MIT のエンジニアは、太陽のリズムで動作する新しい淡水化システムを構築しました。研究者らは、新しいシステムの詳細を論文で報告しています。自然の水。

太陽光発電システムは、環境の変化にほぼ追従したペースで水から塩を除去します。太陽エネルギー。日中の太陽光が増加すると、システムは脱塩プロセスを強化し、雲の通過に応じてダイヤルを下げたり、空が晴れると回転数を上げたりするなど、太陽光の突然の変化に自動的に調整します。

このシステムは太陽光の微妙な変化に素早く反応できるため、太陽エネルギーの利用を最大限に活用し、1 日を通して太陽光が変化しても大量のきれいな水を生産します。他の太陽光発電による淡水化設計とは対照的に、MIT システムは追加のバッテリーを必要としません。エネルギー貯蔵、グリッドなどからの補助電源もありません。

エンジニアたちは、ニューメキシコ州の地下水井戸で地域規模のプロトタイプを 6 か月間かけて、さまざまな気象条件や水の種類で作業しながらテストしました。このシステムは、天候や利用可能な太陽光の大幅な変動にもかかわらず、システムのソーラーパネルから生成された電気エネルギーの平均 94% 以上を利用して、1 日あたり最大 5,000 リットルの水を生成しました。

「従来の淡水化技術は安定した電力を必要とし、太陽光などの変動する電源を平滑化するために蓄電池も必要とします。消費電力太陽と同期して、私たちの技術は太陽エネルギーを直接的かつ効率的に使用して水を生成します」と、ゲルメスハウゼン機械工学教授であり、MIT の K. リサ ヤン グローバル工学研究 (GEAR) センター所長であるアモス ウィンター氏は述べています。

「蓄電池を必要とせずに、再生可能エネルギーで飲料水を作ることができるというのは、非常に大きな挑戦です。そして私たちはそれをやり遂げました。」

このシステムは、地下貯水池に存在し、新鮮な地下水資源よりも多く存在する塩分を含んだ水源である汽水地下水を淡水化することを目的としています。研究者らは、特に世界の一部地域で淡水の埋蔵量が逼迫している中、汽水地下水が未開発の潜在的な飲料水の巨大な供給源であるとみなしている。

彼らは、新しい再生可能で電池不要のシステムが、特に海水や送電網へのアクセスが限られている内陸地域に、切望されている飲料水を低コストで提供できると構想している。

「実際、人口の大多数は海水淡水化が決して届かないほど海岸から遠く離れたところに住んでいます。そのため、特に辺鄙な低所得地域では、地下水に大きく依存しています。そして残念なことに、この地下水は、次のような影響でますます塩分濃度が高くなっています。気候変動」とMIT博士のジョナサン・ベセットは言う。機械工学の学生。

「この技術は、持続可能で手頃な価格のきれいな水を世界中の恵まれない場所にもたらす可能性があります。」

ポンプと流れ

新しいシステムは、Winter と元 MIT ポスドク Wei He を含む彼の同僚が開発した以前の設計に基づいて構築されています。今年初めに報告された。このシステムは、「柔軟なバッチ電気透析」を通じて水を脱塩することを目的としていました。

電気透析と逆浸透は、汽水地下水を淡水化するために使用される 2 つの主な方法です。逆浸透では、圧力を使用して塩水を膜に送り込み、塩を濾過します。電気透析では、水がイオン交換膜のスタックを通ってポンプで送られるときに、電場を使用して塩イオンを引き出します。

科学者たちは、再生可能資源を利用して両方の方法を強化することを検討しました。しかし、これは特に困難でした逆浸透従来、システムは安定した電力レベルで動作していましたが、これは太陽などの自然に変動するエネルギー源とは互換性がありませんでした。

ウィンター氏、ヘ氏、およびその同僚らは電気透析に焦点を当て、再生可能太陽光発電の変動に対応できる、より柔軟で「時間変動する」システムを作成する方法を模索しました。

以前の設計では、チームは水ポンプ、イオン交換膜スタック、およびソーラー パネル アレイで構成される電気透析システムを構築しました。

このシステムの革新的な点は、システムのあらゆる部分からのセンサー読み取り値を使用して、スタックに水を汲み上げる最適な速度と、水の量を最大化するためにスタックに印加する電圧を予測するモデルベースの制御システムでした。水から取り出した塩。

チームがこのシステムを現場でテストしたところ、太陽の自然な変化に応じて水の生成を変えることができました。平均して、このシステムはソーラーパネルによって生成された利用可能な電気エネルギーの 77% を直接使用し、研究チームはこれが従来設計の太陽光発電電気透析システムよりも 91% 多いと推定しました。

それでも、研究者らはもっと改善できると感じた。

「計算できるのは 3 分ごとだけで、その間に文字通り雲がやって来て太陽を遮ってしまう可能性がありました」とウィンター氏は言います。「システムが『このハイパワーで走る必要がある』と言っているのかもしれません。しかし、太陽光が少なくなったために電力の一部が突然低下したため、予備のバッテリーで電力を補わなければなりませんでした。」

ソーラーコマンド

研究者らは最新の研究で、システムの応答時間をほんの数秒に短縮することで、バッテリーの必要性を排除することを目指した。新しいシステムは、1 秒あたり 3 ～ 5 回、脱塩速度を更新できます。応答時間が速いため、追加の電源で電力の遅れを補うことなく、システムは 1 日を通して太陽光の変化に適応できます。

より迅速な脱塩の鍵は、ベセットとプラットによって考案された、よりシンプルな制御戦略です。新しい戦略は「流量指令電流制御」の 1 つで、システムは最初にシステムのソーラー パネルによって生成されている太陽光発電の量を感知します。

パネルがシステムが使用している電力よりも多くの電力を生成している場合、コントローラーは自動的にシステムにポンピングをダイヤルアップするように「命令」し、より多くの水を電気透析スタックに押し込みます。同時に、システムはスタックに供給される電流を増やすことで追加の太陽光発電の一部を転用し、流れの速い水からより多くの塩を追い出します。

「太陽が数秒ごとに昇るとしましょう」とウィンター氏は説明する。

「つまり、1秒間に3回、私たちはソーラーパネルを見て、『ああ、もっと電力がある。流量と電流を少し上げよう』と言うのです。」もう一度見て、まだ余剰電力があることがわかったら、再び電力を増やします。そうすることで、1 日を通して消費電力と利用可能な太陽光発電を正確に一致させることができ、より速くループすることができます。これにより、必要なバッテリーバッファリングが少なくなります。」

エンジニアらは、新しい制御戦略を完全自動システムに組み込み、約 3,000 人の小さなコミュニティに供給するのに十分な 1 日量の汽水地下水を淡水化できるように設計しました。彼らは、ニューメキシコ州アラモゴードにある汽水地下水国立研究施設のいくつかの井戸でこのシステムを6か月間稼働させました。

試行期間中、プロトタイプは幅広い太陽光条件下で動作し、平均してソーラーパネルの電気エネルギーの 94% 以上を直接淡水化に電力を供給するために利用しました。

「従来の太陽光発電システムの設計方法と比較して、必要なバッテリー容量をほぼ 100% 削減しました」とウィンター氏は言います。

技術者らは、より大規模な地域社会、さらには自治体全体に、低コストで完全に太陽光発電の飲料水を供給できることを期待して、システムをさらにテストして拡張する予定です。

「これは大きな前進ですが、私たちは依然として、より低コストでより持続可能な脱塩方法の開発を続けるために熱心に取り組んでいます」とベセット氏は言う。

「私たちは現在、テストを行い、信頼性を最大化し、脱塩された製品を提供できる製品ラインを構築することに重点を置いています。水世界中の複数の市場で再生可能エネルギーを利用しています」とプラット氏は付け加えた。

チームは今後数か月以内に、そのテクノロジーに基づいて会社を立ち上げる予定です。この研究の共著者は、ベセット氏、ウィンター氏、スタッフエンジニアのシェーン・プラット氏です。

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