Система автоматически подстраивается под колебания солнечного света: снижает мощность при появлении облаков и увеличивает её, когда небо проясняется. Благодаря этому она максимально эффективно использует солнечную энергию и производит много чистой воды, несмотря на изменения в течение дня. Дополнительных батарей или подключения к сети системе MIT не требуется.

Инженеры тестировали систему на скважинах грунтовых вод в Нью-Мексико в течение шести месяцев. Система работала в разных погодных условиях и с разными типами воды, используя более 94% электроэнергии от солнечных панелей для производства до 5 000 литров воды в день.

Амос Винтер, профессор машиностроения Гермесхаузен и директор Глобального инженерно-исследовательского центра К. Лизы Янг при Массачусетском технологическом институте, рассказал, что традиционные технологии опреснения требуют постоянной мощности и нуждаются в аккумуляторных батареях.

Наша технология напрямую использует солнечную энергию для производства воды. При этом она эффективно изменяет потребляемую мощность синхронно с солнцем. Это позволяет производить питьевую воду без аккумуляторов.

Система предназначена для опреснения солоноватых грунтовых вод. Они находятся в подземных резервуарах и встречаются чаще, чем пресные грунтовые воды. Исследователи считают их потенциальным источником питьевой воды, особенно когда запасы пресной воды истощаются. Новая система может обеспечить питьевую воду по низким ценам, особенно для жителей внутренних районов, где доступ к морской воде и электросети ограничен.

Большинство людей живёт далеко от моря, и опреснение морской воды им недоступно. Они используют подземные воды, особенно в бедных регионах. Но из-за изменения климата эти грунтовые воды становятся всё более солёными.

По словам аспиранта факультета машиностроения Массачусетского технологического института Джонатана Бессетта, эта технология может обеспечить доступной чистой водой труднодоступные районы по всему миру.

Исследователи подробно описывают новую систему в журнале Nature Water.

Соавторы исследования — Бессетт, Винтер и штатный инженер Шейн Пратт.

Насос и поток

Новая система основана на предыдущей, о которой Винтер и его коллеги, включая Вэя Хэ, сообщили ранее в этом году. Она предназначена для опреснения воды с помощью электродиализа периодического действия.

Электродиализ и обратный осмос — основные методы опреснения солоноватых грунтовых вод. При обратном осмосе солёная вода под давлением проходит через мембрану, которая отфильтровывает соли. Электродиализ использует электрическое поле: оно вытягивает ионы соли из воды, проходящей через стопку ионообменных мембран.

Учёные пытаются использовать возобновляемые источники энергии для обоих методов. Но это особенно сложно для обратного осмоса, который традиционно работает на постоянном уровне мощности, что несовместимо с переменными источниками энергии, такими как солнце.

Винтер, Хе и их коллеги разработали более гибкую систему электродиализа, которая реагирует на колебания солнечной энергии.

В предыдущей работе команда создала систему электродиализа с водяными насосами, ионообменной мембраной и солнечной батареей. Инновацией стала система управления, использующая показания датчиков для прогнозирования оптимальной скорости прокачки воды через стек и напряжения для максимального извлечения соли из воды.

Тестирование системы в полевых условиях показало её способность варьировать производство воды в зависимости от солнечной активности. В среднем система использовала 77% доступной электрической энергии от солнечных панелей, что на 91% больше, чем у традиционных систем электродиализа на солнечной энергии.

Исследователи считают, что могли бы добиться большего.

Мы рассчитывали каждые три минуты, и за это время облако могло закрыть солнце, — говорит Винтер.

Система могла работать на такой-то высокой мощности, но часть этой мощности снижалась из-за недостатка солнечного света. Поэтому мы использовали дополнительные батареи.

Солнечные команды

Исследователи создали систему, которая может обновлять скорость опреснения воды от трёх до пяти раз в секунду. Благодаря этому система успевает подстроиться под изменения солнечного света и ей не нужны дополнительные источники питания.

Для более быстрого обессоливания воды нужна простая стратегия управления, разработанная Бессеттом и Праттом. Она называется «управление током по потоку».

Система определяет количество солнечной энергии, которую вырабатывают панели. Если её больше, чем нужно системе, контроллер автоматически увеличивает мощность насоса. Это позволяет прогнать больше воды через электродиализные трубы.

Одновременно система перенаправляет часть дополнительной солнечной энергии на стеки. Благодаря этому электрический ток вытесняет больше соли из быстро текущей воды.

Винтер объясняет:

Мы смотрим на солнечные панели три раза в секунду. Если видим, что энергии стало больше, то увеличиваем скорость потока и ток. И так мы можем точно соотнести потребляемую мощность с доступной солнечной энергией в течение дня. Увеличивая частоту замеров, мы снижаем потребность в буферных батареях.

Инженеры внедрили новую стратегию управления в автоматизированную систему опреснения солоноватой грунтовой воды. Этого объёма достаточно для снабжения небольшого населённого пункта с населением около 3000 человек.

Система работала шесть месяцев на нескольких скважинах в Аламогордо (штат Нью-Мексико). Прототип успешно справлялся с опреснением воды, используя более 94% электрической энергии солнечных панелей.

Винтер:

Мы сократили требуемую ёмкость батареи почти на 100% по сравнению с традиционной конструкцией солнечной опреснительной системы.

Инженеры планируют и дальше тестировать и масштабировать систему, чтобы обеспечить доступной питьевой водой, работающей только на солнечной энергии, большие населённые пункты и даже целые муниципалитеты.

Бессетт:

Это большой шаг вперёд, но мы продолжаем работать над тем, чтобы сделать опреснение более дешёвым и экологичным.

Пратт:

Сейчас мы тестируем наши решения, повышаем их надёжность и создаём продукты, которые обеспечат множество рынков по всему миру опреснённой водой, используя возобновляемые источники энергии.