Эта статья несколько пересекается с другой моей статьей, на тему опреснения морской воды с помощью солнечных батарей, но здесь совершенно иная цель и другой подход к этой задаче.
Новый уровень эффективности использования солнечного света для получения свежей питьевой воды из морской воды. Полностью пассивная система опреснения воды на солнечной энергии, разработанная исследователями может обеспечить около 5,5 литра пресной питьевой воды в час на каждый квадратный метр площади солнечной панели (не батареи!). Такие системы потенциально могут полностью автономно обслуживать прибрежные морские районы, чтобы обеспечить эффективный и недорогой источник питьевой воды. В системе используются несколько слоев плоских солнечных испарителей и конденсаторов водяного пара, выстроенных в вертикальный ряд (как слои на торте Наполеон) и покрытых прозрачной аэрогелевой изоляцией. Ключ к эффективности системы заключается в том, как она использует каждый из нескольких рабочих этапов для опреснения воды. На каждом этапе тепло, выделяемое на предыдущем этапе, используется дальше, вместо того рассеивать его в пространство впустую. Таким образом, демонстрационный образец команды смог достичь общей эффективности 385 процентов в преобразовании энергии солнечного света в энергию испарения воды. Не КПД! А общая эффективность использования солнечного света.
Устройство представляет собой многослойное солнечную панель с набором испаряющих и конденсирующих компонентов, подобных тем, которые используются для дистилляции например алкоголя. Оно использует плоские панели для поглощения тепла, а затем передает это тепло слою воды, так что вода начинает испаряться. Пар затем конденсируется на следующей панели. Эта вода собирается, а тепло от конденсации пара передается следующему слою. И так до конца всех слоев. Всякий раз, когда пар конденсируется на поверхности, он выделяет тепло, в типичных конденсаторных системах это тепло просто рассеивается в окружающую среду. Но в этом многослойном испарителе выделяемое тепло течет к следующему испаряющемуся слою, рециркулируя солнечное тепло и повышая общую эффективность.
Добавление большего количества слоев увеличивает эффективность преобразования для производства питьевой воды, но каждый слой также увеличивает стоимость и объем системы. Исследователи остановились на 10-ступенчатой системе для своего экспериментального устройства, которое было протестировано на крыше здания лаборатории. Система выделяла чистую воду, которая соответствовала стандартам питьевой воды, из расчета 5,78 литра на квадратный метр площади солнечной панели. Это более чем в два раза больше, чем ранее установленный рекорд такой пассивной системы опреснения воды на солнечной энергии. Теоретически, с большим количеством этапов опреснения и дальнейшей оптимизацией, такие системы могут достигать общего уровня эффективности использования солнечного света до 700 или 800 процентов.
В отличие от некоторых опреснительных систем, накопление соли или концентрированных рассолов здесь не происходит. По словам исследователей, в свободно плавающей конструкции любая соль, которая накапливается в течение дня, будет просто уноситься ночью через впитывающий материал обратно в морскую воду.
Демонстрационная установка была построена в основном из недорогих, легко доступных материалов, таких как свободно продающийся черный солнечный поглотитель и бумажные полотенца для капиллярного фитиля для переноса воды в контакт с солнечным поглотителем. В большинстве других попыток создания пассивных систем солнечного опреснения материал поглотителя солнечной энергии и впитывающий материал были одним компонентом, который требует специализированных и дорогих материалов. Здесь 2 легкодоступных компонента. Самым дорогим компонентом прототипа установки является слой прозрачного аэрогеля, используемый в качестве изолятора в верхней части слоя, но исследователи планируют использовать другие менее дорогие изоляторы в качестве альтернативы (сам аэрогель сделан из дешевого кремнезема, но для его изготовления требуется специальное сушильное оборудование, что ведет к удорожанию установки). Самое главное достигнуто понимание того, как оптимизировать такие многоступенчатые пассивные опреснительные системы, которые исследователи назвали «термически локализованным многоступенчатым опреснением». Разработанные технические решения, могут быть применены к различным материалам и сборкам опреснительных устройств, что позволяет дополнительно оптимизировать системы на основе различных масштабов устройства или местных условий и материалов.
Одной из возможных конфигураций могут быть плавающие панели на поверхности соленой воды, такой как морской залив или бухта. 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 домашнего хозяйства, возможно, с использованием плоской панели на большом неглубоком резервуаре с морской водой, который наполняется каким то способом. По оценкам исследователей, система с площадью солнечного сбора примерно в 1 квадратный метр может соответствовать ежедневной потребности в питьевой воды для одного человека. В производстве такая система, созданная для удовлетворения потребностей семьи, может быть построена примерно за 100 долларов.
Исследователи планируют дальнейшие эксперименты, чтобы оптимизировать выбор материалов и конфигураций конструкции, а также проверить долговечность системы в реальных условиях. Они также будут работать над своего лабораторного устройства во что-то удобное для использования потребителями. В конечном итоге это может сыграть роль в смягчении дефицита питьевой воды в тех частях развивающегося мира, где не хватает электричества, но есть много морской воды и солнечного света.
