麻省理工學院的工程師建造了一個新的海水淡化系統，該系統隨著太陽的節奏運作。研究人員在發表於《自然》雜誌上的一篇論文中報告了新系統的詳細信息天然水。

太陽能係統從水中去除鹽分的速度緊跟著環境變化的速度太陽能。隨著一天中陽光的增加，系統會加快脫鹽過程，並自動調整以適應陽光的任何突然變化，例如，根據經過的雲層降低溫度，或在天空晴朗時加速。

由於該系統可以對陽光的微妙變化做出快速反應，因此它可以最大限度地利用太陽能，儘管全天陽光變化，但仍能產生大量清潔水。與其他太陽能驅動的海水淡化設計相比，麻省理工學院的系統不需要額外的電池儲能，也不是補充電源，例如來自電網的電源。

工程師在新墨西哥州的地下水井上測試了一個社區規模的原型，測試時間為六個月，在不同的天氣條件和水類型下工作。該系統平均利用系統太陽能電池板產生的 94% 以上的電能，每天生產高達 5,000 公升的水，儘管天氣和可用陽光變化很大。

「傳統的海水淡化技術需要穩定的電力，並且需要電池儲存來平滑太陽能等可變電源。透過不斷變化耗電量與太陽同步，我們的技術直接有效地利用太陽能來製水。

“能夠在不需要電池存儲的情況下利用可再生能源生產飲用水是一項巨大的挑戰。而我們已經做到了。”

該系統旨在淡化鹹水地下水——地下水庫中存在的鹹水源，比淡水資源更普遍。研究人員認為，微鹹地下水是一個巨大的、尚未開發的潛在飲用水源，特別是在世界部分地區淡水儲備緊張的情況下。

他們設想，新的可再生、無電池系統可以以低成本提供急需的飲用水，特別是對於海水和電網電力有限的內陸社區。

「實際上，大多數人口居住的地方距離海岸很遠，海水淡化永遠無法到達他們的身邊。因此，他們嚴重依賴地下水，尤其是在偏遠的低收入地區。不幸的是，由於氣候變化，」麻省理工學院博士喬納森·貝塞特說。機械工程專業的學生。

“這項技術可以為世界各地的貧困地區帶來可持續的、負擔得起的清潔水。”

泵浦和流量

新系統建立在先前的設計之上，Winter 和他的同事，包括前麻省理工學院博士後研究員 Wei He，今年早些時候報道。該系統旨在透過「靈活的批量電滲析」來淡化水。

電滲析和逆滲透是淡化半鹹地下水的兩種主要方法。透過逆滲透，利用壓力將鹽水泵入薄膜並過濾掉鹽分。當水被泵送通過一堆離子交換膜時，電滲析利用電場提取鹽離子。

科學家一直在尋求用再生能源為這兩種方法提供動力。但這對於逆滲透系統傳統上以穩定的功率水平運行，與太陽等自然變化的能源不相容。

Winter、He 和他們的同事專注於電滲析，尋找方法來製造更靈活的「時變」系統，以回應再生太陽能的變化。

在先前的設計中，團隊建造了一個由水泵、離子交換膜堆和太陽能電池板陣列組成的電滲析系統。

該系統的創新之處在於基於模型的控制系統，該系統使用系統每個部分的傳感器讀數來預測通過煙囪泵水的最佳速率以及應施加到煙囪的電壓，以最大限度地提高水量。抽出的鹽。

當團隊在現場測試系統時，它能夠隨著太陽的自然變化而改變產水量。平均而言，該系統直接使用了太陽能電池板產生的 77% 的可用電能，該團隊估計這比傳統設計的太陽能電滲析系統多出 91%。

儘管如此，研究人員仍然認為他們可以做得更好。

溫特說：“我們只能每三分鐘計算一次，在那段時間裡，一朵雲實際上可能會飄過並遮擋陽光。”“系統可能會說，’我需要以這麼高的功率運行。’但由於現在陽光減少，部分電量突然下降，因此我們必須用額外的電池來補充電量。

太陽能指令

在最新的工作中，研究人員希望透過將系統的反應時間縮短到幾分之一秒來消除對電池的需求。新系統能夠每秒更新三到五次海水淡化率。更快的反應時間使系統能夠適應全天陽光的變化，而無需額外的電源來彌補任何電力延遲。

更靈活脫鹽的關鍵是貝塞特和普拉特設計的更簡單的控制策略。新策略是「流量命令電流控制」之一，其中系統首先感測系統太陽能電池板產生的太陽能。

如果面板產生的電力超過系統所使用的電力，控制器會自動「命令」系統調高泵送速度，將更多的水推入電滲析堆中。同時，該系統透過增加輸送到電池堆的電流來轉移一些額外的太陽能，以從更快流動的水中去除更多的鹽。

「假設太陽每隔幾秒就會升起一次，」溫特解釋。

“所以，我們每秒三次看著太陽能電池板並說，’哦，我們有更多的電力——讓我們稍微提高一下流量和電流。’”當我們再次查看並發現還有更多多餘電力時，我們會再次增加它，這樣我們就能夠在一天中非常準確地將消耗的電力與可用的太陽能緊密匹配，並且循環得越快。需要的電池緩衝就越少。

工程師將新的控制策略融入一個全自動系統中，他們確定了該系統的規模，可以對微鹹地下水進行淡化處理，每日處理量足以供應一個約 3,000 人的小社區。他們在新墨西哥州阿拉莫戈多的鹹水地下水國家研究設施的幾口井上運行了該系統六個月。

在整個試驗過程中，原型機在各種太陽能條件下運行，平均利用超過 94% 的太陽能板電能直接為海水淡化提供動力。

「與傳統設計太陽能海水淡化系統的方式相比，我們所需的電池容量幾乎減少了 100%，」Winter 說。

工程師們計劃進一步測試和擴大系統的規模，希望為更大的社區甚至整個城市提供低成本、完全由太陽能驅動的飲用水。

「雖然這是向前邁出的一大步，但我們仍在努力工作，繼續開發成本更低、更永續的海水淡化方法，」貝塞特說。

「我們現在的重點是測試、最大限度地提高可靠性，並建立一條可以提供海水淡化的產品線水在世界各地的多個市場使用再生能源，」普拉特補充道。

該團隊將在未來幾個月內推出一家基於其技術的公司。研究的共同作者是 Bessette、Winter 和高級工程師 Shane Pratt。

這個故事由麻省理工學院新聞轉載（web.mit.edu/新聞辦公室/），一個熱門網站，涵蓋有關麻省理工學院研究、創新和教學的新聞。