Einfache, solarbetriebene Wasserentsalzung – Neues Maß an Effizienz zur Herstellung von frischem Trinkwasser aus Meerwasser.

http://news.mit.edu/2020/passive-solar-powered-water-desalination-0207

Ein vollständig passives solarbetriebenes Entsalzungssystem, das von Forschern am MIT und in China entwickelt wurde, könnte pro Quadratmeter Sonnensammelfläche mehr als 1,5 Gallonen frisches Trinkwasser pro Stunde liefern. Solche Systeme könnten möglicherweise netzunabhängige und trockene Küstengebiete bedienen, um eine effiziente und kostengünstige Wasserquelle bereitzustellen.

Das System verwendet mehrere Schichten flacher Solarverdampfer und -kondensatoren, die in einer vertikalen Anordnung angeordnet und mit einer transparenten Aerogelisolierung versehen sind. Es wird in einem Artikel beschrieben , der heute in der Zeitschrift Energy and Environmental Science erscheint , die von den MIT-Doktoranden Lenan Zhang und Lin Zhao, Postdoc Zhenyuan Xu, Professor für Maschinenbau und Abteilungsleiterin Evelyn Wang, und acht weiteren am MIT und in Shanghai Jiao verfasst wurde Tong Universität in China.

Der Schlüssel zur Effizienz des Systems liegt in der Art und Weise, wie jede der mehreren Stufen zur Entsalzung des Wassers verwendet wird. In jeder Phase wird die von der vorherigen Phase freigesetzte Wärme genutzt und nicht verschwendet. Auf diese Weise kann das Demonstrationsgerät des Teams einen Gesamtwirkungsgrad von 385 Prozent bei der Umwandlung der Energie des Sonnenlichts in die Energie der Wasserverdampfung erreichen.

Die Vorrichtung ist im Wesentlichen eine mehrschichtige Solarstille mit einer Reihe von verdampfenden und kondensierenden Komponenten, wie sie zum Destillieren von Flotte verwendet werden. Es verwendet flache Paneele, um Wärme zu absorbieren und diese Wärme dann auf eine Wasserschicht zu übertragen, so dass sie zu verdampfen beginnt. Der Dampf kondensiert dann auf der nächsten Platte. Dieses Wasser wird gesammelt, während die Wärme aus der Dampfkondensation an die nächste Schicht weitergegeben wird.

Immer wenn Dampf auf einer Oberfläche kondensiert, gibt er Wärme ab. In typischen Kondensatorsystemen geht diese Wärme einfach an die Umwelt verloren. In diesem Mehrschichtverdampfer fließt die freigesetzte Wärme zur nächsten Verdampfungsschicht, recycelt die Sonnenwärme und steigert den Gesamtwirkungsgrad.

„Wenn Sie Wasser kondensieren, geben Sie Energie als Wärme ab“, sagt Wang. „Wenn Sie mehr als eine Stufe haben, können Sie diese Hitze nutzen.“

Das Hinzufügen weiterer Schichten erhöht die Umwandlungseffizienz für die Herstellung von Trinkwasser, aber jede Schicht erhöht auch die Kosten und das Volumen des Systems. Das Team entschied sich für ein 10-Stufen-System für sein Proof-of-Concept-Gerät, das auf einem MIT-Gebäudedach getestet wurde. Das System lieferte reines Wasser, das die Trinkwasserstandards der Stadt übertraf, mit einer Rate von 5,78 Litern pro Quadratmeter (etwa 1,52 Gallonen pro 11 Quadratfuß) Sonnenkollektorfläche. Dies ist mehr als doppelt so viel wie die Rekordmenge, die zuvor von einem solchen passiven solarbetriebenen Entsalzungssystem produziert wurde, sagt Wang.

Theoretisch könnten solche Systeme mit mehr Entsalzungsstufen und weiterer Optimierung einen Gesamtwirkungsgrad von bis zu 700 oder 800 Prozent erreichen, sagt Zhang.

Im Gegensatz zu einigen Entsalzungssystemen gibt es keine Ansammlung von Salz oder konzentrierten Salzlösungen, die entsorgt werden müssen. In einer frei schwebenden Konfiguration würde jedes Salz, das sich tagsüber ansammelt, nachts einfach durch das Dochtwirkungsmaterial zurück ins Meerwasser geleitet, so die Forscher.

Ihre Demonstrationseinheit wurde größtenteils aus kostengünstigen, leicht verfügbaren Materialien wie einem handelsüblichen schwarzen Solarabsorber und Papiertüchern für einen Kapillardocht gebaut, um das Wasser in Kontakt mit dem Solarabsorber zu bringen. Bei den meisten anderen Versuchen, passive solare Entsalzungssysteme herzustellen, waren das Solarabsorbermaterial und das Dochtwirkungsmaterial eine einzige Komponente, die spezielle und teure Materialien erfordert, sagt Wang. „Wir konnten diese beiden entkoppeln.“

Die teuerste Komponente des Prototyps ist eine Schicht aus transparentem Aerogel, die als Isolator oben auf dem Stapel verwendet wird. Das Team schlägt jedoch vor, dass andere weniger teure Isolatoren als Alternative verwendet werden könnten. (Das Aerogel selbst besteht aus spottbilliger Kieselsäure, erfordert jedoch für seine Herstellung spezielle Trocknungsgeräte.)

Wang betont, dass der Hauptbeitrag des Teams ein Rahmen für das Verständnis der Optimierung solcher mehrstufigen passiven Systeme ist, die sie als thermisch lokalisierte mehrstufige Entsalzung bezeichnen. Die von ihnen entwickelten Formeln könnten wahrscheinlich auf eine Vielzahl von Materialien und Gerätearchitekturen angewendet werden, um eine weitere Optimierung von Systemen auf der Grundlage unterschiedlicher Betriebsmaßstäbe oder lokaler Bedingungen und Materialien zu ermöglichen.

Eine mögliche Konfiguration wären schwimmende Paneele auf einem Salzwasserkörper wie einem Auffangteich. Diese könnten ständig und passiv frisches Wasser durch Rohre an die Küste liefern, solange die Sonne jeden Tag scheint. Andere Systeme könnten für einen einzelnen Haushalt ausgelegt sein, möglicherweise unter Verwendung eines Flachbildschirms auf einem großen flachen Meerwassertank, der gepumpt oder hineingetragen wird. Das Team schätzt, dass ein System mit einer Sonnensammelfläche von etwa 1 Quadratmeter die Anforderungen erfüllen könnte täglicher Trinkwasserbedarf einer Person. In der Produktion glauben sie, dass ein System, das auf die Bedürfnisse einer Familie zugeschnitten ist, für etwa 100 US-Dollar gebaut werden könnte.

Die Forscher planen weitere Experimente, um die Auswahl der Materialien und Konfigurationen weiter zu optimieren und die Haltbarkeit des Systems unter realistischen Bedingungen zu testen. Sie werden auch daran arbeiten, das Design ihres Geräts im Labormaßstab in etwas zu übersetzen, das für die Verwendung durch Verbraucher geeignet wäre. Die Hoffnung ist, dass es letztendlich eine Rolle bei der Linderung der Wasserknappheit in Teilen der Entwicklungsländer spielen könnte, in denen zuverlässiger Strom knapp ist, Meerwasser und Sonnenlicht jedoch reichlich vorhanden sind.

„Dieser neue Ansatz ist sehr wichtig“, sagt Ravi Prasher, Associate Lab Director bei

Lawrence Berkeley National Laboratory und außerordentlicher Professor für Maschinenbau an der University of California in Berkeley, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war. „Eine der Herausforderungen bei der solaren Entsalzung auf Stillbasis war der geringe Wirkungsgrad aufgrund des Verlusts erheblicher Energie bei der Kondensation. Durch die effiziente Ernte der Kondensationsenergie wird die Gesamteffizienz von Sonne zu Dampf dramatisch verbessert. … Diese Effizienzsteigerung wird sich insgesamt auf die Senkung der Kosten für produziertes Wasser auswirken. “

Das Forschungsteam bestand aus Bangjun Li, Chenxi Wang und Ruzhu Wang von der Shanghai Jiao Tong University sowie von Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban und John Lienhard, dem Abdul Latif Jameel Professor für Wasser am MIT. Die Forschung wurde von der National Natural Science Foundation in China, der Singapore-MIT Alliance für Forschung und Technologie und dem MIT Tata Center für Technologie und Design unterstützt.

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