MIT 엔지니어들은 태양의 리듬에 맞춰 작동하는 새로운 담수화 시스템을 구축했습니다.연구원들은 다음과 같은 논문에서 새로운 시스템에 대한 세부 사항을 보고합니다.자연수.

태양열 발전 시스템은 기후 변화를 밀접하게 따르는 속도로 물에서 염분을 제거합니다.태양 에너지.하루 동안 햇빛이 증가함에 따라 시스템은 탈염 프로세스를 강화하고 예를 들어 지나가는 구름에 반응하여 다이얼을 낮추거나 하늘이 맑아지면 속도를 높이는 등 햇빛의 갑작스러운 변화에 자동으로 조정됩니다.

이 시스템은 햇빛의 미묘한 변화에 신속하게 반응할 수 있기 때문에 태양 에너지의 활용도를 극대화하여 하루 종일 햇빛의 변화에도 불구하고 깨끗한 물을 대량으로 생산합니다.다른 태양열 담수화 설계와 달리 MIT 시스템은 추가 배터리가 필요하지 않습니다.에너지 저장, 그리드와 같은 추가 전원 공급 장치도 없습니다.

엔지니어들은 다양한 기상 조건과 물 유형에서 작업하면서 6개월에 걸쳐 뉴멕시코의 지하수 우물에서 지역사회 규모의 프로토타입을 테스트했습니다.이 시스템은 날씨와 햇빛의 큰 변화에도 불구하고 시스템의 태양광 패널에서 생성된 전기 에너지의 평균 94% 이상을 활용하여 하루 최대 5,000리터의 물을 생산했습니다.

"기존 담수화 기술은 안정적인 전력이 필요하며 태양광과 같은 가변 전력원을 원활하게 하기 위해 배터리 저장 장치가 필요합니다. 지속적으로 변화함으로써전력 소비태양과 연동하여 우리의 기술은 태양 에너지를 직접적이고 효율적으로 사용하여 물을 만듭니다."라고 Germeshausen 기계 공학과 교수이자 MIT의 K. Lisa Yang 글로벌 엔지니어링 및 연구(GEAR) 센터 소장인 Amos Winter는 말합니다.

"배터리 저장 없이 재생 가능 에너지로 식수를 만드는 것은 엄청난 도전입니다. 그리고 우리는 그것을 해냈습니다."

이 시스템은 지하 저수지에서 발견되고 담수 지하수 자원보다 더 널리 퍼져 있는 염분 공급원인 기수 지하수를 담수화하는 데 맞춰져 있습니다.연구자들은 특히 세계 일부 지역에서 담수 매장량이 부족하기 때문에 기수 지하수를 잠재적인 식수 공급원으로 보고 있습니다.

그들은 배터리가 필요 없는 새로운 재생 가능 시스템이 특히 해수 및 전력망 접근이 제한된 내륙 지역사회에 절실히 필요한 식수를 저렴한 비용으로 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

"인구의 대다수는 실제로 해수 담수화가 결코 도달할 수 없을 만큼 해안에서 멀리 떨어져 살고 있습니다. 결과적으로 그들은 특히 외딴 저소득 지역에서 지하수에 크게 의존합니다. 그리고 불행하게도 이 지하수는 다음과 같은 이유로 점점 더 염분이 되어가고 있습니다.기후 변화"라고 MIT 박사인 Jonathan Bessette는 말합니다.기계공학과 학생입니다.

"이 기술은 전 세계적으로 손이 닿지 않는 곳에 지속 가능하고 저렴한 깨끗한 물을 공급할 수 있습니다."

펌프 및 흐름

새로운 시스템은 이전 설계를 기반으로 구축되었으며, 전 MIT 박사후 연구원인 Wei He를 포함한 Winter와 그의 동료들은올해 초 보고됨.이 시스템은 "유연한 배치 전기투석"을 통해 물을 담수화하는 것을 목표로 했습니다.

전기투석과 역삼투는 기수 지하수를 담수화하는 데 사용되는 두 가지 주요 방법입니다.역삼투압 방식에서는 압력을 사용하여 막을 통해 염수를 펌핑하고 염분을 걸러냅니다.전기투석은 이온 교환막 스택을 통해 물이 펌핑될 때 전기장을 사용하여 염 이온을 끌어냅니다.

과학자들은 재생 가능한 에너지원을 사용하여 두 가지 방법에 전력을 공급하는 방법을 모색해 왔습니다.그러나 이것은 특히 어려운 일이었습니다.역삼투전통적으로 태양과 같은 자연적으로 변하는 에너지원과 호환되지 않는 일정한 전력 수준에서 실행되는 시스템입니다.

Winter, He 및 동료들은 전기투석에 중점을 두고 재생 가능한 태양 에너지의 변화에 ​​반응할 수 있는 보다 유연한 "시변" 시스템을 만드는 방법을 모색했습니다.

이전 설계에서 팀은 물 펌프, 이온 교환막 스택 및 태양광 패널 어레이로 구성된 전기투석 시스템을 구축했습니다.

이 시스템의 혁신은 시스템의 모든 부분에서 센서 판독값을 사용하여 스택을 통해 물을 펌핑하는 최적의 속도와 스택에 적용되어야 하는 전압을 예측하여 물의 양을 최대화하는 모델 기반 제어 시스템이었습니다.물에서 뽑아낸 소금.

팀이 현장에서 이 시스템을 테스트했을 때 태양의 자연적 변화에 따라 물 생산량을 변경할 수 있었습니다.평균적으로 이 시스템은 태양광 패널에서 생산된 사용 가능한 전기 에너지의 77%를 직접 사용했으며, 팀은 이를 전통적으로 설계된 태양열 전기 투석 시스템보다 91% 더 많은 것으로 추정했습니다.

그럼에도 불구하고 연구자들은 더 잘할 수 있다고 생각했습니다.

Winter는 "우리는 3분마다만 계산할 수 있었고 그 시간에는 말 그대로 구름이 나타나 태양을 가릴 수 있었습니다"라고 말했습니다."시스템은 '이 높은 전력으로 실행해야 합니다.'라고 말할 수 있습니다.하지만 이제 햇빛이 적어서 그 전력 중 일부가 갑자기 떨어졌습니다. 그래서 우리는 여분의 배터리로 그 전력을 보충해야 했습니다."

태양 명령

최근 연구에서 연구원들은 시스템의 응답 시간을 1초 미만으로 단축하여 배터리의 필요성을 없애려고 했습니다.새로운 시스템은 초당 3~5회 담수화 속도를 업데이트할 수 있습니다.응답 시간이 빨라지면 추가 전원 공급 장치로 전력 지연을 보충할 필요 없이 시스템이 하루 종일 햇빛의 변화에 ​​적응할 수 있습니다.

보다 민첩한 담수화의 핵심은 Bessette와 Pratt가 고안한 보다 간단한 제어 전략입니다.새로운 전략은 시스템이 시스템의 태양광 패널에서 생산되는 태양광 발전량을 먼저 감지하는 "흐름 명령 전류 제어" 중 하나입니다.

패널이 시스템이 사용하는 것보다 더 많은 전력을 생성하는 경우 컨트롤러는 자동으로 시스템에 펌핑을 늘리도록 "명령"하여 전기투석 스택을 통해 더 많은 물을 밀어냅니다.동시에 시스템은 더 빠르게 흐르는 물에서 더 많은 염분을 배출하기 위해 스택에 전달되는 전류를 증가시켜 추가 태양 에너지의 일부를 전환합니다.

"태양이 몇 초마다 떠오른다고 가정해 봅시다"라고 Winter는 설명합니다.

"그래서 우리는 1초에 세 번씩 태양 전지판을 보면서 '아, 전력이 더 많아졌으니 유량과 전류를 조금 높이자'라고 말합니다.다시 살펴보고 여분의 전력이 남아 있는 것을 확인하면 다시 전력을 늘릴 것입니다. 그렇게 하면 하루 종일 사용 가능한 태양 에너지와 소비 전력을 매우 정확하게 일치시킬 수 있습니다.이렇게 하면 배터리 버퍼링이 덜 필요합니다."

엔지니어들은 약 3,000명의 소규모 지역 사회에 공급하기에 충분한 양의 기수 지하수를 매일 담수화할 수 있는 규모의 완전 자동화 시스템에 새로운 제어 전략을 통합했습니다.그들은 뉴멕시코 주 앨라모고도에 있는 기수 지하수 국립 연구 시설의 여러 우물에서 6개월 동안 시스템을 운영했습니다.

시험 기간 동안 프로토타입은 광범위한 태양 조건에서 작동되었으며 평균적으로 태양 전지판 전기 에너지의 94% 이상을 활용하여 담수화에 직접 전력을 공급했습니다.

Winter는 "전통적으로 태양광 담수화 시스템을 설계하는 방법에 비해 필요한 배터리 용량을 거의 100% 줄였습니다."라고 말합니다.

엔지니어들은 더 큰 지역사회, 심지어 전체 지방자치단체에 저비용의 완전한 태양열 식수를 공급하기 위해 시스템을 추가로 테스트하고 확장할 계획입니다.

"이것은 중요한 진전이지만 우리는 더 저렴하고 지속 가능한 담수화 방법을 계속 개발하기 위해 부지런히 노력하고 있습니다"라고 Bessette는 말합니다.

"현재 우리의 초점은 테스트, 신뢰성 극대화, 담수화를 제공할 수 있는 제품 라인 구축에 있습니다.물전 세계 여러 시장에 재생 에너지를 사용하고 있습니다."라고 Pratt는 덧붙입니다.

팀은 앞으로 몇 달 안에 그들의 기술을 기반으로 회사를 설립할 예정입니다.이 연구의 공동 저자는 Bessette, Winter 및 직원 엔지니어 Shane Pratt입니다.

이 이야기는 MIT News(web.mit.edu/newsoffice/)는 MIT 연구, 혁신 및 교육에 대한 뉴스를 다루는 인기 사이트입니다.