太阳能海水淡化系统无需额外电池，可以低成本提供饮用水
麻省理工学院的工程师们建造了一个新型海水淡化系统，该系统的运行与太阳的节律一致。研究人员在《自然水》杂志上发表的一篇论文中报告了新系统的细节。太阳能系统以与太阳能变化密切相关的速度去除水中的盐分。随着一天中阳光的增加，系统会加快脱盐过程，并自动适应阳光的任何突然变化，例如，当云层飘过时，系统会调低脱盐速度，当天空放晴时，系统会加快脱盐速度。
由于该系统可以快速响应阳光的细微变化，因此它最大限度地利用了太阳能，尽管全天阳光变化很大，但仍能生产出大量清洁水。与其他太阳能驱动的海水淡化设计相比，麻省理工学院的系统不需要额外的电池来储存能量，也不需要补充电源，例如来自电网的电源。
工程师们在新墨西哥州的地下水井上测试了一个社区规模的原型，测试时间长达六个月，测试范围涵盖了各种天气条件和水质。尽管天气和光照条件变化很大，但该系统平均利用了太阳能电池板产生的电能的 94% 以上，每天可产出多达 5,000 升水。
“传统的海水淡化技术需要稳定的电力，需要电池储存来平衡太阳能等可变电源。通过不断与太阳同步改变电力消耗，我们的技术可以直接高效地利用太阳能来制水，”麻省理工学院机械工程系 Germeshausen 教授兼 K. Lisa Yang 全球工程与研究 (GEAR) 中心主任 Amos Winter 说道。
“能够利用可再生能源生产饮用水，而无需电池储存，这是一项巨大的挑战。我们做到了。”
该系统旨在淡化地下咸水——一种存在于地下水库中的咸水源，比地下淡水资源更为普遍。研究人员认为地下咸水是一个巨大的未开发的潜在饮用水源，尤其是在世界部分地区淡水储备紧张的情况下。
他们设想，新的可再生、无电池系统可以以低成本提供急需的饮用水，特别是对于海水和电网电力有限的内陆社区。
“实际上，大多数人口居住的地方距离海岸很远，海水淡化根本无法到达他们。因此，他们严重依赖地下水，尤其是在偏远的低收入地区。不幸的是，由于气候变化，地下水变得越来越咸，”麻省理工学院机械工程博士生乔纳森·贝塞特 (Jonathan Bessette) 说道。
“这项技术可以为世界各地未得到普及的地区带来可持续的、负担得起的清洁水。”
泵和流量
新系统以之前的设计为基础，温特和他的同事（包括前麻省理工学院博士后何伟）今年早些时候报告了这一设计。该系统旨在通过“灵活批量电渗析”淡化海水。
电渗析和反渗透是淡化地下咸水的两种主要方法。反渗透利用压力将盐水泵过膜并过滤掉盐分。电渗析利用电场在水泵过一堆离子交换膜时提取盐离子。
科学家们一直试图利用可再生能源为这两种方法提供动力。但这对于反渗透系统来说尤其具有挑战性，因为反渗透系统传统上以稳定的功率水平运行，与太阳能等自然可变能源不兼容。
温特、何和他们的同事专注于电渗析，寻求制造更灵活、“随时间变化”的系统的方法，以响应可再生太阳能的变化。
在之前的设计中，该团队构建了一个由水泵、离子交换膜堆和太阳能电池板阵列组成的电渗析系统。
该系统的创新之处在于其基于模型的控制系统，该系统使用来自系统各个部分的传感器读数来预测通过烟囱泵送水的最佳速率以及应施加到烟囱的电压，以最大限度地从水中抽出盐的量。
当团队在现场测试该系统时，它能够根据太阳的自然变化来改变其产水量。平均而言，该系统直接利用了太阳能电池板产生的可用电能的 77%，团队估计这比传统设计的太阳能电渗析系统多 91%。
尽管如此，研究人员认为他们可以做得更好。
“我们只能每三分钟计算一次，而在此期间，一朵云可能会飘过并遮住太阳，”温特说。“系统可能会说，‘我需要以这么高的功率运行。’但由于现在阳光变少，部分功率突然下降。因此，我们不得不用额外的电池来补充这些功率。”
太阳能命令
在他们最新的研究中，研究人员试图通过将系统的响应时间缩短至几分之一秒来消除对电池的需求。新系统能够每秒更新三到五次脱盐率。更快的响应时间使系统能够适应全天阳光的变化，而无需使用额外的电源来弥补任何电力滞后。
更灵活的脱盐方法的关键是贝塞特和普拉特设计的更简单的控制策略。新策略是“流量指令电流控制”，其中系统首先感知系统的太阳能电池板产生的太阳能量。
如果太阳能电池板产生的电量超过系统所用电量，控制器就会自动“命令”系统增加泵送量，将更多的水推过电渗析堆。同时，系统通过增加输送到堆的电流来转移一些额外的太阳能，以便从流速更快的水中排出更多的盐。
“假设太阳每隔几秒钟升起一次，”温特解释道。
“因此，我们每秒三次查看太阳能电池板并说，‘哦，我们有更多的电力——让我们稍微提高一下流量和电流。’当我们再次查看并发现还有更多的过剩电力时，我们会再次提高它。当我们这样做时，我们能够全天非常准确地将消耗的电力与可用的太阳能紧密匹配。我们循环得越快，所需的电池缓冲就越少。”
工程师们将新的控制策略融入到一套全自动系统中，该系统的日淡化量足以满足约 3,000 人的小社区的用水需求。他们在新墨西哥州阿拉莫戈多的咸水地下水国家研究设施的几口井上运行了该系统六个月。
在整个试验过程中，原型机在各种太阳能条件下运行，平均利用超过 94% 的太阳能电池板电能直接为海水淡化提供动力。
“与传统的太阳能海水淡化系统设计相比，我们将所需的电池容量减少了近 100%，”温特说。
工程师们计划进一步测试和扩大该系统，希望为更大的社区，甚至整个城市提供低成本、完全由太阳能驱动的饮用水。
贝塞特说：“虽然这是一个重大进步，但我们仍在努力继续开发成本更低、更可持续的海水淡化方法。”
普拉特补充道：“我们现在的重点是测试、最大限度地提高可靠性，以及建立一条能够利用可再生能源向全球多个市场提供淡化水的产品线。”
该团队将在未来几个月内成立一家基于其技术的公司。这项研究的合著者包括 Bessette、Winter 和员工工程师 Shane Pratt。
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