Pequenas alterações no design da membrana podem ter um grande impacto no desempenho de uma nova tecnologia desenvolvido na KAUST que utiliza calor residual de células solares para dessalinização de água do mar. Os painéis solares podem ficar incrivelmente quentes – mais de 40 graus Celsius mais quentes do que a temperatura do ar circundante em regiões áridas. Estas condições surgem porque as células fotovoltaicas de silício normalmente convertem apenas um quarto da energia solar absorvida em eletricidade, enquanto o restante aquece a célula. As temperaturas operacionais extremas reduzem a eficiência e a vida útil da célula.
Em 2019, Peng Wang e sua equipe perceberam que o calor residual da célula solar poderia ser usado para purificação de água. Eles desenvolveram um dispositivo que se conecta sob um painel fotovoltaico e puxa a água do mar para uma série de canais em camadas. A água vaporizada no canal superior pelo calor da célula solar passa por uma membrana porosa para uma camada inferior, onde é redestilada. Após três camadas de purificação, a água doce é produzida a taxas próximas a 1.6 litros por hora.
Mesmo com o resfriamento a água, no entanto, a equipe descobriu que a temperatura operacional de seu painel fotovoltaico permanecia teimosamente alta. Para remediar isso, os pesquisadores Wenbin Wang e Sara Aleid ajudaram a desenvolver um modelo teórico para explorar a relação entre certos parâmetros da membrana, como espessura e porosidade, para o calor da célula solar.
“Conseguir uma temperatura mais baixa da célula solar depende da regulação da transferência de calor através da membrana hidrofóbica no dispositivo de vários estágios”, explica Wang. “Simplesmente modulando os parâmetros da membrana, descobrimos que a utilização de uma membrana hidrofóbica mais fina com maior porosidade permite que o desempenho de dessalinização mais alto e a temperatura da célula solar mais baixa sejam alcançados simultaneamente”.
Levar esses resultados do laboratório para ambientes do mundo real exigiu que a equipe minimizasse as necessidades de energia e resíduos de subprodutos associados à dessalinização. Inspirando-se na tecnologia de infusão usada em linhas intravenosas, os pesquisadores desenvolveram um sistema acionado pela gravidade que alimenta a água do mar no dispositivo de célula solar sem bombas externas. Além disso, um tecido especial absorve sais sólidos e minerais, evitando a liberação de salmoura líquida tóxica.
“Como nosso dispositivo tem como objetivo dessalinizar a água do mar e fornecer eletricidade para comunidades fora da rede, contar com uma bomba mecânica para controlar a taxa de fluxo da fonte de água não é uma boa escolha”, explica Wang.
Experimentos, incluindo testes ao ar livre no ensolarado campus KAUST, revelaram que o novo design de membrana impulsionou eletricidade geração em 8 por cento enquanto também duplica as taxas anteriores de geração de água doce.