Простое солнечное опреснение воды

Полностью пассивная система опреснения на солнечной энергии, разработанная исследователями в Массачусетском технологическом институте и в Китае, может обеспечить более 1,5 галлона пресной питьевой воды в час на каждый квадратный метр площади солнечного сбора. Такие системы могут потенциально обслуживать автономные прибрежные районы, чтобы обеспечить эффективный и недорогой источник воды.

В системе используются несколько слоев плоских солнечных испарителей и конденсаторов, выстроенных в вертикальный ряд и покрытых прозрачной аэрогелевой изоляцией. Это описано в статье, опубликованной сегодня в журнале Energy and Environmental Science , автором которой являются докторанты Массачусетского технологического института Ленан Чжан и Лин Чжао, постдок Женюань Сюй, профессор машиностроения и заведующий кафедрой Эвелин Ван, и еще восемь человек в Массачусетском технологическом институте и в Шанхае Цзяо. Университет Тонг в Китае.

Ключ к эффективности системы заключается в том, как она использует каждый из многочисленных этапов для опреснения воды. На каждом этапе тепло, выделяемое на предыдущем этапе, используется вместо того, чтобы тратить его впустую. Таким образом, демонстрационное устройство команды может достичь общей эффективности 385 процентов в преобразовании энергии солнечного света в энергию испарения воды.

Устройство представляет собой многослойное солнечное устройство с набором испаряющихся и конденсирующих компонентов, подобных тем, которые используются для дистилляции ликера. Он использует плоские панели для поглощения тепла, а затем передает это тепло слою воды, так что он начинает испаряться. Пар затем конденсируется на следующей панели. Эта вода собирается, а тепло от конденсации пара передается следующему слою.

Всякий раз, когда пар конденсируется на поверхности, он выделяет тепло; в типичных конденсаторных системах это тепло просто теряется в окружающей среде. Но в этом многослойном испарителе выделяемое тепло течет к следующему испаряющемуся слою, рециркулируя солнечное тепло и повышая общую эффективность.

«Когда вы конденсируете воду, вы выделяете энергию в виде тепла», — говорит Ван. «Если у вас есть более одного этапа, вы можете воспользоваться этим жаром».

Добавление большего количества слоев увеличивает эффективность преобразования для производства питьевой воды, но каждый слой также увеличивает стоимость и объем системы. Команда определилась с 10-ступенчатой ​​системой для своего проверенного устройства, которое было протестировано на крыше здания MIT. Система поставляла чистую воду, которая превышала стандарты городской питьевой воды, из расчета 5,78 литра на квадратный метр (около 1,52 галлона на 11 квадратных футов) площади солнечного сбора. По словам Вана, это более чем в два раза больше, чем рекордное количество, ранее произведенное любой такой пассивной системой опреснения на солнечной энергии.

Теоретически, с большим количеством этапов опреснения и дальнейшей оптимизацией, такие системы могут достичь общего уровня эффективности до 700 или 800 процентов, говорит Чжан.

В отличие от некоторых опреснительных систем, накопление соли или концентрированных рассолов не требуется. По словам исследователей, в свободно плавающей конфигурации любая соль, которая накапливается в течение дня, будет просто уноситься ночью через впитывающий материал обратно в морскую воду.

Их демонстрационная установка была построена в основном из недорогих, легко доступных материалов, таких как коммерческий черный солнечный поглотитель и бумажные полотенца для капиллярного фитиля для переноса воды в контакт с солнечным поглотителем. В большинстве других попыток создать пассивные системы солнечного опреснения материал поглотителя солнечной энергии и впитывающий материал были одним компонентом, который требует специализированных и дорогих материалов, говорит Ван. «Мы смогли развязать этих двоих».

Самым дорогим компонентом прототипа является слой прозрачного аэрогеля, используемого в качестве изолятора в верхней части стопки, но команда предлагает использовать другие менее дорогие изоляторы в качестве альтернативы. (Сам аэрогель сделан из дешевого кремнезема, но для его изготовления требуется специальное сушильное оборудование.)

Ван подчеркивает, что ключевым вкладом команды является структура для понимания того, как оптимизировать такие многоступенчатые пассивные системы, которые они называют термически локализованным многоступенчатым опреснением. Разработанные ими формулы, вероятно, могут быть применены к различным материалам и архитектурам устройств, что позволяет дополнительно оптимизировать системы на основе различных масштабов работы или местных условий и материалов.

Одной из возможных конфигураций могут быть плавающие панели на поверхности соленой воды, такой как водохранилище. Они могут постоянно и пассивно доставлять пресную воду по трубам на берег, если солнце светит каждый день. Другие системы могут быть спроектированы для обслуживания одного домохозяйства, возможно, с использованием плоской панели на большом неглубоком резервуаре с морской водой, который закачивается или переносится. ежедневная питьевая вода нужна одному человеку. В производстве они считают, что система, созданная для удовлетворения потребностей семьи, может быть построена примерно за 100 долларов.

Исследователи планируют дальнейшие эксперименты, чтобы продолжить оптимизировать выбор материалов и конфигураций, а также проверить долговечность системы в реальных условиях. Они также будут работать над переводом дизайна своего лабораторного устройства во что-то, что будет подходящим для использования потребителями. Надежда состоит в том, что это в конечном итоге может сыграть роль в смягчении дефицита воды в тех частях развивающегося мира, где не хватает надежного электричества, но есть много морской воды и солнечного света.

Исследовательская группа состояла из Банжуна Ли, Чэньси Вана и Ружу Вана в Шанхайском университете Цзяо Тонга, а также Бикрама Бхатии, Кайла Уилка, Янгсупа Сонга, Омара Лаббана и Джона Лиенхарда, профессора воды Абдул Латифа Джамиля в Массачусетском технологическом институте. Исследование было поддержано Национальным фондом естественных наук Китая, Сингапурским союзом исследований и технологий MIT и Центром технологий и дизайна MIT Tata.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Массачусетским технологическим институтом . Оригинал, написанный Дэвидом Л. Чендлером. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Связанные мультимедиа :

• Изображение и схема устройства опреснения

---

Ссылка на журнал :

1. Чжэньюань Сюй, Ленан Чжан, Лин Чжао, Банцзюнь Ли, Бикрам Бхатия, Чэньси Ван, Кайл Л. Уилк, Янгсуп Сонг, Омар Лаббан, Джон Х. Линхард, Ружу Ван, Эвелин Н. Ван. Опреснение сверхвысокой эффективности благодаря термически локализованному многоступенчатому солнечному столу . Энергетика и экология , 2020; DOI: 10.1039 / C9EE04122B