«Горячие точки» повышают эффективность солнечной энергии

Инженеры Университета Райса увеличили производительность солнечной системы опреснения на 50%

Университет Райса

Изображение: исследователи из Университета Райса (слева направо) Пратикша Донгаре, Алессандро Алабастри и Оара Нойманн показали, что разработанная Райс система «солнечной мембранной дистилляции с нанофотоникой» (NESMD) была более эффективной, когда размер устройства увеличивался, а свет концентрировался в горячие точки».посмотреть больше

Фото: Джефф Фитлоу/Университет Райса.

ХЬЮСТОН -- (18 июня 2019 г.) -- Разработанный Университетом Райса подход к очистке соленой воды с помощью солнечного света и наночастиц на основе солнечной энергии оказался даже более эффективным, чем первоначально предполагали его создатели.

Исследователи из Лаборатории нанофотоники Райса (LANP) на этой неделе показали, что они могут повысить эффективность своей системы опреснения, работающей на солнечной энергии, более чем на 50%, просто добавив недорогие пластиковые линзы для концентрации солнечного света в «горячих точках». Результаты доступны онлайн в Трудах Национальной академии наук.

«Типичный способ повысить производительность систем, работающих на солнечной энергии, — это добавить солнечные концентраторы и обеспечить больше света», — сказал Пратикша Донгаре, аспирант факультета прикладной физики Инженерной школы Брауна Райса и соведущий автор статьи. «Большая разница здесь в том, что мы используем одинаковое количество света. Мы показали, что можно недорого перераспределить эту энергию и значительно увеличить скорость производства очищенной воды».

При традиционной мембранной дистилляции горячая соленая вода протекает через одну сторону листовой мембраны, а холодная фильтрованная вода течет через другую. Разница температур создает разницу в давлении пара, которая перемещает водяной пар с нагретой стороны через мембрану к более холодной стороне с более низким давлением. Масштабирование технологии затруднено, поскольку разница температур на мембране и, как следствие, выход чистой воды уменьшаются по мере увеличения размера мембраны. Технология Райс «солнечная мембранная дистилляция с использованием нанофотоники» (NESMD) решает эту проблему, используя светопоглощающие наночастицы для превращения самой мембраны в нагревательный элемент, работающий от солнечной энергии.

Донгаре и его коллеги, включая соведущего автора исследования Алессандро Алабастри, покрывают верхний слой своих мембран недорогими коммерчески доступными наночастицами, которые предназначены для преобразования более 80% солнечной энергии в тепло. Нагрев наночастиц с помощью солнечной энергии снижает производственные затраты, и инженеры Райс работают над масштабированием технологии для применения в отдаленных районах, где нет доступа к электричеству.

Концепция и частицы, используемые в NESMD, были впервые продемонстрированы в 2012 году директором LANP Наоми Халас и научным сотрудником Оарой Нойманн, которые являются соавторами нового исследования. В исследовании этой недели Халас, Донгаре, Алабастри, Нейман и физик LANP Питер Нордландер обнаружили, что они могут использовать присущую и ранее непризнанную нелинейную связь между интенсивностью падающего света и давлением пара.

Алабастри, физик и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Texas Instruments, использовал простой математический пример, чтобы описать разницу между линейной и нелинейной зависимостью. «Если вы возьмете любые два числа, равные 10 — семь и три, пять и пять, шесть и четыре — вы всегда получите 10, если сложите их вместе. Но если процесс нелинейный, вы можете возвести их в квадрат или даже возвести в куб. их перед добавлением. Итак, если у нас есть девять и один, это будет девять в квадрате, или 81, плюс один в квадрате, что равно 82. Это намного лучше, чем 10, что является лучшим, что вы можете сделать с помощью линейной зависимости».

В случае NESMD нелинейное улучшение происходит за счет концентрации солнечного света в крошечных пятнах, подобно тому, как это делает ребенок, используя увеличительное стекло в солнечный день. Концентрация света на крошечном пятне на мембране приводит к линейному увеличению тепла, но нагрев, в свою очередь, приводит к нелинейному увеличению давления пара. А повышенное давление пропускает через мембрану больше очищенного пара за меньшее время.