Piccoli cambiamenti nel design della membrana possono avere un grande impatto sulle prestazioni di una nuova la tecnologia sviluppato presso KAUST che utilizza il calore di scarto delle celle solari per la desalinizzazione dell'acqua di mare. I pannelli solari possono diventare incredibilmente caldi: oltre 40 gradi Celsius più caldi della temperatura dell’aria circostante nelle regioni aride. Queste condizioni si verificano perché le celle fotovoltaiche in silicio convertono in genere solo un quarto dell’energia solare assorbita in elettricità mentre il resto riscalda la cella. Temperature operative estreme riducono l'efficienza e la durata della cella.
Nel 2019, Peng Wang e il suo team si sono resi conto che il calore residuo delle celle solari poteva essere utilizzato per la purificazione dell'acqua. Hanno sviluppato un dispositivo che si attacca sotto un pannello fotovoltaico e attira l'acqua di mare in una serie di canali a strati. L'acqua vaporizzata nel canale più alto dal calore della cella solare passa attraverso una membrana porosa a uno strato inferiore, dove viene ridistillata. Dopo tre strati di purificazione, l'acqua dolce viene prodotta a velocità prossime a 1.6 litri all'ora.
Anche con il raffreddamento ad acqua, tuttavia, il team ha scoperto che la temperatura di esercizio del pannello fotovoltaico rimaneva ostinatamente alta. Per rimediare a questo, i ricercatori Wenbin Wang e Sara Aleid hanno aiutato a sviluppare un modello teorico per esplorare la relazione tra alcuni parametri della membrana, come spessore e porosità, con il calore della cella solare.
"La realizzazione di una temperatura della cella solare più bassa si basa sulla regolazione del trasferimento di calore attraverso la membrana idrofoba nel dispositivo multistadio", spiega Wang. "Semplicemente modulando i parametri della membrana, abbiamo scoperto che l'utilizzo di una membrana idrofoba più sottile con una maggiore porosità consente di ottenere contemporaneamente prestazioni di desalinizzazione più elevate e una temperatura della cella solare inferiore".
Portare questi risultati dal laboratorio agli ambienti del mondo reale ha richiesto al team di ridurre al minimo il fabbisogno energetico e i sottoprodotti di scarto associati alla desalinizzazione. Prendendo ispirazione dalla tecnologia di infusione utilizzata nelle linee endovenose, i ricercatori hanno sviluppato un sistema a gravità che alimenta l'acqua di mare nel dispositivo a celle solari senza pompe esterne. Inoltre, uno speciale tessuto allontana sali solidi e minerali, evitando il rilascio di salamoia liquida tossica.
"Poiché il nostro dispositivo mira a desalinizzare l'acqua di mare e fornire elettricità alle comunità off-grid, fare affidamento su una pompa meccanica per controllare la portata dell'acqua di fonte non è una buona scelta", spiega Wang.
Gli esperimenti, compresi i test all'aperto nel soleggiato campus KAUST, hanno rivelato che il nuovo design della membrana è stato potenziato elettricità generazione dell'8 per cento, raddoppiando anche i precedenti tassi di generazione di acqua dolce.