Прямое солнечное производство пара

Ученые изучают некоторые разработки, стоящие за технологией, которая может смягчить нарастающий глобальный кризис питьевой воды.

Зарождающимся, но многообещающим решением проблемы нехватки воды в мире могла бы стать очистка воды с помощью технологии прямого производства пара на солнечной энергии. Но в то время как ученые находятся на пути к тому, чтобы сделать эту технологию практически применимой, финишная черта остается пока вдалеке. Новое исследование в Elsevier's Solar Energy Materials and Solar Cells позволяет нам пройти часть этого невероятного исследовательского пути, который включает в себя разработку стратегий проектирования устройств для оптимизации процесса производства пара.

Технологии прямого производства пара на солнечной энергии

Без питьевой воды нет жизни. Тем не менее почти 1,1 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к пресной воде, а еще 2,4 миллиарда страдают от болезней, переносимых неочищенной питьевой водой. Это объясняется тем, что, несмотря на то, что наука разработала передовые методы очистки воды, такие как мембранная дистилляция и обратный осмос, в развивающихся странах их зачастую трудно применять из-за их высокой стоимости и низкой производительности.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Более современная технология перспективна в качестве альтернативы для таких регионов мира - прямая солнечная выработка пара (DSSG). DSSG включает в себя сбор солнечного тепла для преобразования воды в пар, тем самым опресняя его или избавляя от других растворимых примесей. Затем пар охлаждается и собирается в виде чистой воды для использования.

Это простая технология, но ключевой момент, испарение, представляет препятствия для ее коммерциализации. При существующей технологии производительность испарения достигла теоретического предела. Однако этого недостаточно для практической реализации. Для улучшения характеристик испарения за пределами теоретического предела, а также для того, чтобы сделать эту технологию жизнеспособной, были приняты меры по улучшению конструкции устройства с целью минимизации потерь солнечного тепла до того, как оно достигнет объемной воды, рециркуляции скрытого тепла в воде, а также поглощения и использования энергии из окружающей среды и так далее.

В новой работе, опубликованной в журнале "Солнечные материалы и солнечные батареи", профессор Лей Мяо из Технологического института Шибауры, Япония, вместе с коллегами Сяоцзян Му, Юфэй Гу и Цзяньхуа Чжоу из Университета электронных технологий Гуйлинь, Китай, проанализировали стратегии, сформулированные за последние два года, чтобы превысить этот теоретический предел. "Наша цель - обобщить историю разработки новых стратегий испарения, указать на существующие недостатки и проблемы, а также наметить будущие направления исследований, чтобы ускорить практическое применение технологии очистки DSSG", - говорит профессор Мяо.

Новаторская стратегия, с которой начинается эта эволюционная сага, - это объемная система, которая вместо объемного нагревания использует суспензию благородных металлов или углеродные наночастицы для поглощения солнечной энергии, передавая тепло воде, окружающей эти частицы, и генерируя пар. В то время как это увеличивает поглощенную энергию системы, происходит большая потеря тепла.

Для решения этой проблемы была разработана система "прямого контакта", в которой двухслойная структура с порами различного размера покрывает объем воду. Верхний слой с большими порами служит в качестве теплопоглотителя и выхода пара, а нижний слой с меньшими порами используется для транспортировки воды вверх от насыпной массы к верхнему слою. В этой системе концентрируется контакт нагретого верхнего слоя с водой, и потери тепла снижаются примерно до 15%.

Далее пришла система "2D водный путь" или "косвенный тип контакта", которая далее понизила потерю тепла, избегая контакта между поглотителем солнечной энергии и насыпной массой. Это проложило путь к возможному развитию системы "1D водного пути", вдохновленной естественным процессом транспортировки воды в растениях на основе капиллярного действия. Эта система демонстрирует впечатляющую скорость испарения 4,11 кг/ м2*ч, что почти в три раза превышает теоретический предел, при этом потери тепла составляют всего 7%.

За этим последовала техника управления впрыском, при которой контролируемое разбрызгивание воды в виде дождя на поглотитель солнечной энергии позволяет ее абсорбировать таким образом, что она имитирует поглощение в почве. Это приводит к скорости испарения 2,4 кг/ м2*ч с коэффициентом преобразования 99% из солнечной энергии в водяной пар.

Параллельно разрабатываются стратегии получения дополнительной энергии из окружающей среды или из самой воды и рекуперации скрытого тепла от высокотемпературного пара для повышения скорости испарения. Разрабатываются также методы снижения энергии, необходимой для испарения, такие как гидро- и светопоглощающие аэрогели, полиуретановая губка с наночастицами сажи и древесина с покрытием изeглеродных квантовых точек (УКТ) для удержания солнечной энергии и воды, подлежащих испарению.

Существует несколько других подобных стратегий проектирования, и еще несколько должны появиться в будущем. Многие актуальные вопросы, такие как сбор конденсата, долговечность материалов и стабильность при использовании на открытом воздухе в условиях переменчивого ветра и погодных условий, еще предстоит решить.

Однако темпы работы над этой технологией заставляют с оптимизмом смотреть в будущее. "Путь к практическому внедрению DSSG полон проблем", - говорит профессор Мяо. "Но, учитывая ее преимущества, есть шанс, что она станет одним из передовых решений нашей растущей проблемы нехватки питьевой воды". опубликовано econet.ru по материалам scitechdaily.com

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet