Небольшие изменения в конструкции мембраны могут оказать большое влияние на производительность нового устройства. technology Разработан в компании KAUST, которая использует отходящее тепло солнечных батарей для опреснения морской воды. Солнечные панели могут стать невероятно горячими — более чем на 40 градусов по Цельсию выше, чем температура окружающего воздуха в засушливых регионах. Эти условия возникают потому, что кремниевые фотоэлектрические элементы обычно преобразуют только четверть поглощенной солнечной энергии в электричество, а остальная часть нагревает элемент. Экстремальные рабочие температуры снижают эффективность и срок службы элемента.
В 2019 году Пэн Ван и его команда поняли, что отработанное тепло солнечных элементов можно использовать для очистки воды. Они разработали устройство, которое крепится под фотоэлектрической панелью и втягивает морскую воду в ряд многослойных каналов. Вода, испаренная в самом верхнем канале теплом солнечных батарей, проходит через пористую мембрану в нижний слой, где она подвергается повторной дистилляции. После трехуровневой очистки скорость производства пресной воды составляет около 1.6 литра в час.
Однако даже при водяном охлаждении команда обнаружила, что рабочая температура их фотоэлектрической панели оставалась неизменно высокой. Чтобы исправить это, исследователи Венбин Ван и Сара Алейд помогли разработать теоретическую модель для изучения взаимосвязи между определенными параметрами мембраны, такими как толщина и пористость, с температурой солнечного элемента.
«Реализация более низкой температуры солнечного элемента зависит от регулирования теплопередачи через гидрофобную мембрану в многоступенчатом устройстве», - объясняет Ван. «Просто изменяя параметры мембраны, мы обнаружили, что использование более тонкой гидрофобной мембраны с более высокой пористостью позволяет одновременно достичь более высоких характеристик опреснения и более низкой температуры солнечных элементов».
Использование этих результатов из лаборатории в реальных условиях потребовало от команды минимизировать потребности в энергии и побочные продукты, связанные с опреснением. Вдохновленные технологией инфузии, используемой в внутривенных линиях, исследователи разработали гравитационную систему, которая подает морскую воду в солнечные элементы без внешних насосов. Кроме того, специальная ткань отводит твердые соли и минералы, предотвращая выброс токсичного жидкого рассола.
«Поскольку наше устройство предназначено для опреснения морской воды и обеспечения электроэнергией населенных пунктов, не подключенных к электросети, полагаться на механический насос для управления расходом исходной воды - не лучший выбор», - объясняет Ван.
Эксперименты, в том числе испытания на открытом воздухе в солнечном кампусе KAUST, показали, что новая конструкция мембраны повышает эффективность электричество производство на 8 процентов, а также удвоение предыдущих темпов производства пресной воды.