Всеобъемлющая оценка повышения производительности солнечных испарителей с использованием инновационного фитиля и материала для накопления тепла

Преобразование солнечного света в питьевую воду

Во многих регионах мира солнечного света предостаточно, а чистой питьевой воды не хватает. Солнечные испарители — простые устройства, которые используют солнце для испарения и последующей конденсации воды — предлагают недорогой способ превратить солёную или загрязнённую воду в безопасную для питья. Однако большинство таких установок вырабатывают воду медленно, что ограничивает их практическую ценность. В этом исследовании изучается, как извлечь больше пресной воды из того же солнечного потока, добавив специальный тканевый фитиль из бамбука и блоки из распространённых металлов для хранения тепла, сравнивая две простые конструкции бок о бок.

Простые короба, которые производят пресную воду

Базовый солнечный испаритель представляет собой неглубокий короб с тёмным металлическим дном, тонким слоем воды и прозрачной стеклянной крышкой, установленной под углом. Солнечный свет нагревает тёмную поверхность и воду, которая затем превращается в пар. Пар поднимается, контактирует с более холодным стеклом, конденсируется в капли и стекает в желоб, где собирается как дистиллированная вода. Исследователи собрали две распространённые версии: односкатный испаритель с одной наклонной стеклянной крышкой и двухскатный — со стеклом, наклонённым с двух сторон. Оба были сделаны из одинаковых материалов и имели одинаковую площадь дна, чтобы любые различия в производительности объяснялись конструкцией и внутренними добавками, а не размером.

Использование ткани и металла для ускорения испарения

Чтобы увеличить выход без сложной техники, команда сосредоточилась на двух недорогих улучшениях: фитиле и блоках для хранения тепла. Фитиль был выполнен из бамбуковой ткани, окрашенной в чёрный цвет, чтобы лучше поглощать солнечный свет. Поскольку бамбуковые волокна естественным образом поднимают воду вверх, ткань распределяла тонкую плёнку воды по большей поверхности, помогая ей быстрее нагреваться и испаряться. Под этим слоем исследователи разместили металлические блоки из мягкой стали, чугуна или меди. Эти металлы действуют как тепловые губки: они накапливают тепло при ярком солнце и отдают его позже, поддерживая тёплую воду даже при ослаблении солнечного излучения. Были испытаны пять вариантов: «обычный» испаритель без добавок, испаритель только с бамбуковым фитилем и три варианта с фитилем плюс каждый из типов металлических накопителей.

Измерение тепла, солнца и каждой капли

Эксперименты проводились на юге Индии в ясные апрельские дни, с раннего утра до вечера; оба типа испарителей стояли рядом, чтобы получать одинаковую погоду и освещённость. Приборы регистрировали интенсивность солнечного излучения, скорость ветра и температуры в ключевых точках: на поглощающей пластине, в воде и паре внутри, на стеклянной крышке и в собранной конденсатной воде. Исследователи взвешивали дистиллированную воду каждый час, чтобы проследить, как меняется производительность в течение дня и в ночное время. Они также рассчитывали, насколько эффективно каждая конструкция превращала поступающее солнечное излучение в полезное испарение, и сколько этой энергии можно считать действительно «доступной» для выполнения работы — понятие, известное как эксергия, которое подчёркивает потери энергии внутри системы.

Какая конструкция и материалы сработали лучше

И бамбуковый фитиль, и металлические блоки дали заметный эффект, но одно сочетание выделялось. Во всех пяти вариантах испытаний двухскатный испаритель стабильно производил больше воды, чем односкатный, поскольку у него была большая стеклянная поверхность для конденсации и более эффективное использование накопленного тепла. Добавление только бамбукового фитиля уже повышало температуру воды и образование пара. Когда фитиль сочетали с медными блоками — лучшим проводником тепла среди протестированных металлов — и температура, и выход ещё больше увеличивались. В этом наилучшем варианте двухскатный испаритель достиг средней тепловой эффективности примерно 41,7% и эксергетической эффективности 3,1%, что выше, чем у остальных конфигураций. За полный день выход пресной воды увеличился примерно с 3,4 литра для односкатного испарителя с медью и фитилем до примерно 3,8 литра для двухскатной версии.

Экологические и экономические преимущества

Поскольку усовершенствованные испарители извлекают больше воды из того же количества солнечного света и материалов, исследователи также изучили долгосрочные экологические и экономические последствия. У обеих конструкций были схожие сроки окупаемости энергии, то есть они возмещают энергию, затраченную на производство, чуть более чем за полутора лет эксплуатации. Однако двухскатный испаритель генерировал немного больше полезной энергии и в течение срока службы снижал выбросы, внося больший вклад в потенциальные «углеродные кредиты». С экономической точки зрения повышенная производительность сделала стоимость литра дистиллированной воды из двухскатного испарителя немного ниже, чем из односкатного, хотя базовая стоимость изготовления у них одинаковая.

Что это значит для засушливых сообществ

Для людей, живущих в солнечных районах с ограниченным доступом к чистой воде, эта работа показывает, что простое изменение формы и разумное использование повседневных материалов могут значительно повысить продуктивность небольших солнечных испарителей. Двухскатный короб с чёрным бамбуковым тканевым фитилем и медными блоками для хранения тепла может обеспечивать больше пресной воды в день, эффективнее использовать солнечную энергию и оставаться доступным и экологичным. Хотя испытания были краткосрочными и проведены в одном климате, подход указывает на надёжные, малоинтенсивные по технологии системы опреснения, которые могут помочь удалённым сообществам, фермам и домохозяйствам превращать обилие солнечного света в более надёжный поток безопасной питьевой воды.

Цитирование: Rajkumar, D., Vijayakumar, R., Madhu, P. et al. A comprehensive assessment of solar still productivity enhancement using novel wick and energy storage material. Sci Rep 16, 14324 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43571-z

Ключевые слова: солнечная опреснительная установка, производство пресной воды, бамбуковый фитиль, накопление тепловой энергии, двухскатный солнечный испаритель