Enkel, soldrevet vandafsaltning

Et helt passivt soldrevet afsaltningssystem udviklet af forskere ved MIT og i Kina kunne levere mere end 1,5 gallon fersk drikkevand i timen for hver kvadratmeter solopsamlingsområde. Sådanne systemer kan potentielt tjene tørre kystområder uden for nettet for at levere en effektiv, billig vandkilde.

Systemet anvender flere lag flade solfordampere og kondensatorer, stillet op i et lodret array og toppet med gennemsigtig aerogelisolering. Det er beskrevet i et papir, der optræder i dag i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab , forfattet af MIT -doktorander Lenan Zhang og Lin Zhao, postdoc Zhenyuan Xu, professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang, og otte andre på MIT og på Shanghai Jiao Tong University i Kina.

Nøglen til systemets effektivitet ligger i den måde, det bruger hvert af de flere trin til at afsaltes vandet. På hvert trin, varme frigivet ved det foregående trin udnyttes i stedet for spild. På denne måde, teamets demonstrationsenhed kan opnå en samlet effektivitet på 385 procent ved konvertering af sollysets energi til vandfordampningens energi.

Enheden er i det væsentlige en flerlags solstiller, med et sæt fordampnings- og kondenserende komponenter som dem, der bruges til at destillere spiritus. Den bruger flade paneler til at absorbere varme og derefter overføre denne varme til et lag vand, så den begynder at fordampe. Dampen kondenserer derefter på det næste panel. At vand opsamles, mens varmen fra dampkondensationen overføres til det næste lag.

Når damp kondenserer på en overflade, det frigiver varme; i typiske kondensatorsystemer, at varmen simpelthen går tabt for miljøet. Men i denne flerlags fordamper flyder den frigivne varme til det næste fordampningslag, genbrug af solvarmen og øge den samlede effektivitet.

"Når du kondenserer vand, du frigiver energi som varme, "Siger Wang." Hvis du har mere end et trin, du kan drage fordel af den varme. "

Tilføjelse af flere lag øger konverteringseffektiviteten til fremstilling af drikkevand, men hvert lag tilføjer også omkostninger og bulk til systemet. Teamet besluttede sig for et 10-trins system til deres proof-of-concept-enhed, som blev testet på et tag på MIT -bygningen. Systemet leverede rent vand, der oversteg byens drikkevandsstandarder, med en hastighed på 5,78 liter pr. kvadratmeter (ca. 1,52 gallon pr. 11 kvadratfod) solopsamlingsområde. Dette er mere end to gange så meget som den rekordmængde, der tidligere var produceret af et sådant passivt soldrevet afsaltningssystem, Siger Wang.

Teoretisk set med flere afsaltningstrin og yderligere optimering, sådanne systemer kan nå det samlede effektivitetsniveau så højt som 700 eller 800 procent, Siger Zhang.

I modsætning til nogle afsaltningssystemer, der er ingen ophobning af salt eller koncentrerede saltlage, der skal bortskaffes. I en frit svævende konfiguration, alt salt, der ophobes i løbet af dagen, ville ganske enkelt blive ført tilbage om natten gennem det transporterende materiale og tilbage i havvandet, ifølge forskerne.

Deres demonstrationsenhed blev hovedsagelig bygget af billige, let tilgængelige materialer, såsom en kommerciel sort solabsorber og papirhåndklæder til en kapillærvæske til at transportere vandet i kontakt med solabsorberen. I de fleste andre forsøg på at lave passive solafsaltningssystemer, solabsorbermaterialet og det transporterende materiale har været en enkelt komponent, som kræver specialiserede og dyre materialer, Siger Wang. "Vi har været i stand til at afkoble disse to."

Den dyreste komponent i prototypen er et lag gennemsigtig aerogel, der bruges som isolator øverst på stakken, men teamet foreslår, at andre billigere isolatorer kan bruges som et alternativ. (Selve aerogelen er fremstillet af snavs-billig silica, men kræver specialiseret tørreudstyr til fremstillingen.)

Wang understreger, at teamets vigtigste bidrag er en ramme for at forstå, hvordan man optimerer sådanne multistage passive systemer, som de kalder termisk lokaliseret flertrinsafsaltning. Formlerne, de udviklede, kunne sandsynligvis anvendes på en række materialer og arkitekturer, muliggør yderligere optimering af systemer baseret på forskellige driftsskalaer eller lokale forhold og materialer.

En mulig konfiguration ville være flydende paneler på et saltvand, f.eks. En dam. Disse kunne konstant og passivt levere ferskvand gennem rør til kysten, så længe solen skinner hver dag. Andre systemer kunne være designet til at betjene en enkelt husstand, måske ved hjælp af en fladskærm på en stor lavvandstank med havvand, der pumpes eller føres ind. Teamet vurderer, at et system med et cirka 1 kvadratmeter stort solopsamlingsområde kunne opfylde en persons daglige drikkevandsbehov. I produktion, de tror, ​​at et system, der er bygget til at imødekomme en families behov, kan blive bygget til omkring $ 100.

Forskerne planlægger yderligere eksperimenter for fortsat at optimere valg af materialer og konfigurationer, og for at teste systemets holdbarhed under realistiske forhold. De vil også arbejde med at oversætte designet af deres laboratorie-skalaenhed til noget, der ville være egnet til brug for forbrugere. Håbet er, at det i sidste ende kan spille en rolle i at afhjælpe vandmangel i dele af udviklingslandene, hvor pålidelig elektricitet er knap, men havvand og sollys er rigeligt.

"Denne nye tilgang er meget vigtig, "siger Ravi Prasher, en associeret laboratoriedirektør ved Lawrence Berkeley National Laboratory og adjungeret professor i maskinteknik ved University of California i Berkeley, som ikke var involveret i dette arbejde. "En af udfordringerne ved solbaseret afsaltning af sol har været lav effektivitet på grund af tab af betydelig energi i kondens. Ved effektivt at høste kondensationsenergien, den samlede sol- til dampeffektivitet er dramatisk forbedret. ... Denne øgede effektivitet vil have en samlet indvirkning på at reducere omkostningerne ved produceret vand. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.