Устойчивый и масштабируемый двойной наклонный солнечный испаритель: всесторонняя экспериментальная оценка энергетической, эксергетической, экономической, экологической чувствительности и производительности дистиллята

Преобразование солнечного света в безопасную питьевую воду

Для многих прибрежных и засушливых регионов морская вода в изобилии, но питьевой воды не хватает. Крупные опреснительные заводы могут превращать солёную воду в пресную, однако они дороги и часто зависят от ископаемого топлива. В этом исследовании рассматривается простое, малотехнологичное устройство — солнечный испаритель, которое тихо использует солнечный свет для получения чистой воды. Исследователи переработали распространённый тип испарителя так, чтобы он не только производил больше пресной воды, но и аккумулировал тепло и вырабатывал электроэнергию одновременно, предлагая привлекательный вариант для деревень и автономных домов.

Простая коробка, имитирующая круговорот воды

Базовый солнечный испаритель по сути представляет собой неглубокую коробку, заполненную солёной или загрязнённой водой, покрытую наклонным стеклом. Солнечный свет нагревает воду, она испаряется. Пар конденсируется на более холодной внутренней поверхности стекла и стекает в отдельный желоб в виде очищенной воды, подобно природному дождю. Двойные наклонные испарители с двумя скосами стекла собирают больше конденсата, но по-прежнему теряют значительную часть поступающей солнечной энергии в виде неиспользуемого тепла. Они также хорошо работают только при ярком дневном солнце, поэтому их общий выход ограничен. Центральный вопрос этой работы — как улавливать больше этой потерянной энергии и сохранять работу испарителя в течение более долгого времени без добавления сложного оборудования.

Модернизация испарителя солнечными панелями и теплоаккумулятором

Команда построила два идентичных двойных наклонных испарителя в южной Индии: один — стандартный, и один — переработанный двойной наклонный испаритель. На модернизированном устройстве небольшая солнечная панель размещена прямо над одним из скосов стекла. Эта панель преобразует солнечный свет в электричество, которое сразу подаётся на простой нагревательный элемент, расположенный в соседнем баке с солёной питательной водой. В течение дня этот нагреватель предварительно подогревает приточную воду до её попадания в бассейн. Одновременно блок парафинового воска под бассейном выступает теплоаккумулятором: он плавится, поглощая избыточное тепло в самые солнечные часы, а затем медленно отдаёт его во второй половине дня и вечером, поддерживая тёплую температуру воды в бассейне по мере снижения солнечной радиации.

Как новая конструкция увеличивает производство воды

Установка солнечной панели на вершине испарителя может показаться контрпродуктивной, так как она отбрасывает тень и уменьшает количество света, попадающего в бассейн. Исследователи показали, что выгоды перевешивают этот недостаток. Электричество от панели подаётся на нагреватель, который повышает температуру приточной воды до её попадания в бассейн. Более тёплая вода испаряется охотнее, а парафин под бассейном замедляет остывание в конце дня. В испытаниях с утра до вечера модернизированный испаритель достигал температур воды выше 60 °C и температуры паро-воздушной смеси свыше 63 °C, что значительно выше, чем у стандартной конструкции. В результате переработанный испаритель производил почти вдвое больше пресной воды — примерно 4,9 литра на квадратный метр в день против 2,5 литра у традиционного агрегата.

Экономия энергии, снижение затрат и чище воздух

Помимо объёма воды, в исследовании отслеживали, насколько эффективно каждое устройство использует доступный солнечный свет. Модернизированный испаритель преобразовывал большую долю солнечной энергии в полезное испарение и электричество, при этом общая энергетическая эффективность улучшилась примерно на 44%, с аналогичным ростом термодинамического качества. Экономически, хотя новая система обходится дороже в строительстве, её стоимость на литр воды была примерно на 17% ниже, а срок окупаемости оказался короче — всего несколько месяцев при принятых в тесте допущениях. Поскольку устройства работают на солнечной энергии вместо сетевого электричества или дизеля, исследователи также оценили, какое количество выбросов диоксида углерода можно избежать. За 10-летний срок службы новая конструкция, по прогнозам, предотвратит почти вдвое больше выбросов CO₂ по сравнению со стандартным испарителем, и продление срока службы ещё сильнее увеличивает эти экологические и финансовые выгоды.

От солёной питательной воды к безопасной питьевой

Наконец, команда проанализировала качество дистиллята из обоих испарителей. Солёная питательная вода с высоким содержанием растворённых солей и примесей превращалась в очень чистую воду, легко соответствующую международным стандартам питьевой воды. Переработанный испаритель производил немного более чистую воду по сравнению со стандартной версией, что подтверждает, что добавленный нагрев и теплоаккумуляция не ухудшают чистоту. В совокупности результаты показывают, что сочетание простого бассейнового испарителя с небольшой солнечной панелью, базовым электрическим нагревателем и блоком воска позволяет превратить больше солнечной энергии в чистую воду и полезную электроэнергию. Для отдалённых сообществ с обилием солнечного света, но ограниченной инфраструктурой такие компактные и малотребовательные в обслуживании системы могут предложить практический путь к обеспечению как безопасной питьевой воды, так и скромной местной генерации энергии.

Цитирование: Dhivagar, R., Jidhesh, P., Kim, S.C. et al. Sustainable and scalable double slope solar still: a comprehensive experimental assessment of energy, exergy, economic, environmental, sensitivity and distillate performance. Sci Rep 16, 11168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40989-3

Ключевые слова: солнечная опреснение, солнечный испаритель, фазовое переходное вещество, вода вне сети, возобновляемая энергия