By Ett helt passivt soldrivet avsaltningssystem som utvecklats av forskare vid MIT och i Kina skulle kunna ge mer än 1,5 liter färskt dricksvatten per timme för varje kvadratmeter soluppsamlingsområde. Sådana system skulle potentiellt kunna betjäna kustområden utanför nätet för att tillhandahålla en effektiv vattenkälla till låg kostnad.
Systemet använder flera lager av platta solförångare och kondensatorer, uppradade i en vertikal array och toppad med transparent aerogel isolering. Det beskrivs i en uppsats som förekommer idag i tidskriften Energy and Environmental Science, skriven av MIT doktorander Lenan Zhang och Lin Zhao, postdoktor Zhenyuan Xu, professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang, och åtta andra vid MIT och vid Shanghai Jiao Tong University i Kina.
Nyckeln till systemets effektivitet ligger i hur det använder var och en av de flera stegen för att avsalta vattnet. Vid varje steg utnyttjas värme som frigörs av föregående steg istället för slöseri. På detta sätt kan teamets demonstrationsenhet uppnå en total effektivitet på 385 procent för att omvandla energin från solljus till energi av vattenavdunstning.
Enheten är i huvudsak en flerskiktssol fortfarande, med en uppsättning av förångnings- och kondenserande komponenter som de som används för att destillera sprit. Den använder platta paneler för att absorbera värme och sedan överföra den värmen till ett lager vatten så att den börjar avdunsta. Ångan kondenserar sedan på nästa panel. Det vattnet samlas in, medan värmen från ångkondensationen överförs till nästa lager.
När ångan kondenserar på en yta släpper den värme; i typiska kondensorsystem går den värmen helt enkelt förlorad till miljön. Men i denna flerskiktsindunstare strömmar den frigjorda värmen till nästa avdunstningslager, återvinner solvärmen och ökar den totala effektiviteten.
”När du kondenserar vatten släpper du energi som värme”, säger Wang. ”Om du har mer än ett steg, kan du dra nytta av den värmen.”
Genom att lägga till fler lager ökar omvandlingseffektiviteten för framställning av dricksvatten, men varje lager lägger också till kostnader och bulk till systemet. Teamet bestämde sig för ett 10-stegssystem för sin proof-of-concept device, som testades på ett MIT-byggnadstak. Systemet levererade rent vatten som översteg stadens dricksvatten standarder, med en hastighet av 5,78 liter per kvadratmeter (ca 1,52 liter per 11 kvadratmeter) soluppsamlingsområde. Detta är mer än två gånger så mycket som rekordmängden som tidigare producerats av ett sådant passivt soldrivet avsaltningssystem, säger Wang.
Teoretiskt sett, med fler avsaltning steg och ytterligare optimering, sådana system kan nå övergripande effektivitetsnivåer så högt som 700 eller 800 procent, säger Zhang.
Till skillnad från vissa avsaltningssystem finns det ingen ackumulering av salt eller koncentrerad saltlösning som ska bortskaffas. I en fritt flytande konfiguration skulle allt salt som ackumuleras under dagen helt enkelt transporteras tillbaka ut på natten genom det transporterande materialet och tillbaka in i havsvattnet, enligt forskarna.
Deras demonstrationsenhet byggdes mestadels av billiga, lättillgängliga material som en kommersiell svart solabsorberare och pappershanddukar för en kapillärveke för att transportera vattnet i kontakt med solabsorbenten. I de flesta andra försök att göra passiva solavsaltningssystem har solabsorberarmaterialet och det transporterande materialet varit en enda komponent, vilket kräver specialiserade och dyra material, säger Wang. ”Vi har kunnat frikoppla dessa två.”
Den dyraste komponenten i prototypen är ett lager av transparent aerogel som används som en isolator på toppen av stapeln, men laget föreslår att andra billigare isolatorer kan användas som ett alternativ. (Aerogel själv är gjord av smutsbillig kiseldioxid men kräver specialiserad torkutrustning för tillverkning.)
Wang betonar att teamets viktigaste bidrag är en ram för att förstå hur man optimerar sådana flerstegs passiva system, som de kallar termiskt lokaliserad flerstegs avsaltning. Formlerna de utvecklade skulle sannolikt kunna tillämpas på en mängd olika material och enhetsarkitekturer, vilket möjliggör ytterligare optimering av system baserade på olika driftsnivåer eller lokala förhållanden och material.
En möjlig konfiguration skulle vara flytande paneler på en kropp av saltvatten såsom en uppdämning damm. Dessa kan ständigt och passivt leverera färskvatten genom rör till stranden, så länge solen skiner varje dag.Andra system skulle kunna utformas för att tjäna ett enda hushåll, kanske med hjälp av en platt panel på en stor grunt tank med havsvatten som pumpas eller transporteras i. Teamet uppskattar att ett system med ett ungefär 1 kvadratmeter soluppsamlingsområde skulle kunna uppfylla en persons dagliga dricksvattenbehov. I produktionen tror de att ett system byggt för att tillgodose behoven hos en familj kan byggas för omkring 100 dollar.
Forskarna planerar ytterligare experiment för att fortsätta optimera valet av material och konfigurationer, och för att testa hållbarheten hos systemet under realistiska förhållanden. De kommer också att arbeta med att översätta utformningen av deras lab-skala till något som skulle vara lämpligt att använda av konsumenterna. Förhoppningen är att den i slutändan skulle kunna spela en roll för att lindra vattenbristen i delar av utvecklingsländerna där tillförlitlig elektricitet är knapp men havsvatten och solljus är rikligt.
”Det här nya tillvägagångssättet är väldigt betydelsefullt”, säger Ravi Prasher, en biträdande labbchef på
Lawrence Berkeley National Laboratory och adjungerad professor i maskinteknik vid University of California i Berkeley, som inte var inblandad i detta arbete. — En av utmaningarna i solcellsavsaltning har varit låg effektivitet på grund av förlust av betydande energi vid kondens. Genom att effektivt skörda kondensationsenergin förbättras den totala effektiviteten mellan sol och ånga dramatiskt…. Denna ökade effektivitet kommer att ha en övergripande inverkan på att minska kostnaderna för producerat vatten.”
Forskningsgruppen inkluderade Bangjun Li, Chenxi Wang och Ruzhu Wang vid Shanghai Jiao Tong University, och Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban och John Lienhard, som är professor i vatten i Abdul Latif Jameel vid MIT. Forskningen stöddes av National Natural Science Foundation of China, Singapore-MIT Alliance for Research and Technology och MIT Tata Center for Technology and Design.
