被动式露水收集中的自动擦拭效果

《Agricultural and Forest Meteorology》：Automatic wiping effect on passive dew collection

自动擦拭系统通过清除表面附着露珠提升被动露水收集器（PDCs）效率，在沙化处理的PDCs上实现70.1%的增产，同时改变露珠形成动态和表面微结构。

　　### 中文解读：自动擦拭对被动露水收集器性能的影响

在面对全球水资源短缺的严峻挑战时，开发高效的露水收集技术成为解决这一问题的重要手段之一。露水是一种广泛存在于大气中的潜在水资源，尤其在干燥地区，其收集和利用显得尤为重要。被动露水收集器（Passive Dew Collectors, PDCs）作为一种利用夜间辐射冷却原理进行露水采集的设备，其工作原理是通过表面材料的高发射率和低热导率，在无太阳辐射的夜晚降低表面温度至露点以下，从而促使水蒸气凝结为露水。然而，传统的PDCs在露水收集过程中常受到表面露珠滞留的影响，这会显著降低整体的收集效率。为了解决这一问题，本研究探讨了自动擦拭对露水收集性能、露珠形成动态和表面形态的影响。

#### 露水收集器的挑战与研究背景

全球约有一半的人口在某些季节会经历严重的水资源短缺，这一现象不仅影响了人类生活，也对农业和生态系统构成了威胁。作物因缺水导致产量下降，而自然生态系统则因水分供应不稳定而面临生物多样性和生态平衡的挑战。为应对这一问题，研究者们尝试了多种方法来提高露水收集效率，包括优化材料特性、扩大收集面积、改善空气流动和增强露珠回收机制。然而，这些方法在实际应用中仍面临诸多限制，例如表面露珠滞留问题。

传统的露水收集器通常由1平方米的白色PVC薄膜组成，安装在聚苯乙烯泡沫和金属框架上，以30度倾斜角度促进露珠的重力收集。尽管这种方法在一定程度上提高了收集效率，但露珠在生长过程中常常被表面吸附，只有在达到临界尺寸和接触角后才会滑落形成水通道。这种现象导致露水收集效率受限，因此，研究者们尝试引入擦拭机制，以提高露水的回收率。

#### 自动擦拭系统的实验设计与实施

为了评估自动擦拭对露水收集的影响，研究团队在芬兰赫尔辛基的Viikki校区进行了一项为期85天的实地实验，时间从2024年7月7日至9月30日。实验期间，共记录了54个有效的露水形成夜晚，用于比较标准（Std）和喷砂处理（Sb）的露水收集器，以及是否配备自动擦拭机制（Wp）的情况。研究中使用了四组露水收集器：标准露水收集器（Std）、标准露水收集器带自动擦拭（Std Wp）、喷砂处理露水收集器（Sb）和喷砂处理露水收集器带自动擦拭（Sb Wp）。

实验中，自动擦拭系统由两个480毫米长的软质擦拭片组成，安装在一个滚动装置上，沿着直线轨道移动。该系统通过步进电机驱动，保持恒定的压力和速度，以确保均匀擦拭。擦拭时间设定为凌晨2点、4点和6点，这些时间点基于2022年在Viikki进行的实验数据。此外，实验还使用了Arduino UNO微控制器和实时钟模块，实现对擦拭时间的编程控制。

#### 实验结果与分析

实验结果显示，配备自动擦拭机制的露水收集器在整体收集效率上显著优于未擦拭的收集器。其中，喷砂处理并配备自动擦拭的收集器（Sb Wp）表现最佳，平均收集量达到6.67毫米，比未擦拭的喷砂处理收集器（Sb）高出70.1%。相比之下，标准处理并配备自动擦拭的收集器（Std Wp）仅比未擦拭的标准收集器（Std）高出8.8%。这一结果表明，自动擦拭机制对露水收集效率的提升具有显著作用，特别是在喷砂处理的收集器上。

进一步分析发现，自动擦拭在每个露水形成事件中均能带来一定程度的提升。其中，首次擦拭（凌晨2点）的效果最为显著，表明此时的擦拭能够有效去除表面滞留的露珠，从而提高露水的回收率。随后的擦拭（凌晨4点和6点）虽然也能带来一定的提升，但效果逐渐减弱。这可能是由于在首次擦拭后，表面已经经历了部分变化，导致后续擦拭的增益减少。

#### 露珠形成动态与表面形态的变化

通过时间延时摄影技术，研究团队对露珠的形成动态进行了详细分析。结果显示，未擦拭的收集器在露珠形成初期表现出均匀的核化和生长模式，随后形成水通道。而自动擦拭后，表面的露珠分布变得更加局部化，形成较大的水滴和持久的水通道。这种变化表明，自动擦拭不仅改变了露珠的分布模式，还影响了露珠的形成和运输过程。

此外，表面形态分析表明，自动擦拭会逐渐平滑喷砂处理的表面纹理。虽然喷砂处理的表面具有较高的核化效率，但频繁的擦拭可能导致表面粗糙度的降低，从而影响长期的核化能力。这一发现为未来优化自动擦拭系统的频率和表面耐用性提供了重要依据。

#### 实际应用与技术挑战

从实际应用的角度来看，自动擦拭系统为PDCs提供了一种无需人工干预的解决方案，这在长期和大规模应用中具有显著优势。然而，该系统也面临一些技术挑战，如机械部件的耐用性、电源供应的稳定性以及在恶劣环境下的维护需求。例如，在干旱或半干旱地区，由于灰尘和紫外线辐射较强，自动擦拭系统的部件可能更容易磨损，需要定期维护。

尽管如此，自动擦拭系统在提高露水收集效率方面表现出色，其运行功耗较低，每晚三次擦拭仅消耗约0.07瓦时的电力。结合太阳能板、充电控制器和12伏电池，该系统可以在偏远地区实现自给自足的能源供应。此外，定期擦拭还能帮助保持收集器表面的清洁，减少灰尘对露水收集效率的影响。

#### 未来研究方向

本研究为优化PDCs的露水收集性能提供了新的思路，但仍有多个方面需要进一步探索。首先，需要更深入地研究自动擦拭的频率和时间安排，以确定最佳的擦拭策略。其次，应评估机械和环境因素对收集器长期性能的影响，特别是表面磨损和紫外线老化等问题。此外，未来的研究还可以探索表面工程技术，如微图案化处理，以替代自动擦拭系统，从而在不增加复杂性的情况下提高露水收集效率。

#### 结论

综上所述，本研究通过引入自动擦拭机制，显著提高了被动露水收集器的露水收集效率，特别是在喷砂处理的收集器上。自动擦拭不仅有效去除了表面滞留的露珠，还改变了露珠的形成动态和表面形态，从而优化了露水的收集过程。这些发现为未来在干旱和半干旱地区推广PDCs提供了重要的理论支持和技术指导。然而，自动擦拭系统在长期应用中仍需解决耐用性和维护成本等问题，以确保其可持续性和经济性。未来的研究应进一步探索如何在不同环境条件下优化自动擦拭策略，同时结合表面工程技术，开发更加高效和耐用的露水收集器。