Идея использования энергии солнца для испарения и очистки воды является древней. Сообщается, что греческий философ Аристотель описал такой процесс более 2000 лет назад.
Теперь исследователи внедряют эту технологию в современную эпоху, используя ее для дезинфекции воды с рекордной скоростью.
Свернув черную пропитанную углем бумагу треугольной формы и используя ее как для поглощения, так и для испарения воды, они разработали метод использования солнечного света для получения чистой воды с почти идеальной эффективностью.
«Наша технология способна производить питьевую воду быстрее, чем теоретически рассчитано при естественном солнечном свете», - говорит ведущий исследователь Цяоцян Ган, доктор философии, доцент кафедры электротехники в Школе инженерии и прикладных наук Университета Буффало. наук.
Как объясняет Ган: «Обычно, когда солнечная энергия используется для испарения воды, часть энергии тратится впустую, так как тепло теряется в окружающей среде. Это делает процесс эффективным менее чем на 100 процентов. Наша система имеет способ получения тепла из окружающей среды, что позволяет нам достичь почти идеальной эффективности."
Недорогая технология может обеспечить питьевой водой регионы с ограниченными ресурсами или места стихийных бедствий. Достижения описаны в исследовании, опубликованном 3 мая в журнале Advanced Science.
Проект, финансируемый Национальным научным фондом (NSF), был результатом сотрудничества UB, Университета Фудань в Китае и Университета Висконсин-Мэдисон. Первыми авторами исследования были выпускник UB по электротехнике Хаомин Сун и кандидат наук Юхай Лю.
Ган, Сонг и другие коллеги запустили стартап Sunny Clean Water, чтобы донести изобретение до людей, которые в нем нуждаются. При поддержке исследовательской программы NSF Small Business Innovation Research компания интегрирует новую систему испарения в прототип солнечного дистиллятора - водоочистителя, работающего от солнца.
"Когда вы разговариваете с государственными чиновниками или некоммерческими организациями, работающими в зонах бедствия, они хотят знать: "Сколько воды вы можете производить каждый день?" У нас есть стратегия повышения ежедневной производительности», - говорит Сонг. «По нашим оценкам, с солнечным дистиллятором размером с мини-холодильник мы можем производить от 10 до 20 литров чистой воды каждый день».
Модернизация вековой технологии
Солнечные фотокамеры существуют уже давно. Эти устройства используют солнечное тепло для испарения воды, оставляя после себя соль, бактерии и грязь. Затем водяной пар охлаждается и возвращается в жидкое состояние, после чего собирается в чистый контейнер.
Техника имеет много преимуществ. Это просто, а источник энергии - солнце - доступен практически везде. Но, к сожалению, даже последние модели солнечных дистилляторов несколько неэффективны при испарении воды.
Команда Гана решила эту проблему с помощью изящного, нелогичного трюка: они повысили эффективность своей системы испарения, охладив ее.
Основным компонентом их технологии является лист пропитанной углеродом бумаги, который сложен в виде перевернутой буквы «V», как крыша скворечника. Нижние края бумаги висят в луже воды, впитывая жидкость, как салфетка. При этом углеродное покрытие поглощает солнечную энергию и преобразует ее в тепло для испарения.
Как объясняет Ган, наклонная геометрия бумаги сохраняет ее прохладной, ослабляя интенсивность освещающего ее солнечного света. (На плоскую поверхность попадут прямые солнечные лучи.) Поскольку большая часть бумаги с углеродным покрытием остается при комнатной температуре, она может поглощать тепло из окружающей среды, компенсируя регулярную потерю солнечной энергии, которая происходит во время испарения. процесс.
Используя эту установку, исследователи испарили эквивалент 2,2 литра воды в час на каждый квадратный метр площади, освещенной обычным солнцем, что выше теоретического верхнего предела в 1,68 литра, согласно новому исследованию. Команда провела свои тесты в лаборатории, используя солнечный симулятор для генерации света с интенсивностью одного обычного солнца.
«Большинство групп, работающих над технологиями солнечного испарения, пытаются разработать передовые материалы, такие как металлические плазмонные и углеродные наноматериалы», - говорит Ган.«Мы сосредоточились на использовании чрезвычайно недорогих материалов и все же смогли добиться рекордной производительности.
Важно отметить, что это единственный известный мне пример, когда тепловой КПД процесса солнечного испарения составляет 100 процентов, если учесть потребление солнечной энергии. Разрабатывая метод, в котором температура пара ниже температуры окружающей среды, мы создаем новые исследовательские возможности для изучения альтернатив высокотемпературному производству пара».