Kleine Änderungen im Membrandesign können große Auswirkungen auf die Leistung einer neuen Membran haben Technologie bei KAUST entwickelt, das die Abwärme von Solarzellen zur Meerwasserentsalzung nutzt. Sonnenkollektoren können unglaublich heiß werden – mehr als 40 Grad Celsius wärmer als die Umgebungslufttemperatur in trockenen Regionen. Diese Bedingungen entstehen, weil Silizium-Photovoltaikzellen typischerweise nur ein Viertel der absorbierten Sonnenenergie in Strom umwandeln, während der Rest die Zelle aufheizt. Extreme Betriebstemperaturen verringern die Effizienz und Lebensdauer der Zelle.
2019 erkannten Peng Wang und sein Team, dass die Abwärme von Solarzellen zur Wasserreinigung genutzt werden kann. Sie entwickelten ein Gerät, das unter einem Photovoltaikmodul angebracht wird und Meerwasser in eine Reihe von geschichteten Kanälen saugt. Im obersten Kanal durch Solarzellenwärme verdampftes Wasser gelangt durch eine poröse Membran in eine untere Schicht, wo es redestilliert wird. Nach drei Reinigungsstufen wird Süßwasser mit einer Geschwindigkeit von fast 1.6 Litern pro Stunde produziert.
Selbst mit Wasserkühlung stellte das Team jedoch fest, dass die Betriebstemperatur ihres Photovoltaikmoduls hartnäckig hoch blieb. Um dies zu beheben, halfen die Forscher Wenbin Wang und Sara Aleid, ein theoretisches Modell zu entwickeln, um die Beziehung zwischen bestimmten Membranparametern, wie Dicke und Porosität, und der Wärme der Solarzelle zu untersuchen.
„Um eine niedrigere Solarzellentemperatur zu erreichen, muss die Wärmeübertragung durch die hydrophobe Membran im mehrstufigen Gerät reguliert werden“, erklärt Wang. „Einfach durch die Modulation der Membranparameter haben wir festgestellt, dass durch die Verwendung einer dünneren hydrophoben Membran mit höherer Porosität gleichzeitig eine höhere Entsalzungsleistung und eine niedrigere Solarzellentemperatur erreicht werden kann.“
Um diese Ergebnisse aus dem Labor in reale Umgebungen zu übertragen, musste das Team den Energiebedarf und die Abfallnebenprodukte im Zusammenhang mit der Entsalzung minimieren. Inspiriert von der Infusionstechnologie, die in intravenösen Leitungen verwendet wird, entwickelten die Forscher ein schwerkraftgetriebenes System, das Meerwasser ohne externe Pumpen in das Solarzellengerät einspeist. Darüber hinaus leitet ein spezielles Gewebe feste Salze und Mineralien ab und verhindert so die Freisetzung giftiger flüssiger Sole.
„Da unser Gerät Meerwasser entsalzen und Strom für netzferne Gemeinden liefern soll, ist es keine gute Wahl, sich auf eine mechanische Pumpe zur Steuerung der Durchflussmenge des Quellwassers zu verlassen“, erklärt Wang.
Experimente, darunter Outdoor-Tests auf dem sonnigen KAUST-Campus, ergaben, dass das neue Membrandesign einen Schub gibt Strom Erzeugung um 8 Prozent und verdoppelt gleichzeitig die bisherige Frischwassererzeugung.