一种高原空气取水制氧一体装置及其控制方法与流程

本发明属于空气水能利用领域，具体涉及一种高原空气取水制氧一体装置及其控制方法。

背景技术：

当今世界，淡水资源短缺问题日益严峻,高原地区也面临着严重的淡水资源短缺的问题。现有淡水资源利用方法都有一定的局限性：1）制冷结露法：能量转换环节较多而损失大，能源利用效率较低；2）吸附法：干燥剂对水质具有一定的影响，从而易导致水安全问题；3）聚雾取水法：只适合在多雾且缺水的地方推广，受环境限制很大。为了能更好地缓解淡水缺乏问题，人们提出了从空气中取水的新途径。大气中富含淡水，并且不受地域限制，据估算，大气中含有大约14000km³的水蒸气，而地表的淡水总量只有1200km³，所以，地球大气层可以说是一个巨大的水库。因此，如何有效地从空气中获取淡水，是一个大家共同关心的课题。空气取水技术蕴含着解决淡水稀缺问题的巨大潜力。

高原有着特殊的自然环境，其特点是低压、低氧、气候干燥寒冷、风速大、太阳辐射和紫外线辐射强。研究表明，在高原环境下，随着海拔的升高，空气中的氧分压不断降低，人如果长期处在这种缺氧环境中，严重者可出现低氧血症。由于人的神经组织对内外环境变化最为敏感，因此在缺氧条件下，脑功能损害最易发生，损害程度也比较严重，且暴露时间越长，损害越严重，特别是对感觉、记忆、思维和注意力等认知功能的影响显著而持久，这是高原缺氧条件下容易发生事故的重要原因。故一种高效可靠、就地制氧的装置在高原地区有广阔的应用前途。

目前，市场常见的各类变压吸附式制氧机仅适用于低海拔地区，到了青藏高原等高原地区不但生产能力严重下降，而且由于高原有气压低等环境因素，阀门动力系统运转不起来，制氧生产无法正常进行；现有高原制氧机也存在占地规模大、能耗大、效率低下的问题，且装置运行管理复杂，对人员操作和监管依赖性强。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高原空气取水制氧一体装置及其控制方法，通过该装置可以利用空气制取淡水，并通过电解水提供稳定纯净的氧气，使其具备经济环保、高效安全、可靠性高等特点，保证在高原意外情况下的淡水供应、氧气供给和医疗保障。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种高原空气取水制氧一体装置， 包括中央控制系统、发电系统、以及依次连通的制水系统、制氧系统、自动灌氧系统；所述中央控制系统分别与制水系统、制氧系统、自动灌氧系统、发电系统电气连接；所述发电系统分别给中央控制系统、制水系统、制氧系统、自动灌氧系统供电。

进一步，所述制氧系统包括电解室、氧气储存室、氢气储存室、电解液补充室、水位感应器；所述电解室包括阳极棒、阴极棒、气压感应阀门、进水控制阀门，电解室与电解液补充室连通，电解室通过进水控制阀门与制水系统连通，水位感应器设置在电解室内；所述氧气储存室设置在阳极棒上部，所述氢气储存室设置在阴极棒上部，氧气储存室、氢气储存室分别通过气压感应阀门与电解室连通；所述氢气储存室通过出气双向阀门与氢氧燃料电池的氢气输入口和空气相连通；所述氧气储存室与自动灌氧系统相连通。

进一步，所述自动灌氧系统包括抽气压缩机、气压指示控制阀门、灌氧管、自动灌氧转盘、容量指示器、计数器；所述抽气压缩机通过气压指示控制阀门与氧气储存室连通；所述灌氧管内设有阀门，所述自动灌氧转盘上设有若干氧气瓶，所述容量指示器设置在抽气压缩机内。

进一步，制水系统通过出水双向阀门分别与余水储存室的余水输入阀门和电解室的进水控制阀门连通，所述余水储存室底部设置有水压感应器和放水阀门。

进一步， 所述发电系统包括蓄电池组和通过充电保护电路、交直流电源转换器与蓄电池组连接的风能发电装置、太阳能发电装置、氢氧燃料电池，蓄电池组给制水系统、制氧系统、中央控制系统供电。

进一步，所述中央控制系统包括单片机A、单片机B；所述单片机A与发电系统电气连接；所述单片机B分别与制水系统、阳极棒、阴极棒、气压感应阀门、进水控制阀门、水位感应器、抽气压缩机、灌氧管、气压指示控制阀门、容量指示器、计数器、自动灌氧转盘、余水输入阀门、放水阀门、出气双向阀门、水压感应器电气连接。

进一步，所述氢气储存室和氧气储存室的室壁安装有气压感应器，所述氧气储存室设置有与大气相通的降压应急阀门。

进一步，所述中央控制系统还包括单片机C，所述蓄电池组、气压感应器、水压感应器、降压应急阀门、出气双向阀门、放水阀门分别与单片机C电气连接。

一种高原空气取水制氧一体装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：启动制水系统，将空气进行冷凝取水；

步骤2：启动制氧系统，用步骤1冷凝的水进行制氧；

所述步骤2的具体过程包括：

步骤2-1：电解液补充室向电解室注入电解液；

步骤2-2：水位感应器将电解室水位信号传输给中央控制系统的单片机B，当电解室内的水位低于预设最低值a时，单片机B控制制水系统的出水双向阀门转向电解室的进水管道，电解室的进水控制阀门打开及时向电解室补充淡水，当电解室内的水位达到预设最高值b时，出水双向阀门转向余水储存室的进水管道，电解室的进水控制阀门关闭，余水储存室的余水输入阀门打开，淡水进入余水储存室；

步骤2-3：电解产生的气体积累至一定量后向上运输，并通过气压感应阀门进入气体储存室，所述气压感应阀门可以感应上部积累气体（氢气/氧气）的分压，当达到足够的压强时阀门自动开启，氢气进入至氢气储存室，氧气进入至氧气储存室，同时气压感应阀门自动感应气体（氢气/氧气）运动的速率，并将信号反馈至单片机B，从而判断电解反应的快慢，当紧急情况发生时可以通过增大供电电流或者减少供电电流调节电解速率；当氢气储存室的出气双向阀门感应氢气储存室内的气压达到预设值c时，单片机B将氢气储存室的出气双向阀门转向氢氧燃料电池的氢气输入口，氢氧燃料电池利用氢气产生电能；

步骤3：启动自动灌氧系统，将步骤2制得的氧气进行灌装；

所述步骤3的具体过程包括：

步骤3-1：当氧气储存室内氧气气压达到预设值d时，气压指示控制阀门打开，抽气压缩机将氧气吸入，对氧气进行加压处理，抽气压缩机内部设置容量指示器监测抽气压缩机内部气体容量，当抽气压缩机内的气压达到预设值e时，单片机B控制抽气压缩机停止抽气开始压缩，当抽气压缩机内的气压达到预设值f时，单片机B控制抽气压缩机停止压缩，并打开灌氧管内的小型阀门，开始灌氧；

步骤3-2：通过灌氧管将氧气注入置于自动灌氧转盘中的小型氧气瓶中；

步骤3-3：自动灌氧转盘每个灌装口内放有一个小型氧气瓶，每灌装完成一个氧气瓶，计数器数值自动加一，自动灌氧转盘便会自动旋转至下个灌装口位置进行下一个氧气瓶的灌装。

进一步，所述步骤1-步骤3中，单片机A监测蓄电池组的电量，当蓄电池组电量已满时，单片机A控制切断发电系统中的风能发电装置、太阳能发电装置和氢氧燃料电池的运行；

所述步骤1-步骤3中，单片机C接收来自氢气储存室、氧气储存室之间的气压感应器和余水储存室内的水压感应器的信号，并记录发电系统的蓄电池组的电量信息，当气压感应器或水压感应器所测值达到预设的危险值g时，单片机系统C开始运行，并取得最高控制权限，立即切断制水系统和制氧系统的供电电路，使制水系统和制氧系统立即停止工作，同时打开氧气储存室的降压应急阀门和余水储存室的放水阀门，并将氢气储存室的出气双向阀门转向大气，从而将超量的气体和淡水排出；当发电系统的蓄电池组的电量处于满电量状态超过预设时长，单片机系统C开始运行，并取得最高控制权限，强行停止发电系统的工作。

本发明其优点是：1)高效制氧，安全可靠。本装置将空气取水和电解水制氧的技术相结合，在高效制水技术的支撑下充分利用所制取的淡水电解制氧，能量利用率高。2)能源清洁，充分利用自然能。本装置充分利用风能和太阳能等可再生能源发电制水，不需消耗传统化石能源，清洁环保，节能减排。3)经济可靠，使用成本低。本装置一经制成使用即可长期运行，不需要后续人力资源等的额外输入，运行简单方便，经济可靠，能量转化性价比高，管理难度低，使用成本低。4）应用前景广阔。本装置充分利用高原的日照风能等资源，环境适应力强，可以为高原紧急情况下提供备用氧气，市场应用广阔。

附图说明

图1为本发明装置的整体示意图。

图2为本发明装置的制氧系统和自动灌氧系统的结构示意图。

图3为本发明的发电系统的结构示意图。

图4为本发明的氢氧燃料电池的结构示意图。

图5为本发明的制水系统的结构示意图。

图6为本发明的单片机控制系统的控制示意图。

图中：1阴极棒、2阳极棒、3水位感应器、4电解液、5气压感应阀门、6电解液补充室、7出气双向阀门、8氢氧燃料电池、9气压感应器、10氢气储存室、11氧气储存室、12抽气压缩机、13自动灌氧转盘、14、降压应急阀门、15气压指示控制阀门、16容量指示器、17照明灯、18灌氧间、19螺旋管A、20漏斗式进气管、21抽风机、22隔热外壳、23制冷半导体、24螺旋管B、25铁柱内芯、26散热扇、27出水双向阀门、28凝水板、29进水控制阀门、30凝水收集罐、31低温作用罐、32预冷处理罐、33太阳能发电装置、34风能发电装置、35充电保护电路、36交直流电源转换器、37蓄电池组、38余水输入阀门、39余水储存室、40水压感应器、41灌氧管、42计数器、43放水阀门、44回路通道、45电解室、81进气控制阀门、82氢气输入口、83电池负极、84大气外接口、85电池正极、86电解质溶液。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种高原空气取水制氧一体装置，如图1所示，包括中央控制系统、发电系统、以及依次连通的制水系统、制氧系统、自动灌氧系统；所述中央控制系统分别与制水系统、制氧系统、自动灌氧系统、发电系统电气连接；所述发电系统分别给中央控制系统、制水系统、制氧系统、自动灌氧系统供电。制氧系统所需水由制水系统通过冷凝空气得到，制氧过程中得到的氢气可通入氢氧燃料电池内进行发电，所产生的电能供给本发明一种高原空气取水制氧一体装置的运行，实现能源的循环利用。

如图3所示，发电系统包括蓄电池组37和通过充电保护电路35、交直流电源转换器36与蓄电池组37连接的风能发电装置34、太阳能发电装置33、氢氧燃料电池8。蓄电池组37用于提供制水系统、制氧系统、自动灌氧系统和中央控制系统运行时所需电量，蓄电池组37与中央控制系统中的单片机相连用于控制整个制水系统。

其中，风能发电装置34利用现有技术，主要包括风轮、发电机、尾翼和支座等部分，由单片机进行控制。

太阳能发电装置33利用现有技术，主要包括太阳能电池板、二维自动旋转台和支座等部分，由单片机进行控制。

如图4所示，氢氧燃料电池8利用现有技术，包括电池负极83、电池正极85、氢气输入口82、大气外接口84、电解质溶液86、进气控制阀门81。电池负极83和电池正极85均采用惰性材料碳棒；氢气输入口82设置于氢氧燃料电池8的负极区域，为负极区供应氢气；大气外接口84设置于氢氧燃料电池8的正极区域，为正极区供应氧气；氢气输入口82和大气外接口84均设置有进气控制阀门81，用以控制气体输入速率；电解质溶液86采用氢氧化钾溶液。

如图6所示，中央控制系统包括单片机A、单片机B，单片机C。单片机A控制发电系统。单片机B对各传感器所测信号进行处理并发出相应的操作指令，从而系统控制制水系统和制氧系统。所述单片机C为备用应急控制系统，用于处理单片机A和单片机B出现故障的情况。

如图1、图5所示，制水系统包括预冷处理罐32、低温作用罐31和凝水收集罐30。预冷处理罐32用于引进外界空气并进行预冷；低温作用罐31利用制冷半导体23对空气进行进一步的降温，以使空气达到露点；凝水收集罐30利用凝水板28对低温空气中的小水珠进行吸附与收集，并最终储存在凝水收集罐30底部。

其中，预冷处理罐32包括漏斗式进气管20、螺旋管A19和抽风机21，为了防止砂砾等固体颗粒进入装置所述漏斗式进气管20的漏斗的颈部为圆球状，螺旋管A19呈螺旋状延伸可增大新鲜空气与处理完毕的低温干燥的空气的接触面积，漏斗式进气管20与螺旋管A19连通，抽风机21安装在预冷处理罐32底部以将冷凝后的空气排出。

其中，低温作用罐31包括螺旋管B24、铁柱内芯25、制冷半导体23和散热扇26。螺旋管B24一端与螺旋管A19连通、另一端与凝水收集罐30连通，螺旋管B24缠绕在铁柱内芯25上、且与制冷半导体23的冷端接触，经过预冷处理罐32预冷后的空气在经过由制冷半导体23冷端营造的低温作用罐时，温度将不断降低直至露点。螺旋管B24可以增大经过预冷处理的空气与制冷半导体23冷端的接触面积并延长制冷时间，铁柱内芯25可提高导热率，从而共同提高制冷效率，在如此的双重保障之下，可以确保预冷空气完成更高效率的热量交换从而成功降至露点。制冷半导体23在通电状况下会出现一端制冷而另一端发热的现象，散热扇26安装在制冷半导体23热端，用于加速散热。

其中，凝水收集罐30包括若干凝水板28、出水双向阀门27，凝水板28用以汇集微小水滴、并以对称方式安装在罐内壁以形成漏斗结构，顶部通过回路通道44与预冷处理罐32顶部连通，回路通道44的外壁均由隔热外壳22制成。安装在下端的出水双向阀门27用于放水将收集的淡水输送至制氧系统和余水储存室39，所述余水储存室39底部设置有水压感应器40和放水阀门43。当余水储存室39的水压感应器40所测当水压达到额定水压时，表明室内水量已满，单片机B控制制水系统停止制取淡水。

其中，凝水板28利用沙漠甲虫背部集水原理，仿照纳米比亚沙漠的Stenocara甲虫背部制成，最大限度地吸附冷凝空气中的水分，从而提高汇水率。

如图1、图2所示，制氧系统包括电解室45、氧气储存室11、氢气储存室10、电解液补充室6、水位感应器3；为保证制水系统制得的冷凝水可以顺畅流入电解室45，将制氧系统设置于稍低位置使制水系统的出水双向阀门27对应于电解室45的上部进水口，保证淡水自然流入。

其中，电解室45包括阳极棒2、阴极棒1、气压感应阀门5、进水控制阀门29，电解室45与电解液补充室6连通，电解室45通过进水控制阀门29与制水系统连接，水位感应器3设置在电解室45内。具体地，水位感应器设置在电解室下部，用于监测电解室内的水位；进水控制阀门29设置在中上部，用于控制进水过程；气压感应阀门5安装在顶部。阴极棒1为耐腐蚀铁质材料，阳极棒2为碳棒，电解液4采用稀氢氧化钾溶液。装置开始运行前，电解液补充室6向电解池注入适量氢氧化钾溶液。电解产生的气体积累至一定量后向上运输，并通过气压感应阀门5进入气体储存室。

其中，气体储存室包括氧气储存室11和氢气储存室10。所述氧气储存室11设置在阳极棒2上部，所述氢气储存室10设置在阴极棒1上部，氧气储存室11、氢气储存室10分别通过气压感应阀门5与电解室45连通；气压感应阀门5可以感应上部积累气体（氢气/氧气）的分压，当达到足够的压强时阀门自动开启，气体（氢气/氧气）运动至气体（氢气/氧气）储存室内，同时气压感应阀门自动感应气体（氢气/氧气）运动的速率，并将信号反馈至单片机B，从而判断电解反应的快慢，当紧急情况发生时可以通过增大供电电流或者减少供电电流调节电解速率。

所述氢气储存室10通过出气双向阀门7与氢氧燃料电池8的氢气输入口82和空气相连通，氢氧燃料电池利用氢气产生电能，实现能量的循环利用；所述氧气储存室11与自动灌氧系统相连通。

如图1、图2所示，自动灌氧系统包括抽气压缩机12、气压指示控制阀门15、灌氧管41、自动灌氧转盘13、容量指示器16、计数器42；

其中，抽气压缩机12通过气压指示控制阀门15与氧气储存室11连通，当氧气储存室内氧气充满即气压达到预设值d时，气压指示控制阀门15打开，抽气压缩机12将氧气吸入，然后对氧气进行加压处理，通过灌氧管41将氧气注入置于自动灌氧转盘13中的小型氧气瓶中。

其中，容量指示器16设置在抽气压缩机12内，用于监测抽气压缩机12内部气体容量，当抽气压缩机12内的气压达到预设值e时，单片机B控制抽气压缩机停止抽气开始压缩，当抽气压缩机12内的气压达到预设值f时，单片机B控制抽气压缩机停止压缩，并打开灌氧管41内的小型阀门，开始灌氧。

其中，氧气瓶设置在转轮式自动灌氧转盘13上，每灌装完一个氧气瓶自动灌氧转盘13便会自动旋转至下个灌装口位置进行下一个氧气瓶的灌装。计数器42对灌装的氧气瓶数量进行计数。例如自动灌氧转盘13上设置8个灌装口时，每给氧气瓶充气一次，计数器42数值自动加1，最大数值为8，每个氧气瓶取下供人们使用时，计数器数值自动减1，最小数值为0，计数器所记录的数值信号实时发送给单片机B。当自动灌氧系统的计数器42数值为8时，表明所有氧气瓶均已灌满，单片机B切断电解室45供电电流，从而使电解室45停止电解水。

自动灌氧转盘13放置在灌氧间18内，防止高原恶劣环境对装置的不利影响，并为使用者提供休息场所；灌氧间18内安装有照明灯17，由蓄电池组37提供电能，为独立电路，保持常亮。

如图1、图2所示，本发明为了防止意外情况的发生，氢气储存室10和氧气储存室11的室壁安装有气压感应器9，所述氧气储存室11设置有与大气相通的降压应急阀门14。

如图6所示，本发明各个电器元件与单片机的连接方式如下：

单片机A与发电系统电气连接。

单片机B分别与抽风机21、制冷半导体23、阳极棒2、出水双向阀门27、阴极棒1、气压感应阀门5、进水控制阀门29、水位感应器3、抽气压缩机12、灌氧管41、气压指示控制阀门15、容量指示器16、计数器42、自动灌氧转盘13、余水输入阀门38、放水阀门43、出气双向阀门7、水压感应器40电气连接。

单片机C分别与蓄电池组37、气压感应器9、水压感应器40、降压应急阀门14、出气双向阀门7、放水阀门43电气连接。

上述实施例中的一种高原空气取水制氧一体装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：启动制水系统，将空气进行冷凝取水；

步骤2：启动制氧系统，用步骤1冷凝的水进行制氧；

所述步骤2的具体过程包括：

步骤2-1：电解液补充室6向电解室45注入电解液；

步骤2-2：水位感应器3将电解室45水位信号传输给中央控制系统的单片机B，当电解室45内的水位低于预设最低值a时，单片机B控制凝水收集罐30的出水双向阀门27转向电解室45的进水管道，电解室45的进水控制阀门29打开及时向电解室45补充淡水，当电解室45内的水位达到预设最高值b时，出水双向阀门27转向余水储存室39的进水管道，电解室45的进水控制阀门29关闭，余水储存室39的余水输入阀门38打开，淡水进入余水储存室39；

步骤2-3：电解产生的气体积累至一定量后向上运输，并通过气压感应阀门5进入气体储存室，所述气压感应阀门5可以感应上部积累气体（氢气/氧气）的分压，当达到足够的压强时阀门自动开启，氢气进入至氢气储存室10，氧气进入至氧气储存室11，同时气压感应阀门5自动感应气体（氢气/氧气）运动的速率，并将信号反馈至单片机B，从而判断电解反应的快慢，当紧急情况发生时可以通过增大供电电流或者减少供电电流调节电解速率；当氢气储存室10的出气双向阀门7感应氢气储存室10内的气压达到预设值c时，单片机B将氢气储存室10的出气双向阀门7转向氢氧燃料电池8的氢气输入口82，氢氧燃料电池8利用氢气产生电能；

步骤3：启动自动灌氧系统，将步骤2制得的氧气进行灌装；

所述步骤3的具体过程包括：

步骤3-1：当氧气储存室11内氧气气压达到预设值d时，气压指示控制阀门15打开，抽气压缩机12将氧气吸入，对氧气进行加压处理，抽气压缩机12内部设置容量指示器16监测抽气压缩机12内部气体容量，当抽气压缩机12内的气压达到预设值e时，单片机B控制抽气压缩机12停止抽气开始压缩，当抽气压缩机12内的气压达到预设值f时，单片机B控制抽气压缩机12停止压缩，并打开灌氧管41内的小型阀门，开始灌氧；

步骤3-2：通过灌氧管41将氧气注入置于自动灌氧转盘13中的小型氧气瓶中；

步骤3-3：自动灌氧转盘13每个灌装口内放有一个小型氧气瓶，每灌装完成一个氧气瓶，计数器42数值自动加一，自动灌氧转盘13便会自动旋转至下个灌装口位置进行下一个氧气瓶的灌装。

上述控制方法的步骤1-步骤3中，单片机A监测蓄电池组37的电量，当蓄电池组37电量已满时，单片机A控制切断发电系统中的风能发电装置34、太阳能发电装置33和氢氧燃料电池8的运行；

所述步骤1-步骤3中，单片机C接收来自氢气储存室10、氧气储存室11之间的气压感应器9和余水储存室39内的水压感应器40的信号，并记录发电系统的蓄电池组37的电量信息，当气压感应器9或水压感应器40所测值达到预设的危险值g时，表明单片机B可能出现故障，单片机系统C开始运行，并取得最高控制权限，立即切断制水系统和制氧系统的供电电路，使制水系统和制氧系统立即停止工作，同时打开氧气储存室11的降压应急阀门14和余水储存室39的放水阀门43，并将氢气储存室10的出气双向阀门7转向大气，从而将超量的气体和淡水排出；当发电系统的蓄电池组37的电量处于满电量状态超过预设时长，单片机系统C开始运行，表明单片机A可能出现故障，并取得最高控制权限，强行停止发电系统的工作。