麻省理工学院的工程师建造了一个新的海水淡化系统，该系统随着太阳的节奏运行。研究人员在发表于《自然》杂志上的一篇论文中报告了新系统的详细信息天然水。

太阳能系统从水中去除盐分的速度紧随环境变化的速度太阳能。随着一天中阳光的增加，系统会加快脱盐过程，并自动调整以适应阳光的任何突然变化，例如，根据经过的云层降低温度，或在天空晴朗时加速。

由于该系统可以对阳光的微妙变化做出快速反应，因此它可以最大限度地利用太阳能，尽管全天阳光变化，但仍能产生大量清洁水。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储能，也不是补充电源，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，测试时间为六个月，在不同的天气条件和水类型下工作。该系统平均利用系统太阳能电池板产生的 94% 以上的电能，每天生产高达 5,000 升的水，尽管天气和可用阳光变化很大。

“传统的海水淡化技术需要稳定的电力，并且需要电池存储来平滑太阳能等可变电源。通过不断变化功耗与太阳同步，我们的技术直接有效地利用太阳能来制水。”Germeshausen 机械工程教授兼麻省理工学院 K. Lisa Yang 全球工程与研究 (GEAR) 中心主任 Amos Winter 说道。

“能够在不需要电池存储的情况下利用可再生能源生产饮用水是一项巨大的挑战。而我们已经做到了。”

该系统旨在淡化咸水地下水——地下水库中存在的咸水源，比淡水资源更普遍。研究人员认为，微咸地下水是一个巨大的、尚未开发的潜在饮用水源，特别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，海水淡化永远无法到达他们的身边。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，”麻省理工学院博士乔纳森·贝塞特说。机械工程专业的学生。

“这项技术可以为世界各地的贫困地区带来可持续的、负担得起的清洁水。”

泵和流量

新系统建立在之前的设计之上，Winter 和他的同事，包括前麻省理工学院博士后 Wei He，今年早些时候报道。该系统旨在通过“灵活的批量电渗析”来淡化水。

电渗析和反渗透是淡化微咸地下水的两种主要方法。通过反渗透，利用压力将盐水泵入膜并过滤掉盐分。当水被泵送通过一堆离子交换膜时，电渗析利用电场提取盐离子。

科学家们一直在寻求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传统上以稳定的功率水平运行，与太阳等自然变化的能源不兼容。

Winter、He 和他们的同事专注于电渗析，寻找方法来制造更灵活的“时变”系统，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基于模型的控制系统，该系统使用系统每个部分的传感器读数来预测通过烟囱泵水的最佳速率以及应施加到烟囱的电压，以最大限度地提高水量。从水中抽出的盐。

当团队在现场测试该系统时，它能够随着太阳的自然变化而改变产水量。平均而言，该系统直接使用了太阳能电池板产生的 77% 的可用电能，该团队估计这比传统设计的太阳能电渗析系统多出 91%。

尽管如此，研究人员仍然认为他们可以做得更好。

温特说：“我们只能每三分钟计算一次，在那段时间里，一朵云实际上可能会飘过并遮挡阳光。”“系统可能会说，‘我需要以这么高的功率运行。’但由于现在阳光减少，部分电量突然下降，因此我们必须用额外的电池来补充电量。”

太阳能指令

在最新的工作中，研究人员希望通过将系统的响应时间缩短到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海水淡化率。更快的响应时间使系统能够适应全天阳光的变化，而无需通过额外的电源来弥补任何电力滞后。

更灵活脱盐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“流量命令电流控制”之一，其中系统首先感测系统太阳能电池板产生的太阳能量。

如果面板产生的电力超过系统使用的电力，控制器会自动“命令”系统调高泵送速度，将更多的水推入电渗析堆。同时，该系统通过增加输送到电池堆的电流来转移一些额外的太阳能，以从更快流动的水中去除更多的盐。

“假设太阳每隔几秒就会升起一次，”温特解释道。

“所以，我们每秒三次看着太阳能电池板并说，‘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多余电力时，我们会再次增加它，这样我们就能够在一天中非常准确地将消耗的电力与可用的太阳能紧密匹配，并且循环得越快。这样，我们需要的电池缓冲就越少。”

工程师们将新的控制策略融入到一个全自动系统中，他们确定了该系统的规模，可以对微咸地下水进行淡化处理，日处理量足以供应一个约 3,000 人的小社区。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。

“与传统设计太阳能海水淡化系统的方式相比，我们所需的电池容量几乎减少了 100%，”Winter 说。

工程师们计划进一步测试和扩大该系统的规模，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。

“虽然这是向前迈出的一大步，但我们仍在努力工作，继续开发成本更低、更可持续的海水淡化方法，”贝塞特说。

“我们现在的重点是测试、最大限度地提高可靠性，并建立一条可以提供海水淡化的产品线水在世界各地的多个市场使用可再生能源，”普拉特补充道。

该团队将在未来几个月内推出一家基于其技术的公司。该研究的共同作者是 Bessette、Winter 和高级工程师 Shane Pratt。

这个故事由麻省理工学院新闻转载（web.mit.edu/新闻办公室/），一个热门网站，涵盖有关麻省理工学院研究、创新和教学的新闻。