Kleine veranderingen in het membraanontwerp kunnen een grote impact hebben op de prestaties van een nieuw membraan technologie ontwikkeld bij KAUST en gebruikt restwarmte van zonnecellen voor de ontzilting van zeewater. Zonnepanelen kunnen ongelooflijk heet worden: meer dan 40 graden Celsius warmer dan de omringende luchttemperatuur in droge gebieden. Deze omstandigheden ontstaan doordat fotovoltaïsche cellen van silicium doorgaans slechts een kwart van de geabsorbeerde zonne-energie omzetten in elektriciteit, terwijl de rest de cel verwarmt. Extreme bedrijfstemperaturen verminderen de efficiëntie en levensduur van de cel.
In 2019 realiseerden Peng Wang en zijn team zich dat afvalwarmte van zonnecellen kan worden gebruikt voor waterzuivering. Ze ontwikkelden een apparaat dat onder een fotovoltaïsch paneel wordt bevestigd en zeewater in een reeks gelaagde kanalen trekt. Water dat in het bovenste kanaal verdampt door zonnecelwarmte gaat door een poreus membraan naar een onderste laag, waar het opnieuw wordt gedestilleerd. Na drie zuiveringslagen wordt zoet water geproduceerd met snelheden van bijna 1.6 liter per uur.
Zelfs met waterkoeling ontdekte het team echter dat de bedrijfstemperatuur van hun fotovoltaïsche paneel hardnekkig hoog bleef. Om dit te verhelpen, hielpen onderzoekers Wenbin Wang en Sara Aleid een theoretisch model te ontwikkelen om de relatie tussen bepaalde membraanparameters, zoals dikte en porositeit, en de zonnecelwarmte te onderzoeken.
"Het realiseren van een lagere zonneceltemperatuur is afhankelijk van het reguleren van de warmteoverdracht door het hydrofobe membraan in het meertrapsapparaat", legt Wang uit. "Gewoon door de membraanparameters te moduleren, ontdekten we dat het gebruik van een dunner hydrofoob membraan met een hogere porositeit tegelijkertijd hogere ontziltingsprestaties en een lagere zonneceltemperatuur mogelijk maakt."
Om deze resultaten van het laboratorium naar een echte omgeving te brengen, moest het team de energiebehoeften en afvalbijproducten die verband houden met ontzilting tot een minimum beperken. Geïnspireerd door infusietechnologie die wordt gebruikt in intraveneuze lijnen, ontwikkelden de onderzoekers een door zwaartekracht aangedreven systeem dat zeewater in het zonnecelapparaat voedt zonder externe pompen. Bovendien voert een speciale stof vaste zouten en mineralen af, waardoor het vrijkomen van giftige vloeibare pekel wordt voorkomen.
"Omdat ons apparaat bedoeld is om zeewater te ontzilten en elektriciteit te leveren aan off-grid gemeenschappen, is het geen goede keuze om te vertrouwen op een mechanische pomp om de stroomsnelheid van bronwater te regelen", legt Wang uit.
Experimenten, waaronder buitentests op de zonnige KAUST-campus, toonden aan dat het nieuwe membraanontwerp een boost gaf elektriciteit opwekking met 8 procent, terwijl ook eerdere percentages van zoetwaterproductie worden verdubbeld.