Экспериментальная производительность, эксергетический и экономический анализ овального трубчатого солнечного испарителя, интегрированного с наномодифицированным фазопереходным материалом

Превращение солнечного света в безопасную питьевую воду

Миллиарды людей живут в засушливых прибрежных районах, где морская вода доступна, но питьевая вода — в дефиците. Крупные опреснительные установки могут быть дорогостоящими и энергоёмкими, что делает их недоступными для многих сообществ. В этом исследовании рассматривается небольшое, недорогое устройство, которое использует только солнечный свет для преобразования солёной воды в пресную более эффективно и дешевле, чем распространённые конструкции.

Новая форма для солнечных установок опреснения

Традиционные солнечные испарители обычно представляют собой простые коробки со стеклянной крышкой, в которых солёная вода испаряется под воздействием солнца и затем конденсируется в виде пресной воды. Авторы разработали иную форму: прозрачную овальную трубу, расположенную горизонтально. Внутри трубы находится мелкий чёрный металлический лоток с солёной водой. Солнечный свет может проникать со всех сторон, нагревая воду, которая испаряется и затем конденсируется на прохладной внутренней поверхности овальной трубы. Капли стекают вниз и собираются как питьевая вода. Эта овальная трубчатая конструкция (OTSS) обеспечивает большую поверхность для конденсации по сравнению с плоскими крышами, что способствует увеличению производства воды.

Хранение дневного тепла для использования ночью

Одна из основных слабостей солнечных испарителей заключается в том, что после захода солнца производство пресной воды резко падает. Чтобы решить эту проблему, исследователи добавили скрытую «тепловую батарею» под лотком с солёной водой. В качестве материала использовался парафиновый воск — распространённый материал, который при нагревании плавится и при охлаждении затвердевает, при этом аккумулируя и отдавая большие количества тепла. Воск размещён в нижнем металлическом отсеке прямо под водой. В солнечные часы он плавится и накапливает тепло; после захода солнца он медленно кристаллизуется, возвращая сохранённое тепло в воду. Эксперименты в Каире с мелкой водой (особенно при глубине 0,5 см) показали, что воск поддерживал более высокую температуру воды в бассейне до вечера, увеличивая дневное и ночное производство пресной воды примерно на 28 процентов по сравнению с той же трубой без воска.

Ускорение теплопередачи с помощью нанодобавок

Хотя парафиновый воск способен аккумулировать много тепла, он обладает низкой теплопроводностью. Чтобы быстрее переносить тепло в воск и из него, команда смешала воск с крайне мелкими частицами оксида алюминия, создав так называемый наномодифицированный парафин. Эти наночастицы в тысячи раз мельче песчинки, но существенно повышают способность воска проводить тепло. Исследователи протестировали несколько концентраций частиц и обнаружили, что умеренное содержание (0,3% по массе) оказалось оптимальным. С этой смесью воск нагревался и остывал быстрее, передавая больше тепла в воду в поздние дневные и вечерние часы. В результате установка производила до 7,26 литра пресной воды на квадратный метр площади бассейна в сутки — примерно на 42% больше по сравнению с той же системой без воска и на 11% больше по сравнению с применением простого воска.

Измерение эффективности и стоимости

Помимо подсчёта литров воды, исследование оценивало, насколько эффективно OTSS преобразует падающую солнечную энергию в полезное испарение и сколько будет стоить эта вода в течение срока службы устройства. Овальная труба без воска преобразовывала около 43% получаемой солнечной энергии в испарение; добавление воска увеличивало этот показатель почти до 61%, а наномодифицированный воск доводил его до более чем 68%. Более детальная оценка качества энергии — эксергетическая эффективность — также последовательно улучшалась с каждым усовершенствованием. Авторы затем оценили материальные и эксплуатационные затраты на срок службы десять лет в египетских условиях. Несмотря на то, что продвинутый воск и наночастицы добавляют первоначальные расходы, более высокий выход снижал стоимость каждого литра воды с примерно 2,1 цента до 1,63 цента в долларах США, делая улучшенную систему одновременно более производительной и более экономичной.

Что это значит для засушливых регионов

Проще говоря, исследователи показывают, что продуманное сочетание новой овальной конструкции трубы с эффективными материалами для накопления тепла позволяет извлекать значительно больше пресной воды из того же количества солнечного света. Устройство остаётся относительно простым — всего лишь прозрачная труба, мелкий металлический лоток и слой специального воска с добавленными наночастицами — но оно производит больше воды, работает дольше в ночное время и снижает цену за литр. Для удалённых солнечных сообществ, лишённых доступа к крупным энергоёмким установкам, такие солнечные испарители могут предложить практичный, малотребовательный в обслуживании способ получить чистую питьевую воду, используя лишь морскую воду и солнечный свет.

Цитирование: Aly, W.I.A., Tolba, M.A. & Abdelmagied, M. Experimental performance, exergy, and economic analysis of an oval tubular solar still integrated with nano-enhanced phase change material. Sci Rep 16, 11365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43990-y

Ключевые слова: солнечная опреснение, солнечный испаритель, фазопереходный материал, наночастицы, чистая вода