Анализ эффективности системы опреснения на солнечной энергии, работающей по технологии увлажнение–осушение

Преобразование солнечного света в питьевую воду

В сухих регионах, включая Египет, обеспечение чистой воды становится все сложнее: города и новые курорты у моря остро нуждаются в пресной воде, но реки и осадки ограничены. В этом исследовании рассматривается небольшой солнечный аппарат, который может превращать соленую морскую воду в питьевую, используя бережный нагрев вместо интенсивного кипячения. Тщательно измеряя работу системы в реальных уличных условиях, исследователи показывают, как получить больше пресной воды из того же солнечного излучения, сохраняя при этом низкие затраты и минимальные выбросы.

Почему такой метод опреснения важен

Крупные опреснительные станции уже снабжают многие прибрежные города, но им требуются насосы высокого давления, сложные фильтры и большое количество электроэнергии. Это делает их дорогими и затрудняет установку в отдаленных поселках или небольших сообществах. Система, протестированная здесь, использует другой принцип — увлажнение–осушение: вместо того чтобы проталкивать морскую воду через тонкие мембраны, она имитирует природный водный цикл. Теплая соленая вода испаряется в воздух, оставляя соль позади, а затем влажный воздух охлаждается, и чистая вода конденсируется и собирается. Поскольку температуры остаются значительно ниже точки кипения, а основным источником тепла является солнце, такой подход может быть проще, тише и экологичнее по сравнению с традиционными установками.

Как работает испытательная установка

Команда построила пилотную установку на крыше в Каире и подавала в неё воду из Суэцкого канала, которая солонее среднего океанского показателя. Солнечный свет сначала нагревает морскую воду в вакуумном трубчатом солнечном коллекторе, повышая её температуру примерно до уровня воды в ванне или выше. Эта горячая соленая вода затем распыляется на пластиковый насадочный материал внутри высокой камеры, называемой увлажнителем. Стекающая вниз вода омывает поверхности, а вентилятор прогоняет воздух вверх через влажные слои, забирая водяной пар и нагреваясь, становясь влажным. Этот воздух затем проходит по изолированным каналам во вторую камеру — осушитель, где он проходит по холодным металлическим змеевикам, охлаждаемым городской водой. Пар конденсируется на змеевиках и стекает в резервуар как дистиллированная вода, готовая к хранению и последующему использованию.

Что измеряли исследователи

С девяти утра до пяти вечера в течение 36 отдельных испытательных дней в феврале и марте исследователи варьировали два основных параметра: скорость потока морской воды и скорость циркуляции воздуха. Они отслеживали солнечную радиацию, температуры, влажность воздуха и точное количество произведенной пресной воды каждый час. Как и ожидалось, производство возрастало утром, достигало пика около полудня при наибольшей инсоляции и затем снижалось поздним днем. Более высокие скорости воздуха переносили больше пара из увлажнителя в осушитель, а увеличенный поток морской воды обеспечивал больше теплой воды для испарения. При лучших протестированных условиях — расход морской воды 0.63 килограмма в секунду и скорость воздуха 13.2 метра в секунду — суточный выход достигал 17.04 килограмма дистиллированной воды, примерно 17 литров, в восьмичасовом рабочем окне.

Баланс между выходом, эффективностью и стоимостью

Помимо простого объема производства, команда проанализировала, насколько эффективно система использует поступающее солнечное тепло. Они применили показатель, называемый коэффициентом полезного выхода (gain output ratio), который сравнивает энергию, содержащуюся в произведенной пресной воде, с подведенной тепловой энергией. Этот коэффициент, вместе с коэффициентом восстановления, сравнивающим объем произведенной пресной воды с подаваемой морской водой, достигали максимума при высокой подаче морской воды и высокой скорости воздуха, но в сбалансированных условиях: определенное сочетание обеспечивало наилучший компромисс между интенсивным испарением и эффективной конденсацией. При этих оптимальных условиях общий коэффициент полезного выхода достиг 1.22, что указывает на то, что внутреннее восстановление тепла в системе способствовало повторному использованию энергии. Экономический анализ, основанный на расчетном сроке службы в десять лет и местных финансовых условиях, показал, что каждый литр дистиллированной воды обойдется примерно в 1.7 цента США, при условии 340 солнечных дней в году. Поскольку источник тепла — солнце, а не ископаемое топливо, авторы оценивают, что за срок службы системы удается избежать примерно шести тонн выбросов углекислого газа.

Что это значит для засушливых регионов

Проще говоря, работа показывает, что умеренного размера солнечное устройство на крыше может надежно превращать соленую канальную воду в чистую воду по низкой цене и без увеличения парниковых выбросов. Путем точной настройки скоростей воздуха и морской воды исследователи определили условия эксплуатации, которые максимизируют выход пресной воды и энергоэффективность в реальных каирских погодных условиях. Хотя суточный объем слишком мал, чтобы снабжать крупный город, он хорошо подходит для нужд изолированных домов, ферм или туристических лагерей вдоль египетского побережья. Исследование дает практические численные данные, которые инженеры и планировщики могут использовать при проектировании следующего поколения небольших опреснительных установок, доступных по цене, простых в обслуживании и в основном работающих на солнечной энергии.

Цитирование: Gomaa, A., Hassaneen, A.E., Ibrahim, H. et al. Performance analysis of a solar desalination system operated by humidification–dehumidification technique. Sci Rep 16, 9805 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40700-6

Ключевые слова: солнечное опреснение, увлажнение осушение, мелкомасштабная водоочистка, возобновляемая энергия, водные ресурсы Египта