Инженеры модернизировали древние солнечные технологии для очистки воды — почти идеальная эффективность

Низкозатратная технология может обеспечить питьевой водой регионы, где водные ресурсы недостаточны или в районах стихийных бедствий. Достижения инженеров были опубликованы 3 мая 2018 года в журнале Advanced Science.
Идея использовать энергию солнца для испарения и очистки воды является древней. Аристотель описал такой процесс более 2000 лет назад.

Инженеры модернизировали древние солнечные технологии для очистки воды - почти идеальная эффективность
Новая технология очистки воды

Теперь исследователи привносят в эту технологию дезинфекции воды современную модернизацию.
«Наша техника способна производить питьевую воду более быстрыми темпами, чем теоретически рассчитанная при естественном солнечном свете» — говорит Qiaoqiang Gan, адъюнкт-профессор электротехники из Школы инженеров Университета прикладных наук Буффало.

Как поясняет Ган: «Обычно, когда солнечная энергия используется для испарения воды, часть энергии теряется, рассеиваясь в окружающей среде, что делает процесс менее эффективным. Наша система имеет способ отвода тепла из окружающей среды, что позволяет нам достичь почти идеальной эффективности».

Проект, финансируется Национальным научным фондом (NSF), сотрудниками Университета Фудань в Китае и Университета Висконсин-Мэдисон. UB электротехник аспирант Haomin Song и кандидат PhD Youhai Liu стали первыми соавторами исследования.

Ган и другие его коллеги запустили стартап, «Солнечная чистая вода», чтобы изобретение служило людям, которые в нём нуждаются. Благодаря поддержке программы NSF Small Business Innovation Research, компания интегрирует новую систему испарения в прототип солнечного водоочистителя.

«Когда вы разговариваете с государственными чиновниками или некоммерческими организациями, работающими в зонах бедствия, они интересуются: «Сколько воды можно генерировать в день?» — говорит Сонг. «Ежедневно мы можем генерировать от 10 до 20 литров чистой воды».

Модернизация вековой технологии

Солнечные устройства используют солнечную энергию для испарения воды, оставляя соль, бактерии и грязь. Затем водяной пар охлаждается и возвращается в жидкое состояние, после чего его собирают в чистый контейнер.
Техника имеет много преимуществ. Она проста: источник питания – солнце, доступно практически везде. Команда Ган повысила эффективность своей системы испарения, её охлаждением.

Центральным компонентом их технологии является лист  углеродистой бумаги, который складывается в перевернутую форму «V», например, как крыша у скворечника. Нижние края бумаги висят в бассейне с водой, впитывая жидкость, как салфетка. В то же время углеродное покрытие поглощает солнечную энергию и превращает её в тепло для испарения.

Как объясняет Ган, наклонная геометрия бумаги сохраняет её прохладу, ослабляя интенсивность солнечного света, освещающего её. Поскольку большая часть бумаги с углеродным покрытием остаётся при комнатной температуре, она может брать тепло из окружающей среды, компенсируя регулярную потерю солнечной энергии, которая возникает во время испарения.

По данным нового исследования, доступен эквивалент 2,2 литра воды в час на каждый квадратный метр площади, освещённой обычным солнцем, что выше теоретического верхнего предела 1,68 литра. Команда провела свои тесты в лаборатории, используя солнечный симулятор генерации света интенсивностью одного регулярного солнца.

«Большинство групп, работающих на солнечных технологиях испарения, пытаются разработать передовые материалы, такие как металлические плазменные и углеродные наноматериалы» — говорит Ган. «Мы же сосредоточились на использовании крайне недорогих материалов и смогли реализовать рекордные показатели».
Важно отметить, что это единственный пример использования солнечной энергии, где тепловая эффективность процесса составляет 100 %. Разрабатывая метод, при котором пар находится ниже температуры окружающей среды, мы создали новые возможности для альтернатив высокотемпературному парообразованию.
________________________________________
Материалы предоставлены Университетом в Буффало