Системата постига ново ниво на ефективност при използване на слънчевата светлина за получаване на прясна питейна вода от морска вода

Напълно пасивна система за обезсоляване, задвижвана от слънчева енергия, разработена от изследователи от MIT и в Китай, може да осигури повече от 1,5 галона прясна питейна вода на час за всеки квадратен метър слънчева площ. Такива системи биха могли потенциално да обслужват извън мрежата сухи крайбрежни зони, за да осигурят ефективен, евтин водоизточник.

обезсоляване

Системата използва множество слоеве плоски слънчеви изпарители и кондензатори, наредени във вертикална редица и покрити с прозрачна изолация с аерогел. Това е описано в статия, публикувана днес в списанието Energy and Environmental Science, автор на докторантите от Масачузетския технологичен институт Ленан Джанг и Лин Джао, постдокторът Женюан Сю, професор по машиностроене и ръководител на катедра Евелин Уанг и още осем в MIT и в Шанхай Цзяо Университет Тонг в Китай.

Ключът към ефективността на системата се крие в начина, по който тя използва всеки от множеството етапи за обезсоляване на водата. На всеки етап топлината, отделена от предишния етап, се впряга, вместо да се губи. По този начин демонстрационното устройство на екипа може да постигне обща ефективност от 385 процента при преобразуване на енергията на слънчевата светлина в енергията на изпарението на водата.

Устройството по същество е многослоен слънчев фотоапарат с набор от изпаряващи и кондензиращи компоненти като тези, използвани за дестилация на алкохол. Той използва плоски панели, за да абсорбира топлината и след това да прехвърли тази топлина към слой вода, така че тя да започне да се изпарява. След това парите се кондензират върху следващия панел. Тази вода се събира, докато топлината от кондензацията на пари преминава към следващия слой.

Винаги, когато парата кондензира на повърхността, тя отделя топлина; в типичните кондензаторни системи тази топлина просто се губи за околната среда. Но в този многослоен изпарител отделената топлина преминава към следващия изпарителен слой, рециклира слънчевата топлина и повишава общата ефективност.

„Когато кондензирате вода, вие отделяте енергия като топлина“, казва Уанг. "Ако имате повече от един етап, можете да се възползвате от тази топлина."

Добавянето на повече слоеве увеличава ефективността на преобразуване за производство на питейна вода, но всеки слой също добавя разходи и обем към системата. Екипът се спря на 10-степенна система за устройството си за доказателство за концепция, което беше тествано на покрива на сградата на MIT. Системата доставя чиста вода, която надвишава градските стандарти за питейна вода, в размер на 5,78 литра на квадратен метър (около 1,52 галона на 11 квадратни метра) слънчева площ за събиране. Това е повече от два пъти повече от рекордното количество, произведено преди това от която и да е такава пасивна система за обезсоляване със слънчева енергия, казва Уанг.

Теоретично, с повече етапи на обезсоляване и по-нататъшна оптимизация, такива системи могат да достигнат общите нива на ефективност до 700 или 800 процента, казва Джанг.

За разлика от някои обезсоляващи системи, няма натрупване на сол или концентрирани саламури, които да се изхвърлят. В свободно плаваща конфигурация, всяка сол, която се натрупва през деня, просто ще бъде изнесена през нощта през изсмукващия материал и обратно в морската вода, според изследователите.

Демонстрационната им единица е построена предимно от евтини, лесно достъпни материали като търговски черен слънчев абсорбер и хартиени кърпи за капилярен фитил за пренасяне на водата в контакт със слънчевия абсорбатор. В повечето други опити да се направят пасивни системи за обезсоляване на слънцето, материалът за абсорбатор на слънце и уплътняващият материал са един компонент, който изисква специализирани и скъпи материали, казва Уанг. „Успяхме да разделим тези две.“

Най-скъпият компонент на прототипа е слой от прозрачен аерогел, използван като изолатор в горната част на стека, но екипът предлага други алтернативи като по-евтини изолатори. (Самият аерогел е направен от евтин силициев диоксид, но за производството му е необходимо специално оборудване за сушене.)

Уанг подчертава, че ключовият принос на екипа е рамка за разбиране как да се оптимизират такива многостепенни пасивни системи, които те наричат ​​термично локализирано многостепенно обезсоляване. Разработените от тях формули вероятно биха могли да бъдат приложени към различни материали и архитектури на устройства, което позволява по-нататъшна оптимизация на системите, базирани на различни мащаби на работа или местни условия и материали.

Една от възможните конфигурации биха били плаващи панели върху тяло със солена вода, като езерце за задържане. Те биха могли постоянно и пасивно да доставят прясна вода през тръбите до брега, стига слънцето да грее всеки ден. Други системи могат да бъдат проектирани да обслужват едно домакинство, може би с помощта на плосък панел върху голям плитък резервоар с морска вода, който се изпомпва или вкарва. Екипът изчислява, че система с около 1 квадратни метра слънчева площ за събиране може да отговори на дневни потребности от питейна вода на един човек. В производството те смятат, че система, изградена за нуждите на семейството, може да бъде изградена за около 100 долара.

Изследователите планират допълнителни експерименти, за да продължат да оптимизират избора на материали и конфигурации и да тестват трайността на системата при реалистични условия. Те също така ще работят върху превръщането на дизайна на своето лабораторно устройство в нещо, което би било подходящо за употреба от потребителите. Надеждата е, че в крайна сметка може да изиграе роля за облекчаване на недостига на вода в части от развиващия се свят, където надеждното електричество е оскъдно, но морската вода и слънчевата светлина са в изобилие.

Изследователският екип включваше Bangjun Li, Chenxi Wang и Ruzhu Wang от университета в Шанхай Jiao Tong и Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban и John Lienhard, който е професор по вода в MIT Abdul Latif Jameel. Изследването е подкрепено от Националната фондация за естествени науки на Китай, Сингапурския-MIT Алианс за изследвания и технологии и Център за технологии и дизайн MIT Tata.