Модель переходных процессов и оценка эффективности солнечной системы опреснения HDH со слоем накопления тепла на основе фазовых переходов

Преобразование солнечного света в питьевую воду

Для миллионов людей, живущих в жарких и засушливых регионах, рядом может быть много морской или солёной подземной воды, но безопасной питьевой воды нет. В этом исследовании рассматривается компактное солнечное устройство, которое может превращать солёную воду в пресную без опоры на электрическую сеть. За счёт накопления дневного тепла в специальных «восковых» материалах система продолжает производить пресную воду даже после захода солнца, что делает её перспективным вариантом для отдалённых сообществ и автономных домов.

Как работает простая система из двух блоков

Установка опреснения построена вокруг двух основных блоков: увлажнителя и дегидратора, связанных с плоским солнечным водонагревателем. В увлажнителе вентилятор прогоняет воздух через увлажнённую насыпанную насадку, благодаря чему воздух насыщается водяным паром, как тёплый влажный воздух в ванной после горячего душа. Этот теперь влажный тёплый воздух поступает в дегидратор, где он охлаждается на металлических поверхностях и пар конденсируется в капли пресной воды. Соляной раствор, который обеспечивал пар, нагревается в солнечном коллекторе на крыше и затем рециркулирует, создавая замкнутый цикл, который превращает солнечное тепло в чистую воду.

Хранение дневного тепла в «восковых» материалах

Ключевое нововведение в этой конструкции — добавление материалов с фазовым переходом (PCM) в солнечный коллектор. Эти материалы ведут себя как специальные воски, плавящиеся при выбранных температурах — здесь около 45 °C и 60 °C. Когда они плавятся в течение дня, они поглощают большие количества тепла, практически не повышаясь в температуре, а при охлаждении и затвердевании позже медленно отдают это тепло. Исследователи размещают несколько тонких слоёв PCM под абсорберной пластиной коллектора, чтобы коллектор мог продолжать подавать тёплую воду в увлажнитель даже при ослаблении солнечного света.

Прослеживание работы системы в течение дня

Используя детальную компьютерную модель, авторы проследили, как по часам меняются температуры и производство воды. Утром, когда солнечный свет ещё слаб, система производит примерно 2,1 литра пресной воды в час. По мере усиления солнца и прогрева коллектора воды до примерно 45–55 °C производство возрастает почти до 3,9 литра в час. Без накопления тепла выпуск затем резко падает поздно днём, когда коллектор остывает. При наличии PCM накопленное тепло возвращается в водяной и воздушный контуры, сглаживая падение температуры и задерживая момент, когда система перестаёт производить полезные объёмы пресной воды.

Почему вечера важнее пиков

Моделирование показывает, что PCM не увеличивают пиковую дневную производительность воды; этот пик определяется интенсивностью солнечного света. Вместо этого PCM действуют как тепловая батарея, продлевающая рабочие часы. После примерно 15:00 системы без PCM быстро теряют рабочую разницу температур и останавливаются до захода солнца. Напротив, системы с PCM продолжают производить меньшие, но стабильные объёмы воды до ранней ночи. В сумме за сутки такое продление повышает общий выход пресной воды примерно на 10,5 процента. Два разных PCM с точками плавления 45 °C и 60 °C в целом работают сходно, но материал с более низкой температурой плавления отдает тепло более постепенно, обеспечивая чуть более стабильную выдачу вечером.

Что это значит для засушливых регионов, страдающих от жажды

С точки зрения неспециалиста вывод прост: добавив недорогой тепловой «воск» к простому солнечному испарителю на основе влажного воздуха и конденсации, можно продолжать получать пресную воду несколько часов после захода солнца. Тщательно верифицированная модель исследования показывает, что такая компактная система при низких температурах могла бы обслуживать небольшие сообщества, удалённые от линий электропередач, превращая обилие солнечного света и солёную воду в более надёжный ежедневный запас питьевой воды. Потребуются дальнейшие эксперименты и экономические исследования, но концепция указывает на практичный, низкотехнологичный способ максимально эффективно использовать каждый час солнечного света для обеспечения водной безопасности.

Цитирование: Mohammad, S.I., Jawad, M., Vasudevan, A. et al. Transient modeling and performance evaluation of a solar-driven HDH desalination system with phase change material storage. Sci Rep 16, 5745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x

Ключевые слова: солнечное опреснение, нехватка пресной воды, материалы с фазовым переходом, накопление тепловой энергии, увлажнение-деувлажнение