Оптимизация гибридной установки солнечного опреснителя–HDH методом параметрического исследования для лёгкого опреснения в удалённых районах

Преобразование солнечного света в питьевую воду

Для многих удалённых деревень в жарких и сухих регионах чистая питьевая вода доступна куда реже, чем солнечный свет. Крупные опреснительные установки слишком дорогие и сложные, а простые солнечные испарители зачастую тяжёлые и недостаточно продуктивные. В этом исследовании рассматривается, как переработать компактное устройство на солнечной энергии, чтобы оно эффективно превращало солёную воду в пресную, оставаясь при этом достаточно лёгким для транспортировки, установки и обслуживания в автономных сообществах.

Более разумное использование солнца

Исследователи сосредоточились на гибридной системе, которая сочетает традиционный солнечный испаритель с процессом, называемым увлажнением–обезвоживанием (humidification–dehumidification), имитирующим естественный круговорот воды внутри небольшой камеры. Солнечный свет нагревает тонкий слой солёной воды, образуя тёплый пар, который конденсируется на холодном стеклянном покрытии в виде пресной воды. Параллельно воздух направляют по каналам и через специальные поверхности, чтобы он мог захватывать влагу и затем снова её отдавать в виде дополнительной дистиллированной воды. За счёт возврата тепла, которое иначе было бы потрачено впустую, этот комбинированный блок может производить до примерно 50 литров пресной воды в день — достаточно, чтобы обеспечить небольшую группу людей.

Настройка глубины воды и воздухообмена

Хотя устройство выглядит простым снаружи, его эффективность сильно зависит от деталей, таких как глубина воды в бассейне и скорость движения воздуха через него. Используя модель по времени, подаваемую реальными погодными данными из Абу-Даби, команда протестировала различные режимы работы для зимы и лета. Они выяснили, что поддержание очень мелкого слоя воды в бассейне — около полусантиметра — позволяет ему быстрее нагреваться, усиливая испарение. По сравнению с более глубоким слоем в три сантиметра, эта мелкая регулировка увеличивала производство пресной воды до 15 процентов зимой и примерно на 7,5 процента летом, а также уменьшала массу воды, которую должна выдерживать конструкция. Замедление потока воздуха через установку до примерно 0,1 кг/с дополнительно повысило продуктивность примерно на 11–12 процентов. При таких низких расходах воздуха система могла даже работать за счёт естественной конвекции без вентиляторов, что снижает потребление энергии и механическую сложность.

Лёгкая конструкция без потери эффективности

Помимо режимов работы, выбор материалов сильно влияет на массу установки и на то, насколько просто её можно установить в удалённых районах. Авторы сравнили стандартные детали из нержавеющей стали и толстое стекло с более лёгкими альтернативами, такими как хлопковые ткани и более тонкие стеклопакеты. Замена металлического бассейна на чёрный хлопковый вкладыш значительно сократила общую массу установки — с примерно 487 килограммов до примерно 132 килограммов — при этом объём вырабатываемой воды остался почти без изменений. Точно так же уменьшение толщины и бассейна, и стеклянного покрытия с трёх миллиметров до одного миллиметра сэкономило значительный вес, но заметно не повлияло на объём производимой воды. Эти результаты указывают, что для многих компонентов проектировщики могут безопасно выбирать наиболее лёгкие практические варианты, не жертвуя выходом.

Когда лёгкость обходится дороже

Не каждая попытка сократить массу оправдана. Когда оребрённый металлический абсорбер, помогающий нагревать воздух, был заменён хлопковой верёвкой, устройство действительно стало легче, но летом его выход воды упал примерно на 15 процентов. Аналогично, замена традиционного стеклянного покрытия на пластик уменьшила массу остекления, но сократила продуктивность примерно на 10–11 процентов, поскольку меньше солнечного света достигало воды. Иными словами, некоторые ключевые части должны оставаться хорошими проводниками тепла и света, даже если они несколько тяжелее. Лучший компромисс, найденный командой, сохраняет алюминиевые ребра и стеклянные покрытия при использовании хлопка и тонких слоёв там, где это не вредит эффективности.

Портативный производитель пресной воды для удалённых сообществ

Комбинируя наиболее перспективные настройки и материалы, исследователи создали оптимизированную конструкцию, которая производит на 31 процент больше воды зимой и на 26 процентов больше летом по сравнению с эталонной конфигурацией, при этом сохраняя сухую массу около 132 килограммов — примерно четверть от исходной. Для людей, живущих далеко от централизованной инфраструктуры, такая лёгкая автономная солнечная установка для опреснения может предложить практичный способ обеспечения питьевой водой, используя только солнечный свет и морскую или солоноватую воду. Исследование показывает, что тщательная настройка глубин, скоростей потока и материалов может превратить уже экологичную технологию в ещё и значительно более удобную для транспортировки, установки и эксплуатации в местах, где она наиболее необходима.

Цитирование: Iqbal, M.M.M., Javed, M.S., Atabay, S. et al. Optimization of a hybrid solar still–HDH system via parametric study for lightweight desalination in remote areas. Sci Rep 16, 12816 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43049-y

Ключевые слова: солнечное опреснение, увлажнение–обезвоживание, конструкция солнечного испарителя, лёгкие водные системы, вне сети питьевая вода