Экспериментальное и численное исследование эффективности однокосого солнечного испарителя, улучшенного пористыми абсорбирующими материалами: тепловая, экономическая и экологическая оценка

Преобразование солнечного света в питьевую воду

Для миллионов людей, живущих в сухих, солнечных регионах, солёная или слабосолёная вода может быть в изобилии, тогда как безопасная питьевая вода — в дефиците. Один простой прибор, солнечный испаритель, способен превращать солнечный свет в пресную воду, используя лишь неглубокую ванну, прозрачное покрытие и естественный цикл испарения и конденсации. В этом исследовании изучается, как добавление повседневных пористых материалов, таких как кухонная губка или вулканический камень, позволяет этим низкотехнологичным устройствам производить больше воды, с меньшими затратами и сокращением выбросов, вызывающих потепление климата.

Простая коробка, имитирующая круговорот воды

Однокосой солнечный испаритель по сути представляет собой небольшую теплицу, положенную на бок. Солёная вода находится в тёмной ванне под наклонным стеклом. Солнечный свет проходит через стекло, нагревает воду и вызывает её испарение. Влажный воздух поднимается, соприкасается с более холодным стеклом и образует капли, стекающие в сборный желоб в виде дистиллированной, пригодной для питья воды. Традиционные конструкции дешёвы и надёжны, но страдают от низкой производительности: даже в ясный день они обычно вырабатывают менее литра на квадратный метр, что ограничивает их полезность для семей или поселений, нуждающихся в надёжных поставках.

Добавление губок и камней для увеличения выхода

Исследователи протестировали три варианта этого базового испарителя в жарком, сухом климате Кербалы, Ирак: традиционную установку с пустой ванной; вариант, где ванна была заполнена пемзой, лёгкой пористой породой; и ещё один, заполненный меламиновой губкой — очень лёгкой, высокопористой пеной, часто используемой для уборки. Эти материалы впитывают воду и выставляют её на воздействие воздуха через бесчисленные мелкие поры. Это значительно увеличивает площадь испарения и изменяет характер накопления и отдачи тепла внутри устройства.

Полевые эксперименты и компьютерная проверка

Все три испарителя работали бок о бок на открытом воздухе при естественном солнечном освещении, используя мелководную слабосолёную воду, похожую на ту, что встречается в сельских колодцах. Команда тщательно измеряла температуры воды, пара и стекла, а также количество дистиллированной воды, получаемой каждый час. Одновременно они создали подробную компьютерную модель теплообмена и течений внутри испарителей с помощью инженерного программного обеспечения. Смоделированные температуры и выходы хорошо согласовывались с экспериментами — в пределах примерно 2,4 процента — что подтверждало, что модель уловила ключевую физику и может использоваться для изучения работы в других условиях.

Больше воды, меньше затрат и чище воздух

Пористые материалы оказали заметный эффект. Испаритель с меламиновой губкой дал примерно 1,35 литра пресной воды в день — на 56,9 процента больше по сравнению с традиционным блоком — тогда как версия с пемзой увеличила выход примерно на 22,9 процента. Более высокие температуры воды и пара внутри модифицированных испарителей приводили к большему испарению и более быстрому конденсату на стекле, а чрезвычайно высокая пористость меламиновой губки (более 99 процентов пустого объёма) оказалась особенно эффективной. Тепловая эффективность, показатель того, какая доля поступающего солнечного излучения идёт на испарение, повысилась с примерно 31,5 процента в традиционном испарителе до 38,2 процента с пемзой и до 49,3 процента с губкой.

Оценка денег, энергии и окружающей среды

Поскольку эти системы предназначены для малообеспеченных, автономных сообществ, команда исследовала не только физику, но и экономику и экологические последствия. Даже с учётом затрат на покупку, обслуживание и возможную стоимость лома, испаритель с меламиновой губкой обеспечивал самую низкую стоимость воды — примерно 0,076 доллара США за литр, что на 35 процентов ниже по сравнению с традиционной конструкцией. Его финансовый срок окупаемости — время, за которое сбережения от производства воды окупают первоначальные инвестиции — составлял около двух с половиной лет, что быстрее, чем у пустого и пемзового вариантов. С энергетической точки зрения, испарители восстанавливали энергию, затраченную на их производство, значительно менее чем за год, хотя качество этой энергии (способность выполнять полезную работу) оставалось ограниченным, что отражает фундаментальный недостаток низкотемпературного нагрева. С экологической точки зрения замена электроэнергией управляемого опреснения или перекачки на эти солнечные испарители могла бы избежать примерно 1,6 метрических тонн выбросов диоксида углерода в год для каждого блока с меламиновой губкой.

Что это значит для засушливых, солнечных регионов

Проще говоря, заполнение ванны простого солнечного испарителя недорогой, высокопористой губкой превращает его в гораздо более продуктивный и экономичный «производитель» воды. Хотя этот подход по‑прежнему лучше всего подходит для мелкомасштабного использования — домохозяйства, фермы или удалённые объекты — он предлагает перспективный, малотребовательный в обслуживании способ превращать жёсткое солнце и маргинальную воду в постоянный поток безопасной питьевой воды. Исследование показывает, что продуманное использование распространённых материалов может почти вдвое сократить стоимость за литр, ускорить окупаемость и снизить загрязнение климата, делая солнечные испарители более практичным инструментом в борьбе с дефицитом воды.

Цитирование: Majeed, S.H., Rashid, F.L., Azziz, H.N. et al. Experimental and numerical investigation of single-slope solar still performance enhanced by porous absorbing materials: thermal, economic, and environmental assessments. Sci Rep 16, 8487 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41901-9

Ключевые слова: солнечная опресняющая установка, солнечный испаритель, пористые материалы, меламиновая губка, вне сетки вода