

拉普拉斯压力是指曲面所受的内外压力差，这一压力差是由于液体的表面张力引起的，由杨-拉普拉斯公式推导出拉普拉斯压强为：

式中 R-----局部半径（m）（R1、R2锥刺上的液滴的两个相对侧的局部半径）；

R0-----液滴直径（m）；

α-----半顶角（°）；

dz-----增量半径（m）；

γ-----表面张力（N）；

仙人掌刺状尖端局部半径比其根部半径小，由以上公式可以得知：仙人掌刺状尖端的拉普拉斯压力比根部大，从而使小水珠获得从尖端移动到根部的的驱动力，并在水珠的移动过程中加快水珠的聚集，提高水珠在网面上的收集效率，更快形成可滑落的大液滴。小水珠从尖端移动到底部的同时也为下一次的水滴凝结提供充足的空间。

3　机械模块

本装置采用0-105度，13档可调的角度调节器对三张集水网面的角度和方向进行调节。首先通过风速仪时事测量风速大小和方向，根据测得的数值对网面进行相应的调节。三张网面通过调节可形成三种不同的组合状态，从而使网面始终处于迎风方向，提高网面捕雾的效率。

4　太阳能供电模块

为了实现装置的能源自给，本装置利用太阳能为各个部件供能。本作品采用12V，8A的太阳能电池板收集太阳能，为整个装置提供能量。考虑到水泵等负载的间歇性工作及太阳能能源受天气影响的原因，我们使用12V 8A硅蓄电池和太阳能电池板控制器，储存收集到的太阳能，在装置工作时释放电能。

5　半导体制冷模块

为了实现有效的制冷，采用半导体制冷的方式，具有作用速度快，工作可靠，使用寿命长，尺寸小，对环境无污染等优点。半导体制冷模块由TEC1-12706半导体制冷片、风扇、铝片式散热板、调压电路组成。半导体制冷片利用珀尔帖效应来导致半导体两面产生温差，热面经过散热板、风扇等散热措施保证常温，冷面即可达到制冷效果。为了达到网面降温的效果，本装置采用水循环的方式在水泵的工作下，将水箱中经制冷模块降温的冷水带到仿生捕雾网的网面，冷水通过一定间隔的导冷铝管，最后再返回制冷水箱。该模块最高制冷功率可达60W，经实验测得可实现集水网网面8℃～9℃的降温。

6　设计优势

（1）利用沙漠甲虫、仙人掌和猪笼草的特殊微观结构进行三重仿生，提高集水效率；（2）利用太阳能供电，采用新型硅蓄电池可实现自给自足，集水过程绿色、清洁、无污染。（3）采用半导体制冷增大温差，提高水汽的凝结效率。

7　结语

装置将空气中含有的隐性水资源转化为显性的可利用的水资源，简单低耗，可应用于海岛、船舶、多雾山区等空气湿度高但淡水资源匮乏的地区，有望成为解决水资源危机的有效途径，同时为设计开发连续高效的雾水收集器提供了新思路，为缓解世界水资源危机提供了出路。

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