阅读说明：本技术 水蒸气吸附空气干燥系统和从空气产生液态水的方法 (Water vapor adsorption air drying system and method for producing liquid water from air ) 是由 C.弗里森 M.鲁滨逊 G.弗里森 K.萨卢姆 K.麦吉尼斯 L.梅加奥特加 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：提供了用于产生液态水的系统。在实施例中,该系统包括：热干燥剂单元,其包括位于壳体内的多孔吸湿材料,壳体包括流体入口和流体出口；工作流体,其在从壳体的流体入口流过多孔吸湿材料并到达壳体的流体出口时积聚热量和水蒸气；冷凝器,其包括用于从工作流体冷凝水蒸气的流体入口和流体出口；焓交换单元,其可操作地联接在热干燥剂单元和冷凝器之间,其中焓交换单元在从热干燥剂单元输出的工作流体和输入到热干燥剂单元的工作流体之间传递焓；并且其中焓交换单元在从冷凝器输出的工作流体和输入到冷凝器的工作流体之间传递焓。(A system for producing liquid water is provided. In an embodiment, the system comprises: a thermal desiccant unit comprising a porous hygroscopic material located within a housing, the housing comprising a fluid inlet and a fluid outlet; a working fluid that accumulates heat and water vapor as it flows from a fluid inlet of the housing, through the porous hygroscopic material, and to a fluid outlet of the housing; a condenser comprising a fluid inlet and a fluid outlet for condensing water vapor from the working fluid; an enthalpy exchange unit operatively coupled between the hot desiccant unit and the condenser, wherein the enthalpy exchange unit transfers enthalpy between a working fluid output from the hot desiccant unit and a working fluid input to the hot desiccant unit; and wherein the enthalpy exchange unit transfers enthalpy between the working fluid output from the condenser and the working fluid input to the condenser.)

具体实施方式

本公开包括例如用于从空气产生液态水的系统和方法的实施例。术语“联接”定义为连接，尽管不一定是直接连接，也不一定是机械连接。除非本公开明确要求，否则术语“一”和“一个”定义为一个或多个。术语“基本”定义为大部分但不一定全部指定的内容(且包括指定的内容；例如基本90度包括90度，基本平行包括平行)，如本领域普通技术人员理解。在任何公开的实施例中，术语“基本”和“近似”可被替换为在规定的“[百分比]之内”，其中该百分比可以包括0.1、1、5或10％。此外，以特定方式配置的装置或系统至少以该方式配置，但也可以除了具体描述的方式之外的其他方式配置。

术语“包括”及其各种形式变体、“具有”及其各种形式变体、“含有”及其各种形式变体和“包含”及其各种形式变体是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”、“含有”或“包含”一个或多个元件的设备拥有那些一个或多个元件，但不限于仅拥有那些元件。同样，“包括”、“具有”、“含有”或“包含”一个或多个操作或步骤的方法拥有那些一个或多个操作或步骤，但不限于仅拥有那些一个或多个操作或步骤。

如在本公开中所用，术语“吸着”、“吸附”、“吸收”等可以互换。虽然通常认为吸收是整体现象，而吸附是基于表面的现象，但本公开的吸湿材料、干燥剂和/或吸着介质可以通过吸附、吸收或其组合来捕获水蒸气。

任何设备、系统和方法的任何实施例可以由或基本由(而不是包括/包含/含有/具有)任何所述步骤、元件和/或特征组成。因此，在任何权利要求中，术语“由…组成”或“基本由…组成”可以代替上述任何开放式连接动词，以便改变给定权利要求的范围，而不是使用开放式连接动词。一个实施例的一个或多个特征可以应用于其他实施例或实施方式，即使没有描述或示出，除非本公开或实施例的性质明确禁止。

如下文将详细描述，本公开介绍了通过保持捕获和释放的水蒸气朝向包括热干燥剂单元的闭环系统中的冷凝器的净通量来有效地生产水的各种方法。本文描述的系统和方法有效地提供了连续的驱动力，用于在系统操作期间的任何给定时间将由热干燥剂单元捕获的水释放到工作介质或传递介质，以在冷凝器处冷凝。如本文所述，热干燥剂单元在流动架构中组合工作介质，用于并行生产水蒸气和热量。可以采用被动和/或主动控制方案来保持梯度，从而实现高效的水生产。这些方法中的一些可以包括有意的焓能量交换，以驱动系统条件，其中循环工作介质被驱动以连续地将水移动到冷凝器，系统获得的额外能量进一步向冷凝器释放水蒸气。

与上述实施例相关的一些细节以及其他细节将在下面描述。

图1描绘了用于从包含水蒸气的处理气体(例如环境空气)产生液态水的水产生系统100。水产生系统100包括热干燥剂单元102，其包括壳体104、允许处理气体进入热干燥剂单元102的处理气体入口106和允许处理气体离开热干燥剂单元102的处理气体出口108。为了清楚起见，处理气体流由带有窄虚线的箭头表示。处理气体入口106和/或处理气体出口108可以包括阀或其他流动管理装置，以允许处理气体(例如环境空气)进入热干燥剂单元102，例如在加载时间或加载循环期间，并且可以在其他时间被密封或以其他方式关闭。处理气体入口106和/或处理气体出口108可以构造或配置成通过使用任何期望的静态或主动装置例如分流器、分离器、挡板、流动矫直器和/或歧管来平衡和分配处理气体。系统100还可以包括处理鼓风机或风扇110，以增加或调节进入热干燥剂单元102的环境空气的流量。处理气体的特征在于环境温度Ta和相对湿度RHa。

热干燥剂单元102还包括位于壳体104内的多孔吸湿材料120。多孔吸湿材料120保持在热干燥剂单元102的壳体104内，并且可以配置为例如在加载时间或加载循环期间从处理气体捕获水蒸气。本文使用的术语“多孔”或“多孔性”可以描述流通实施方式，与热干燥剂单元中吸湿材料的溢流或平板实施方式相反。在不脱离本发明范围的情况下，可以采用溢流或平板实施方式。然而，在各种实施例中，流通实施方式允许具有高度渗透的小边界层。换句话说，在各种实施例中，流通实施方式降低了对穿过吸湿材料的蒸气通量的阻力和/或改善了处理气体穿过吸湿材料的大面积的分布，这两种方式中的一种或两种可以导致吸湿材料对水蒸气的捕获得到改善。

多孔吸湿材料120可以进一步配置成吸收热能(例如辐射太阳能热能)并将捕获的水蒸气释放到工作或再生流体中，例如在释放时间或释放循环期间。多孔吸湿材料120可以布置在流动分配器内，比如但不限于网格结构、顶部和底部刚性多孔板、波纹间流体通道和/或织物和纤维网，以维持背压并分配流动。工作流体可以是气体，例如空气，其在图1中由实心粗箭头指示的工作气体流动路径中流通通过系统100。工作流体可以是气体，例如空气。工作气体流动路径可以基本是闭环的，并且可以包括以下流动段：热干燥剂单元102内的第一工作流动路径段、从热干燥剂单元102到冷凝器130的第二工作流体路径段142、冷凝器130内的第三工作流动路径段以及从冷凝器130到热干燥剂单元102的第四工作流体路径段144。

多孔吸湿材料120可以作为一个或多个层状结构、吸湿颗粒或珠的填充床或基本连续或整体结构来提供。多孔吸湿材料120可以包括一种或多种光吸收或光活化吸湿材料。在一示例中，吸湿颗粒可以通过粘合剂聚集或分散在高表面积基质或支撑介质中。吸湿材料和/或支撑介质(如果存在)可被选择成最小化太阳辐射的反射和/或改善热能的吸收或传导。例如，吸湿材料和/或支撑介质(如果存在)可以是深色或黑色。在一些实施例中，吸湿材料可以与材料或结构混合、组合和/或嵌入，以有效地吸收和/或传递热量。例如，吸湿材料可以分散在导热率大于50W/mK的金属结构周围。在其他实施例中，吸湿材料是容纳在热干燥剂单元内的自支撑结构。在一示例中，选择多孔吸湿材料以吸收其自身质量的50-300％作为水蒸气。

本系统的吸湿材料、吸着介质或干燥剂(例如120)可以包括任何所需配置的任何所需介质(例如使得吸湿材料、干燥剂或吸着介质能够吸附和解吸水)。吸湿材料和吸着介质的以下描述仅作为示例提供。在一些实施方式中，吸湿材料能够在第一温度、相对湿度和/或压力下吸着，并在第二温度、相对湿度和/或压力下解吸。吸湿材料可被提供为液体、固体和/或其组合。吸湿材料可被提供为浸渍有吸湿材料的多孔固体。例如，吸湿材料可以包括以下中的一种或多种材料：二氧化硅、硅胶、氧化铝、氧化铝凝胶、蒙脱土、沸石、分子筛、金属-有机框架、活性炭、金属氧化物、锂盐、钙盐、钾盐、钠盐、镁盐、磷酸盐、有机盐、金属盐、甘油、乙二醇、亲水聚合物、多元醇、聚丙烯纤维、纤维素纤维、其衍生物及其组合。然而，吸湿材料是适用于热干燥剂单元的任何介质。在一些实施例中，可以选择和/或配置吸湿材料以避免吸着某些分子(例如当被人或其他生物体消耗、接触和/或暴露于人体或其他生物体时可能有毒或有害的那些分子)。本文使用的术语“吸着”是指吸收、吸附或其组合。

在各种实施例中，热干燥剂单元102包括光伏(PV)面板。光伏面板可以由一个或多个光伏电池构成。光伏面板可以大致邻近多孔吸湿材料120设置。光伏面板可以大致平行于多孔吸湿材料120设置。光伏面板可以设置在壳体104内。然而，光伏面板可以设置在热干燥剂单元102的任何部分、层和/或材料中和/或上，适于通过光伏面板产生电能和/或向多孔吸湿材料120传递热量。在各种实施例中，由光伏面板产生的电能被水产生系统100利用来为其电气部件供电，包括风扇、泵、鼓风机、阀、控制器、电池或电池系统，以及水产生系统100的任何其他部件。

在各种实施例中，光伏面板产生热量和/或将产生的热量释放到多孔吸湿材料120或热干燥剂单元102的其他部件。该热量可以由光伏面板上的直接太阳辐照和/或由光伏过程的低效率释放的热量产生。在各种实施例中，光伏面板产生的热量改善了在释放时间或释放循环期间水蒸气从多孔吸湿材料120的释放。在图13中，在包括光伏(PV)面板的测试系统和缺少光伏(PV)面板的测试系统中比较了最大水生产和系统效率。最大水生产速率是从系统加载到多孔吸湿材料上的指定RH，并在一段时间内经受7000Whr/m²的太阳辐射时测量的。如本文所用，系统效率是指产生的总水与入射到多孔吸湿材料和光伏(PV)面板的活性区域上的总太阳辐照的等效能量。如图13所示，包括光伏(PV)面板的水产生系统可以配置用于增加水生产和/或系统效率。

热干燥剂单元102包括允许工作流体进入热干燥剂单元102的工作流体入口112和允许工作流体离开热干燥剂单元102的工作流体出口114。工作流体入口112和/或工作流体出口114可以包括允许工作流体气体进入热干燥剂单元102的阀或其他流动管理装置，例如在释放时间或释放循环期间，并且可以在其他时间被密封或以其他方式关闭。系统100还可以包括一个或多个工作流体鼓风机或风扇116，以增加或调节进入热干燥剂单元102的工作流体的流量。在释放时间期间，工作流体在从流体入口112流过多孔吸湿材料120并到达流体出口114时可以积聚热量和水蒸气。在各种实施例中，热干燥剂单元102可以包括用于处理和/或工作流体进出热干燥剂壳体的任何期望数量的流体入口和流体出口。在各种实施例中，热干燥剂单元可以包括用于处理和/或工作流体的任何期望的流体路径或路由方法，通过热干燥剂壳体内部和/或外部的任何期望的结构或机构，但不限于分流器和/或入口和出口歧管。

在各种实施例中，可以最小化和/或减少风扇和/或鼓风机的数量，以降低成本、维护和/或其他复杂性。例如，可以提供单个风扇来代替如图1所示的风扇110和116，并且可以使用任何期望的阀(例如一个或多个三通阀)和/或其他气动或流体路由装置来改变处理和工作流体之间的操作流动。

如图1所示，水产生系统100还可以包括冷凝器130，用于冷凝来自工作流体的水蒸气，工作流体可以在冷凝器入口132进入冷凝器130，并通过冷凝器出口134离开。冷凝器130配置成接收工作流体路径中的工作流体，并从接收的流体生产液态水(例如通过冷凝工作流体路径中的流体中的水蒸气)。本公开的冷凝器可以包括任何合适的材料，并且可以配置成任何期望的配置(例如将工作流体中的水蒸气有效地冷凝成液态水)。例如，合适的冷凝器可以包括聚合物、金属等。冷凝器可以包括盘管、翅片、板、曲折通道等。在一些实施方式中，冷凝器130可以在有或没有风扇或鼓风机的帮助下由环境空气路径136中的环境空气冷却。为了清楚起见，环境空气路径由带有宽虚线的箭头表示。在一示例中，鼓风机或风扇110可以配置或改换意图为在释放时间或释放循环期间经由环境空气路径136向冷凝器130提供冷却空气。冷凝器可以配置成将热能从热干燥剂单元下游的工作流体传递到环境空气路径136中的空气(例如使得环境空气路径136中的空气有助于冷凝器130的冷却)。在各种实施例中，冷凝器130可以由主动冷却装置辅助，例如但不限于蒸气压缩循环、热电装置和/或热再流通泵送流体。

水产生系统100可以还包括焓交换单元140，其可操作地联接在热干燥剂单元102和冷凝器130之间。焓交换单元140可以在第二工作流体路径段142和第四工作流体路径段144中的工作流体之间交换显能(即热量)和/或潜能(即水分)。在各种实施例中，焓交换单元140可以在从热干燥剂单元102输出的工作流体和输入到热干燥剂单元102的工作流体之间传递焓。在各种实施例中，焓交换单元140可以在从冷凝器130输出的工作流体和输入到冷凝器130的工作流体之间传递焓。焓交换单元140能够回收用于系统100的有效操作的显能和/或潜能。在各种实施例中，焓交换单元140可以将热量从具有较高温度值的工作流体流传递到具有较低温度值的工作流体流。在各种实施例中，焓交换单元140可以将水蒸气从具有较高水蒸气压力的工作流体流传递到具有较低水蒸气压力的工作流体流。

在各种实施例中，焓交换单元140配置成将水分从工作流体的第一部分(例如设置在第二工作流体路径段142中的工作流体)传递到工作流体的进入冷凝器入口132的第二部分。在各种实施例中，焓交换单元140配置成将热量从工作流体的第三部分(例如设置在第四工作流体路径段144中的工作流体)传递到工作流体的进入工作流体入口112的第四部分。

焓交换单元140可以是被动显热传递单元(例如热交换器)、被动潜热传递单元(例如蒸气传递膜)、被动总热(即显热和潜热)传递单元(例如旋转干燥剂轮)或主动热传递单元(制冷单元、蒸气压缩循环单元)。在一些实施方式中，热能(即显能)和水分能量(即潜能)都由焓交换单元140交换。在其他实施方式中，仅交换显热，例如用常规的热交换器。显热可以通过焓交换单元140以一个或多个工作流体路径段之间的温度差的形式传递。潜热可以通过焓交换单元140以不同工作流体路径段之间的湿度差的形式传递。在一些实施方式中，焓交换单元140可以包括多个子单元，例如单独的热交换子单元和水分交换子单元，和/或多个热和/或水分交换子单元。

系统100包括控制器160，其配置成控制系统100，以保持由工作气体传递到冷凝器130的水蒸气的净通量，从而最大化冷凝器130处液态水的生产。控制器160可以通过优化或调节焓交换单元140的交换速率(例如通过调节旋转干燥剂的旋转速率)、工作流体路径中的工作流体的流量(例如通过风扇116)或其组合来最大化冷凝器130处液态水的生产。如本文所用，术语“交换速率”或“焓交换速率”表示能量变化速率，并且在本文中可互换地用于指焓交换单元中的热交换速率、水生产速率和/或温度变化速率，并且可以瓦和/或千克/小时为单位来描述。

控制系统可以基于当前或预测的环境条件(例如太阳日照、环境温度、环境湿度)、当前或预测的系统特性(例如工作流体温度、工作流体湿度、系统的吸湿材料的含水量)而在日循环中动态地最大化液态水的生产。控制系统可以使用一组传感器、机载确定性和/或机器学习算法、关于水蒸气热力学的信息、关于吸湿材料性质的信息、关于生产的液态水量的信息、关于由热干燥剂单元保留的水蒸气量的信息和/或可以在控制器中合成以优化冷凝器处的水生产的其他因素。

可以采用各种方法来控制或最大化由系统100通过将在加载期间由吸湿材料120捕获的水蒸气驱动到在释放时间期间工作流体中的蒸气压饱和的水生产速率。换句话说，系统100可被控制和/或配置成最大化冷凝器入口132处和/或附近和/或冷凝器130中的工作流体的相对湿度。控制器160可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、吸湿材料120中存在的水量、经过的时间、用户输入等来操作系统100以改变焓交换单元140的交换速率。例如，在低太阳通量的条件下，控制器可以降低工作流体流量，从而提高工作流体的温度和水蒸气从多孔吸湿材料解吸的速率。例如，在某些条件下，焓交换单元140的交换速率的增加可以增加冷凝器入口132和/或冷凝器130中的工作流体的相对湿度。

控制器160可以基于以下中的一个或多个来操作系统100：用户选择、从一个或多个传感器接收的数据、预测条件、程序控制和/或任何其他期望的基础。控制器160可以与用于感测数据信息的外围设备(包括传感器)、用于存储数据信息的数据收集部件和/或用于传送与系统操作有关的数据信息的通信部件相关。控制器160的输入可被测量，因为它们在由一个或多个传感器捕获的数据中被指示。在一示例中，控制器160可以基于存储在控制器上的参数查找表设定处理气体流量、工作流体流量或流通速率、焓交换速率(例如通过调节旋转干燥剂的旋转速率)、加载和释放时间之间的转换。在又一示例中，控制器可以自调节处理气体流量、焓交换速率、加载/释放转换时间，并监测水生产信号，以努力自示教或学习最佳设定点。

控制器160可被编程或配置为基于一个或多个输入的测量来优化液态水生产(例如使得控制器160可以基于当前或预期的环境和系统条件来优化液态水的产生)，包括但不限于外部条件，如环境空气温度、环境压力、环境空气相对湿度、太阳日照、太阳通量、天气预报、一天中的时间等。此外，控制器160可被编程或配置为基于与系统操作参数(如工作流体温度、工作流体压力、工作流体相对湿度、工作流体水蒸气分压、冷凝器排放温度、液态水生产速率、液态水生产量、液态水使用率、液态水质量等)有关的输入来优化液态水生产。

在加载时间期间，进入热干燥剂单元102的处理气体(例如环境空气)的流量可以由与风扇110有线或无线通信的控制器160来改变。在释放时间期间，与风扇110有线或无线通信的控制器160可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、吸湿材料120中存在的水量、经过的时间或其组合来改变工作流体的流量。在释放时间期间，与焓交换单元140有线或无线通信的控制器160可以基于基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体温度、工作流体相对湿度、吸湿材料120中存在的水量、经过的时间或其组合的输入变量来改变焓交换速率。在焓交换单元是旋转干燥剂轮的一特定实施方式中，可以通过改变旋转干燥剂轮的旋转速率来改变焓交换速率。

系统100可以包括远程信息处理单元162(例如发射器、接收器、转发器、转换器、中继器、收发器等)，以经由有线和/或无线接口向和/或从系统100(例如控制器160)传送操作参数和/或数据。在一示例中，无线通信可以符合标准化的通信协议，例如GSM、以相对低速率运行的SMS组件(例如每隔几分钟运行一次)、可以在地理上指定的协议等。

系统100可以包括指示器(例如灯，比如LED)，其可以配置为提供关于系统操作的信息。例如，在一些实施例中，指示器灯可以配置成提供系统正在运行、太阳能或日照可用、建议维护、或者部件已经失效和/或正在失效等信息(例如视觉上，例如向用户)。任何期望的信息(包括上面参考指示器描述的信息)可以通过通信网络传输(例如单独地和/或除任何指示器的操作之外)。

在各种实施例中，系统100可以包括或与一个或多个能量产生和/或存储系统(例如光伏面板、电池等)相关。例如，系统100可以包括电池系统，用于存储在白天收集的能量(例如通过光伏面板)和在非太阳时间利用。系统100可以采用任何用于辅助部件或其他方面的理想能源，包括但不限于太阳能、辅助设备、AC/DC等。

图1-3和5-8示出了水产生系统和相关部件的一些实施方式。除非下面另有说明，否则用于表示图2-3和5-8中的部件的数字指示符类似于用于表示上面图1中的部件或特征的数字指示符，除了索引已经增加了100。

图2描绘了包括热干燥剂单元202、冷凝器230和焓交换单元240的水产生系统200。系统200还包括具有吸湿材料的辅助干燥剂单元250，吸湿材料可以在辅助干燥剂单元250的吸附区252和解吸区254之间转换。在一方法中，热干燥剂单元202的吸湿材料220不同于辅助干燥剂单元250的吸湿材料。例如，热干燥剂单元和辅助干燥剂单元的吸湿材料可以基于吸水质量百分比、吸水和释放速率(在某些情况下作为暴露湿度和温度的函数)、吸水和释放速率作为空气流量的函数等而变化。在一非限制性示例中，热干燥剂单元202中的吸湿材料比辅助干燥剂单元250中的吸湿材料具有更高的吸水能力。在另一非限制性示例中，辅助干燥剂单元250中的吸湿材料比热干燥剂单元202中的吸湿材料具有更高的吸水或释放速率。

在一实施方式中，辅助干燥剂单元是旋转干燥剂，其中吸湿材料被提供为在处理气体和工作气体流之间旋转的吸湿轮。在一操作示例中，辅助干燥剂单元可以在释放时间或循环期间是活动的(例如旋转的)，而在加载时间或循环期间是非活动的或空闲的。在吸附区252中，处理气体(例如环境空气)256可以流过辅助干燥剂单元250的吸附区252中的吸湿材料。在吸附区252中，吸湿材料可以从处理气体256中捕获水蒸气。系统200还可以包括处理鼓风机或风扇258，以增加或调节处理气体256进入辅助干燥剂单元250的吸附区252的流量。在一实施方式中，处理气体可以在流经辅助干燥剂单元250之后排放到周围环境中。在另一实施方式中，离开辅助干燥剂单元250的吸附区252的处理气体236可被引导至冷凝器230，以从冷凝器移除热量，从而提高冷却能力，并由此提高冷凝器230的液态水产生速率。在又一实施方式中，该系统可以具有风扇，其配置成调节穿过冷凝器的直接空气流的流量。在一实施方式中，风扇或鼓风机210和258可以是相同的部件，它们的功能是提供通过处理气体入口206和/或进入经由控制阀和流体路径激活的辅助干燥剂单元250的处理气体(例如环境空气)。

在解吸区254中，辅助干燥剂单元250的吸湿材料可以向热干燥剂单元202之后并在冷凝器230之前的工作流体释放水。如图2所示，辅助干燥剂单元250可定位成使得解吸区254中的吸湿材料在焓交换单元240和冷凝器230之前向从热干燥剂单元214输出的工作流体释放水。然而，应理解，一个或多个辅助干燥剂单元可以沿着工作流体路径242、244定位在不同的位置。

在加载时间期间，进入热干燥剂单元202的处理气体(例如环境空气)的流量可以由与风扇210有线或无线通信的控制器260来改变。在释放时间期间，与风扇210有线或无线通信的控制器260可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、吸湿材料220中存在的水量、辅助干燥剂单元250的吸湿材料中存在的水量、经过的时间或其组合来改变工作流体的流量。在释放时间期间，与焓交换单元240有线或无线通信的控制器260可以基于基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、吸湿材料中存在的水量、经过的时间或其组合的输入变量来改变焓交换速率(例如通过调节旋转干燥剂转轮的旋转速率)。此外，第二吸湿材料在辅助干燥剂单元250的吸附区和解吸区之间的移动速率(例如旋转干燥剂轮的旋转速率)可以变化，以在释放时间或释放循环期间最大化冷凝器230的水生产速率。吸湿材料在辅助干燥剂单元250的吸附区252和解吸区254之间的移动速率可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、吸湿材料220或250中存在的水量、经过的时间或其组合。在一示例中，可以控制辅助干燥剂单元250的交换速率，使得工作流体路径214的温度和相对湿度，加上在吸附区252处加载的水蒸气量，导致进入工作流体路径242的净水蒸气增加。

在图1的水产生系统100中，引入系统或由其捕获的水量(用于通过工作流体传递到冷凝器以冷凝成液态水)可以是在加载时间期间(例如夜间)由热干燥剂单元捕获的水量。在图2的系统200的操作中，除了由热干燥剂单元202捕获的水量之外，在释放时间(例如白天)期间，可以将额外水量引入系统或由辅助干燥剂单元250捕获。由辅助干燥剂单元250引入系统200的额外水量可由控制器基于实际/预期的环境条件、工作气体特性(例如温度、相对湿度)和/或热干燥剂单元中的水量而全天连续捕获、全天间歇捕获或在一个或多个白天/夜晚循环中间歇捕获。在系统100中，水吸附和释放介质可能不独立于系统的热源，即热干燥剂单元。在系统200中，辅助干燥剂单元可以相对独立于热源。这样，系统200可以为控制器提供额外自由度，以优化冷凝器处的水产生。在说明性示例中，当工作气体的相对湿度低于预定值时，控制器可以激活辅助干燥剂单元，并且当工作气体的相对湿度高于预定值时，控制器可以去激活辅助干燥剂单元，以连续增加工作流体中朝向冷凝器的水蒸气的净通量。

在各种实施方式中，热干燥剂单元可被提供为太阳能热干燥剂单元，其通过将来自太阳光的能量传递到流过太阳能热干燥剂单元的工作流体来将太阳日照转换成热能。在至少一些示例中，本技术的太阳能热干燥剂单元可以配置成使得工作流体沿着从热干燥剂单元的入口到出口的一个或多个流动路径流动。

图3描绘了示例性太阳能热干燥剂单元，其包括透明覆盖层305(例如玻璃)，该透明覆盖层305配置成允许太阳辐射进入热干燥剂壳体304的内部。太阳能热干燥剂单元302可以包括透明覆盖层和多孔吸湿材料之间的一个或多个填隙层(例如类似于透明覆盖层305的填隙层)。太阳能热干燥剂单元的一个或多个填隙层和/或透明覆盖层可以包括光伏材料、一个或多个光伏电池和/或光伏(PV)面板。

在各种实施例中，太阳能热干燥剂单元302包括光伏(PV)面板306。光伏面板306可以大致邻近填隙层307设置。光伏面板306可以大致平行于填隙层307设置。然而，光伏面板306可以设置在太阳能热干燥剂单元302的任何部分、层和/或材料中和/或上，该太阳能热干燥剂单元302适于通过光伏面板产生电能和/或将热量传递到包括多孔吸湿材料320a、320b的层。

如图3所示，工作流体可以从流体入口312沿着透明覆盖层305和填隙层307流动，然后穿过包括多孔吸湿材料320a、320b的层，使得工作流体在流体出口314处离开太阳能热干燥剂单元302之前从透明覆盖层305下方的填隙层307收集热量，并从多孔吸湿材料320a、320b收集水和热量。图3的太阳能热干燥剂单元包括分流设计，其包括设置成两层并具有两个流体流动路径的多孔吸湿材料320a、320b；然而，根据本文所述的实施例，可以在热干燥剂单元内采用额外的流体路径或单个流体流动路径。

对于水产生，热干燥剂单元可以配置成可操作地改善加载时间期间处理流体与吸湿材料的相互作用和/或释放时间期间工作流体与吸湿材料的相互作用。图4描绘了示例性热干燥剂单元的加载操作的示例性数据。在各种实施例中，速度或流动通量(即以立方英尺/分钟(CFM)为单位的热干燥剂单元的每单位面积的处理空气的流量)的增加减少了将热干燥剂单元中的吸湿材料加载到期望的吸水量(例如吸水质量百分比)所需的时间量。通过利用这种吸水行为，本文所述的热干燥剂单元可以配置成通过经由热干燥剂单元配置和操作保持通过热干燥剂单元的捕获和释放的水蒸气的高通量来实现高效的水生产。这种方法将在下面的示例中描述。

图5和图6描绘了包括流动架构的热干燥剂单元，以1)在加载时间期间增加处理流体的流动通量，以及2)在释放时间期间经由工作流体将吸收的太阳热从热干燥剂单元的上部有效地传输到热干燥剂单元的下部。根据用于吸收和释放操作的有利流动路径，热干燥剂单元内的吸湿材料可配置在一个或多个流动分离器、分配器、分段层和/或段的周围和/或之内，从而最大化水产生。

图5描绘了热干燥剂单元502，其包括分隔或分段的流动架构，以经由基本或总体上从上到下的流动路径改善工作流体和吸湿材料之间的相互作用和/或水传递，其中从热干燥剂单元的顶部吸收的热量被传递到热干燥剂单元的下部的吸湿材料。在各种实施例中，热干燥剂单元502包括太阳能热干燥剂单元，并且从热干燥剂单元的顶部吸收的热量的至少一部分包括太阳热。在各种实施例中，热干燥剂单元502还包括光伏面板，并且从热干燥剂单元的顶部吸收的热量的至少一部分包括由光伏面板产生的热量。

如图5所示，工作流体从流体入口512a和512b沿着上部505流动(以实线箭头所示的路径)以收集热量，然后流到由挡板或静态分离器509限定的下分段部或层507a和507b，以在从下分段流体出口514a和514b处离开热干燥剂单元502之前从层507a和507b的分段吸湿多孔体收集水和热量。这样，工作流体通过热干燥剂单元有效地传输吸收的太阳热，以在释放时间期间最大化从吸湿材料吸收的水。

在各种实施例中，热干燥剂单元中的吸湿材料、热干燥剂单元502的流动架构配置成通过将细分区域(例如507a、507b)连续暴露于相同的处理流体流量来改善处理流体与吸湿材料的相互作用，从而在加载时间期间增加处理流体的流动通量。如图5所示，包含水蒸气的处理流体通过入口512c进入热干燥剂单元502，并在分离器509下方流过(以虚线描绘的路径)下分段部或层507a、507b，以在流体出口514c处离开热干燥剂单元502之前将水沉积在吸湿多孔体部分中。图5描绘了单个分离器，然而，可以提供任何期望数量和配置的流体入口、流体出口、分离器或其他流动引导装置、结构或装置，以在高处理气体通量下改善处理气体与吸湿材料的相互作用。例如，可以提供热干燥剂单元的各种配置，以保持通过吸湿吸收器的处理气体流量优选大于50CFM/m2、大于100CFM/m2、大于200CFM/m2、大于300CFM/m2或大于400CFM/m2。

图5所示的热干燥剂单元502描绘了相对于处理流体路径近似垂直地(即以约90度的角度)被引入热干燥剂单元的工作流体路径，并且描绘了单个分离器509，以保持工作流体的期望的自上而下的流动，然而可以提供任何期望的配置(例如间隔、放置、相对角度等)和/或多个流体入口、流体出口、分离器或其他流动引导装置、结构或装置，以限定用于加载和释放操作的热干燥剂单元中的处理和工作流体流动路径。此外，可以采用各种流动方法，包括吸湿材料的流通吸湿体实施方式、溢流或平板实施方式，以及它们的组合或衍生物。此外，吸湿材料可以相对于流动引导装置、结构或分配器以各种方式配置，例如但不限于网格结构、刚性多孔板、波纹间流体通道和/或织物和纤维网，以维持背压并分配流动。

作为另一示例，图6描绘了热干燥剂单元602，其包括分隔或分段流动架构，以改善处理和/或工作流体与吸湿材料之间的相互作用和/或水传递。处理流体和工作流体共享通过吸湿吸收器620a和620b之间的分离器609a和609b限定的同一流动路径的至少一部分(如由细虚线所示)。共享流动路径可以实现工作流体通过吸收器620a和620b中的多孔吸湿材料的主要自上而下的流动方向，同时还实现通过吸湿吸收器620a和620b的高处理流动通量。

在各种实施例中，热干燥剂单元602包括太阳能热干燥剂单元。在各种实施例中，热干燥剂单元602包括光伏(PV)面板606。光伏面板606可以设置成大致平行于覆盖层605。然而，光伏面板306可以设置在热干燥剂单元602的任何部分、层和/或材料中和/或上，适于通过光伏面板产生电能和/或向吸收器620a和620b传递热量。

如图6所示，工作流体从流体入口612a沿着收集热量的覆盖层605流动(在由连续和细虚线指示的路径中)，然后在由分离器609a和609b限定的路径中流过下部分段吸湿吸收器620a和620b，以在下流体出口614a处离开热干燥剂单元602之前从吸湿吸收器620a和620b收集水和热量。这样，工作流体通过热干燥剂单元有效地传输吸收的太阳热，以在释放时间期间最大化从吸湿材料中吸收的水。

热干燥剂单元602的流动架构还通过将细分吸收器620a和620b连续暴露于相同的处理流体流量来改善处理流体的相互作用或水交换，从而在加载时间期间增加处理流体的流动通量。如图6所示，包含水蒸气的处理流体通过入口612b进入热干燥剂单元602，并流过分段吸湿部分620a和620b(在由粗虚线和细虚线表示的路径中)，以便在流体出口614b处离开热干燥剂单元602之前将水沉积在吸湿材料中。

在图6的示例中，描绘了多个流体入口和出口，然而可以使用任何期望的数量或配置，例如与任何期望的阀或流体路由装置相关，以管理处理和工作流体之间的流动。为了最小化复杂性、维护、泄漏和/或成本，可以使用更少或简化的风扇、鼓风机、致动器和其他流体路由装置。

在一些实施方式中，水产生系统可以包括可操作地联接在热干燥剂单元和冷凝器之间的多个焓交换单元。如图7所示，水产生系统700可以包括热干燥剂单元702和冷凝器730之间的焓交换单元740a和焓交换单元740b。焓交换单元740a在从热干燥剂单元702直接输入和输出的工作流体之间传递焓。焓交换单元740b在从冷凝器730直接输入和输出的工作流体之间传递焓。

水产生系统中的每个焓交换单元可以具有不同的焓交换特性，导致在工作流体流动段之间传递的显热和/或潜热的量不同。例如，焓交换单元740a和焓交换单元740b可以包括不同的吸湿材料。在另一示例中，焓交换单元740a可以比焓交换单元740b传递更大量的显热。在另一示例中，焓交换单元540b比焓交换单元740a传递更大量的潜热。在另外的示例中，焓交换单元740a可以配置成具有较高的水蒸气吸附和解吸速率，而焓交换单元740b可以配置成具有较低的水蒸气吸附和解吸速率。

图8描绘了包括热干燥剂单元802、冷凝器830和焓交换单元840的水产生系统800。系统800可以还包括辅助或批量干燥剂单元870，其包括批量吸湿材料。批量吸湿材料可以从热干燥剂单元802之前的工作流体捕获水蒸气。批量干燥剂单元870可以从工作流体收集在循环早期未被冷凝器830冷凝的残留水蒸气。批量干燥剂单元870的吸湿材料在一部分释放时间后可能饱和(即停止收集水蒸气)；然而，当工作流体的条件改变时(例如，如果冷凝器出口834和热干燥剂单元入口812之间的工作流体的温度太热或者水分含量对于饱和太干)，批量干燥剂会释放水蒸气回到再流通工作流体中。

在一实施例中，热干燥剂单元802的吸湿材料820不同于批量干燥剂单元870的吸湿材料。例如，热干燥剂单元和批量干燥剂单元的吸湿材料可以基于吸水质量百分比、吸水和释放速率(在某些情况下作为暴露湿度和温度的函数)、吸水和释放速率作为空气流量的函数等而变化。

如图8的示例中所示，批量干燥剂单元可被提供来捕获冷凝器和热干燥剂单元之间的工作流体路径中的水蒸气。这可能是有利的，因为批量干燥剂单元可以通过吸附从热干燥剂单元释放的过量水蒸气来调节释放时间期间工作流体的水蒸气含量。此外，批量干燥剂单元可以通过在热干燥剂最少或没有向工作流体释放水蒸气的条件下解吸水蒸气来调节释放时间期间工作流体的水蒸气含量。这样，批量干燥剂单元可以作为系统的补充水源。

本公开还提供了利用热干燥剂单元产生水的方法或过程。参考图9，示出了根据本公开实施例的操作水产生系统的方法的流程图。在操作902，例如在加载时间期间(例如夜间)，处理气体可以流过包括多孔吸湿材料的热干燥剂单元。在操作902，热干燥剂单元中的多孔吸湿材料可以从处理气体捕获水蒸气。在904，方法可以包括从加载时间转换到释放时间(例如白天)。在一示例中，方法包括监测环境条件(例如太阳通量、相对湿度、温度)和/或水产生系统中实际或估计的水量(例如在热干燥剂单元中加载吸湿材料的等效相对湿度)，并且基于监测或估计的数据，从加载时间转换到释放时间。

如流程图900所示，该方法可以包括在操作906的释放时间期间使工作流体流过包含多孔吸湿材料的热干燥剂单元。在操作906，工作流体可以在流过热干燥剂单元的同时积聚热量和水蒸气。在操作908，该方法可以包括在释放时间期间通过冷凝器将来自工作流体的水蒸气冷凝成液态水。

在操作910，在释放时间期间，焓可以通过焓交换单元在工作流体路径之间传递或交换。在操作910，焓交换速率可以基于以下中的一个或多个来改变：用户选择、从一个或多个传感器接收的数据(例如与一个或多个环境条件相关的数据、与工作流体含水量相关的数据、热干燥剂单元中的含水量等)、预测条件、程序控制、算法和/或任何其他期望的基础。在一示例中，该方法包括连续监测环境条件(例如太阳通量、相对湿度、温度)和/或工作流体或热干燥剂单元中的实际或估计水量，并且基于监测或估计的数据。

在操作912，该方法可以还包括从加载时间转换到释放时间。在操作914，可以重复或循环该过程。加载时间和释放时间之间的转换可以基于以下中的一个或多个：用户选择、从一个或多个传感器接收的数据(例如与一个或多个环境条件相关的数据、与工作流体含水量相关的数据、热干燥剂单元中的含水量等)、预测条件、程序控制、算法和/或任何其他期望的基础。在一示例中，该方法包括连续监测环境条件(例如太阳通量、相对湿度、温度)和/或工作流体或热干燥剂单元中的实际或估计水量，并且基于监测或估计的数据，从加载时间转换到释放时间。

图9-11示出了操作包括热干燥剂单元的水产生系统的各种方法。除非下面另有说明，用于表示图10-11中的操作的数字指示符类似于用于表示上面图9中的操作或特征的数字指示符，除了索引已经增加了100。

参考图10，示出了根据本公开实施例的操作水产生系统的方法的流程图1000。在操作1002，处理气体可以在加载时间期间流过包含多孔吸湿材料的热干燥剂单元。在操作1004，系统可以转换到释放时间，并且在1006，工作流体流过热干燥剂单元。在操作1008，水蒸气可以从工作流体冷凝成液态水，并且在操作1010，在释放时间期间，焓可以在工作流体路径之间交换。

在流程图1000的操作1011，该方法可以包括通过改变第一焓交换单元的交换速率、工作流体的流量、处理气体的流量或其组合来最大化冷凝器的液态水生产(例如实际或估计的水生产速率、在释放时间期间生产的水总量等)。例如，控制器可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、热干燥剂单元中的吸湿材料中存在的水量、经过的时间、用户选择、预定程序或其组合来改变工作流体的焓交换速率和/或流量。作为另一示例，控制器可以改变工作流体的焓交换速率和/或流量，以保持朝向冷凝器的水蒸气净通量的增加。在操作1012，该方法可以还包括从加载时间和释放时间转换。在操作1014，可以重复或循环该过程。

在包括具有吸附区和解吸区的辅助干燥剂单元的系统中，该方法还可以包括在吸附区和解吸区之间移动辅助干燥剂单元中的吸湿材料。参考图11，流程图1100描绘了根据各种实施例的操作包括辅助干燥剂单元的水产生系统的方法。在操作1102，处理气体可以在加载时间期间流过包含多孔吸湿材料的热干燥剂单元。在操作1104，系统可以转换到释放时间，并且工作流体在操作1106流过热干燥剂单元。

如流程图1100所示，该方法可以包括在操作1107的释放时间期间使处理气体流过辅助干燥剂单元的吸附区中的吸湿材料。在吸附区中，辅助吸湿材料可以从处理气体中捕获水蒸气，并且在解吸区中，辅助吸湿材料可以向工作流体流释放水。在1108，水蒸气可以从工作流体冷凝成液态水，并且在操作1110，在释放时间期间，焓可以在工作流体路径之间交换。

在操作1111，该方法可以包括通过改变第一焓交换单元的交换速率、工作流体的流量、辅助吸湿材料在吸附区和解吸区之间的移动速率或其组合来最大化冷凝器的液态水生产(例如实际或估计的水生产速率、在释放时间期间生产的水的总量等)。例如，控制器可以基于环境太阳通量、环境温度、环境相对湿度、工作流体的温度、工作流体的相对湿度、热干燥剂单元中的吸湿材料中存在的水量、辅助干燥剂单元中的吸湿材料中存在的水量、经过的时间、用户选择、预定程序或其组合来改变焓交换速率、工作流体的流量和/或辅助吸湿材料在吸附区和解吸区之间的移动速率。在操作1112，系统可以从加载时间转换到释放时间。在操作1114，可以重复或循环该过程。

图12A-12F示出了在包括太阳日照(图12A)的释放循环期间热干燥剂单元的对时间的绘制数据；比湿度(图12B)；通过热干燥剂单元的工作流体流量(图12C)；通过总功率、显功率和潜功率计算的热干燥剂单元功率(图12D)；入口温度和出口温度(图12E)；以及由热干燥剂单元去除或产生的水(图12F)。在之前的加载循环中，热干燥剂单元加载有来自处理气体的水(例如相当于83％RH)。在时间11:00h，加载的热干燥剂单元暴露于太阳热辐射和工作流体流。从热干燥剂单元提取的总功率(显热和潜热之和)如图12D所示，从热干燥剂单元输出的水量如图12F所示，接近2升水。

图14示出了比较各种水产生系统的系统效率和比较各种水产生系统的热损失的绘图数据，每个作为相对湿度的函数。这些图将现有技术中已知的系统(即没有干燥剂或设置在热干燥剂单元中的多孔吸湿材料的非干燥剂太阳能热单元)与本公开的两个实施例进行了比较，每个实施例在热干燥剂单元中包括多孔吸湿材料，并且其中一个实施例还包括焓交换单元，每个都根据各种实施例。系统效率和热损失从系统被加载到指定的相对湿度并在25℃下经受1000Whr/m²的太阳辐照一段时间开始测量。图14示出了非干燥剂太阳能热单元中的热损失高于包括热干燥剂单元和/或焓交换单元的公开实施例。相比之下，包括如本文所述的热干燥剂单元的实施例具有较低的热损失，因为系统的蒸发功随着水生产而捕获潜能。包括焓交换单元的实施例可以提高进入热干燥剂单元的工作流体的温度和/或降低其水分含量，从而提高热干燥剂单元的效率。

以上说明书和示例提供了说明性实施例的结构和使用的完整描述。尽管上面已经以一定程度的特殊性或者参考一个或多个单独的实施例描述了某些实施例，但本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施例进行多种改变。因此，方法和系统的各种说明性实施例并不旨在局限于所公开的特定形式。相反，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示的实施例之外的实施例可以包括所描绘的实施例的一些或全部特征。例如，元件可被省略或组合成单一结构，和/或连接可被替代。此外，在适当的情况下，上述任何示例的方面可以与所描述的任何其他示例的方面相结合，以形成具有可比较的或不同的属性和/或功能的进一步示例，并解决相同或不同的问题。类似地，应当理解，上述益处和优点可以涉及一个实施例或者可以涉及多个实施例。

权利要求不旨在包括也不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于…装置”或“用于…步骤”明确地陈述了这种限制。本文使用的术语“基本”旨在包含微小的偏差，而不是定义精确的值。