De petits changements dans la conception de la membrane peuvent avoir un impact important sur les performances d'un nouveau sans souci développé à KAUST qui utilise la chaleur perdue des cellules solaires pour le dessalement de l'eau de mer. Les panneaux solaires peuvent devenir incroyablement chauds : plus de 40 degrés Celsius de plus que la température de l’air ambiant dans les régions arides. Ces conditions surviennent parce que les cellules photovoltaïques au silicium ne convertissent généralement qu’un quart de l’énergie solaire absorbée en électricité tandis que le reste chauffe la cellule. Les températures de fonctionnement extrêmes réduisent l'efficacité et la durée de vie de la cellule.
En 2019, Peng Wang et son équipe ont réalisé que la chaleur résiduelle des cellules solaires pouvait être utilisée pour la purification de l'eau. Ils ont développé un dispositif qui se fixe sous un panneau photovoltaïque et aspire l'eau de mer dans une série de canaux en couches. L'eau vaporisée dans le canal supérieur par la chaleur des cellules solaires passe à travers une membrane poreuse jusqu'à une couche inférieure, où elle est redistillée. Après trois couches de purification, l'eau douce est produite à des débits proches de 1.6 litre par heure.
Même avec le refroidissement par eau, cependant, l'équipe a constaté que la température de fonctionnement de leur panneau photovoltaïque restait obstinément élevée. Pour y remédier, les chercheurs Wenbin Wang et Sara Aleid ont aidé à développer un modèle théorique pour explorer la relation entre certains paramètres membranaires, tels que l'épaisseur et la porosité, et la chaleur des cellules solaires.
"Réaliser une température de cellule solaire plus basse repose sur la régulation du transfert de chaleur à travers la membrane hydrophobe dans le dispositif à plusieurs étages", explique Wang. « En modulant simplement les paramètres de la membrane, nous avons découvert que l'utilisation d'une membrane hydrophobe plus mince avec une porosité plus élevée permet d'obtenir simultanément des performances de dessalement plus élevées et une température de cellule solaire plus basse. »
Transférer ces résultats du laboratoire à des environnements réels a obligé l'équipe à minimiser les besoins énergétiques et les sous-produits de déchets associés au dessalement. S'inspirant de la technologie d'infusion utilisée dans les lignes intraveineuses, les chercheurs ont développé un système gravitaire qui alimente en eau de mer le dispositif à cellules solaires sans pompes externes. De plus, un tissu spécial évacue les sels solides et les minéraux, évitant ainsi la libération de saumure liquide toxique.
« Parce que notre appareil vise à dessaler l'eau de mer et à fournir de l'électricité aux communautés hors réseau, s'appuyer sur une pompe mécanique pour contrôler le débit de l'eau de source n'est pas un bon choix », explique Wang.
Des expériences, y compris des tests en extérieur sur le campus ensoleillé de KAUST, ont révélé que la nouvelle conception de la membrane a stimulé électricité de 8 pour cent tout en doublant les taux précédents de production d'eau douce.