В статье, опубликованной в журнале Joule ( «Чрезвычайно устойчивая к соли многоступенчатая солнечная дистилляция с термохалинной конвекцией» ), команда описывает проект новой солнечной системы опреснения, которая принимает соленую воду и нагревает ее естественным солнечным светом.
Конфигурация устройства позволяет воде циркулировать в искусственно создаваемых водоворотах, подобно природной «термохалинной» циркуляции воды в океане. Эта циркуляция в сочетании с солнечным теплом заставляет воду испаряться, оставляя соль в воде. Полученный водяной пар затем конденсируют и собирают в виде чистой питьевой воды. Тем временем остатки соли циркулируют по устройству и выходят из него, а не накапливаются и не засоряют систему.
.jpg)
Новая система имеет более высокий уровень производительности по воде и лучшую степень удаления соли, чем все современные концепции пассивного солнечного опреснения, которые в настоящее время тестируются.
По оценкам исследователей, если масштабировать систему до размеров небольшого чемодана, она сможет производить от 4 до 6 литров питьевой воды в час и прослужит несколько лет, прежде чем ей потребуются запасные части. При таком масштабе и производительности система могла бы производить питьевую воду по цене, дешевле, чем производство обычной водопроводной воды.
Исследователи предполагают, что увеличенное (масштабированное) устройство сможет пассивно производить достаточно питьевой воды, чтобы удовлетворить ежедневные потребности небольшой семьи. Система могла бы также снабжать автономные прибрежные поселения, где морская вода легко доступна.
В число соавторов исследования Чжана входят аспирант Массачусетского технологического института Ян Чжун и Эвелин Ван, профессор инженерного дела Форда, а также Цзиньтун Гао, Цзиньфан Ю, Чжаньюй Е, Ружу Ван и Чжэньюань Сюй из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае.
Мощная конвекция
Новая схема, предложенная инженерами, улучшает предыдущую конструкцию — аналогичную концепцию нескольких слоев, называемых этапами. Каждая ступень содержала испаритель и конденсатор, которые использовали тепло солнца для пассивного отделения соли от поступающей воды.
Такую конструкцию команда протестировала на крыше здания Массачусетского технологического института. Она эффективно использовала солнечную энергию для испарения воды, которая затем конденсировалась в питьевую воду. Но оставшаяся соль быстро накапливалась в виде кристаллов, которые через несколько дней засоряли систему. В реальных условиях пользователю придется часто размещать этапы, что значительно увеличило бы общую стоимость системы.
В дальнейшем они разработали решение с аналогичной многослойной конфигурацией, но на этот раз с дополнительной функцией, которая помогала поступающей воде циркулировать, смывая остатки соли. Хотя такая конструкция не позволяла соли оседать и накапливаться на устройстве, она опресняла воду с относительно низкой скоростью.
Команда полагает, что в последней версии ей удалось создать конструкцию, которая обеспечивает как высокую скорость производства воды, так и способность быстрого удаления соли, а это означает, что система может быстро и надежно производить питьевую воду в течение длительного периода времени. Ключом к их новой конструкции является сочетание двух предыдущих концепций: многоступенчатой системы испарителей и конденсаторов, и созданию усиленной циркуляции воды и соли внутри каждой ступени.
Небольшие циркуляции, создаваемые новой системой команды, аналогичны «термохалинной» конвекции в океане — явлению, которое управляет движением воды по всему миру, основанное на различиях в температуре моря («термо») и солености («халинная» конвекция). ).
«Когда морская вода подвергается воздействию воздуха, солнечный свет заставляет воду испаряться. Когда вода улетучивается с поверхности, остается соль. И чем выше концентрация соли, тем плотнее жидкость, и эта более тяжелая вода хочет течь вниз», — объясняет Чжан. «Имитируя это явление шириной в километры в маленьком приборе новой конструкции, мы можем воспользоваться этой функцией, чтобы избавиться от накопления соли».
1111111111111111111
Сердцем нового дизайна команды является конструкция, напоминающая тонкую коробку, покрытую темным материалом, которая эффективно поглощает солнечное тепло. Внутри коробка разделена на верхнюю и нижнюю части. Вода может течь через верхнюю половину, где потолок покрыт слоем испарителя, который использует солнечное тепло для нагрева и испарения воды при прямом контакте. Затем водяной пар направляется в нижнюю половину коробки, где конденсирующийся слой охлаждает пар на воздухе, превращая его в бессолевую питьевую жидкость. Исследователи наклонили весь ящик внутри более крупного пустого сосуда, затем прикрепили трубку от верхней половины ящика к нижней части сосуда и опустили сосуд на воду в соленой воде.
В этой конфигурации вода может естественным образом подниматься через трубку в коробку, где наклон коробки в сочетании с тепловой энергией солнца заставляет воду завихряться при прохождении через нее. Небольшие водовороты помогают воде контактировать с верхним испаряющимся слоем, сохраняя при этом циркуляцию соли, а не оседание и засорение.
Команда построила несколько прототипов с одной, тремя и десятью ступенями и протестировала их работу в воде различной солености, включая природную морскую воду и воду, которая была в семь раз более соленой.
На основании этих испытаний исследователи подсчитали, что если каждую ступень увеличить до квадратного метра, она будет производить до 5 литров питьевой воды в час и что система сможет опреснять воду без накопления соли в течение нескольких лет. Учитывая такой продолжительный срок службы и тот факт, что система полностью пассивна и не требует для работы электричества, по оценкам команды, общая стоимость эксплуатации системы будет дешевле, чем стоимость производства водопроводной воды в Соединенных Штатах.
«Мы показываем, что это устройство способно прослужить достаточно долго», — говорит исследователь . «Это означает, что впервые питьевая вода, производимая солнечным светом, может быть дешевле, чем водопроводная вода. Это открывает новые возможности опреснения воды с помощью солнечной энергии для решения реальных проблем дефицита пресной воды».
Этот инновационный подход эффективно смягчает ключевые проблемы в области опреснения. Эта конструкция особенно полезна для регионов, испытывающих проблемы с водой с высокой соленостью. Его модульная конструкция делает его очень подходящим для производства воды в домашних условиях, обеспечивая масштабируемость и адаптируемость для удовлетворения индивидуальных потребностей».
