Поскольку эта технология не требует дорогостоящего хранения энергии на случай отсутствия солнечного света, она может обеспечить население питьевой водой по низкой цене.
Инженеры Массачусетского технологического института создали новую систему опреснения, работающую в соответствии с ритмами солнца.
Система на солнечной энергии удаляет соль из воды в темпе, связанным непосредственно с изменениями солнечной энергии. По мере того, как солнечный свет усиливается в течение дня, система ускоряет процесс опреснения и автоматически подстраивается под любые внезапные изменения солнечного света, например, уменьшая скорость в ответ на проходящее облако или увеличивая обороты, когда небо проясняется.
Поскольку система может быстро реагировать на едва заметные изменения солнечного света, она максимально использует солнечную энергию, производя большие объемы чистой воды, несмотря на изменения количества солнечного света в течение дня. В отличие от других конструкций опреснения на основе солнечной энергии, система не требует дополнительных батарей для хранения энергии или дополнительного источника питания, например, от сети.
Инженеры тестировали прототип на скважинах грунтовых вод в Нью-Мексико в течение шести месяцев, работая в переменных погодных условиях и типах воды. Система использовала в среднем более 94 процентов электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями системы, для производства до 5000 литров воды в день, несмотря на большие колебания погоды и доступного солнечного света.
Система ориентирована на опреснение солоноватой грунтовой воды — соленого источника воды, который находится в подземных резервуарах и более распространен, чем пресные грунтовые воды. Исследователи рассматривают солоноватые грунтовые воды как огромный неиспользованный источник потенциальной питьевой воды, особенно с учетом того, что запасы пресной воды испытывают дефицит в некоторых частях мира. Они предполагают, что новая возобновляемая система без батарей может обеспечить столь необходимую питьевую воду по низкой цене, особенно для внутренних сообществ, где доступ к морской воде и электросети ограничен.
Насос и поток
Новая система основана на предыдущей конструкции, которая была направлена на опреснение воды посредством «гибкого периодического электродиализа».
Электродиализ и обратный осмос — два основных метода опреснения солоноватой грунтовой воды. При обратном осмосе давление используется для прокачки соленой воды через мембрану и отфильтровывания солей. Электродиализ использует электрическое поле для вытягивания ионов соли, когда вода прокачивается через стопку ионообменных мембран.
Ученые пытались обеспечить оба метода возобновляемыми источниками. Но это было особенно сложно для систем обратного осмоса, которые традиционно работают на постоянном уровне мощности, несовместимом с естественными переменными источниками энергии, такими как солнце.
Ученые сосредоточились на электродиализе, пытаясь найти способы создания более гибкой, «изменяющейся во времени» системы, которая могла бы реагировать на изменения в возобновляемой солнечной энергии.
В предыдущей конструкции команда построила систему электродиализа, состоящую из водяных насосов, стека ионообменных мембран и массива солнечных панелей. Инновацией в этой системе была система управления на основе модели, которая использовала показания датчиков из каждой части системы для прогнозирования оптимальной скорости прокачки воды через стек и напряжения, которое должно быть приложено к стеку, чтобы максимизировать количество соли, извлекаемой из воды.
Когда команда протестировала эту систему в полевых условиях, она смогла варьировать производство воды в соответствии с естественными колебаниями солнца. В среднем система напрямую использовала 77 процентов доступной электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями, что, по оценкам команды, на 91 процент больше, чем у традиционно разработанных систем электродиализа на солнечной энергии.
Тем не менее, исследователи посчитали, что могут добиться большего.
Солнечные команды
В своей последней работе исследователи стремились устранить необходимость в батареях, сократив время отклика системы до доли секунды. Новая система способна обновлять скорость опреснения от трех до пяти раз в секунду. Более быстрое время отклика позволяет системе подстраиваться под изменения солнечного света в течение дня, без необходимости компенсировать задержку в питании дополнительными источниками питания.
Ключ к более быстрому опреснению — более простая стратегия управления. Это стратегия «управления потоком-командным током», в которой система сначала определяет количество солнечной энергии, вырабатываемой солнечными панелями системы. Если панели генерируют больше энергии, чем потребляет система, контроллер автоматически «командует» системе увеличить ее насосную мощность, проталкивая больше воды через электродиалитические стеки. Одновременно система отводит часть дополнительной солнечной энергии, увеличивая электрический ток, подаваемый на стек, чтобы вытеснить больше соли из более быстро текущей воды.
Инженеры внедрили новую стратегию управления в полностью автоматизированную систему, которую они рассчитали для опреснения солоноватой грунтовой воды в ежедневном объеме, достаточном для снабжения небольшого поселения примерно из 3000 человек. Они эксплуатировали систему в течение шести месяцев на нескольких скважинах в Национальном исследовательском центре опреснения солоноватой грунтовой воды в Аламогордо, штат Нью-Мексико. В течение всего испытания прототип работал в широком диапазоне солнечных условий, используя в среднем более 94 процентов электроэнергии солнечной панели для непосредственного питания опреснения.
Инженеры планируют провести дальнейшее тестирование и масштабирование системы в надежде обеспечить более крупные населенные пункты и даже целые муниципалитеты недорогой питьевой водой, полностью вырабатываемой солнечной энергией.
В ближайшие месяцы команда запустит компанию на основе своей технологии.