Ежедневный транситорный анализ интегрированной солнечной прямоконтактной мембранной дистилляции для когенерационного производства пресной воды и электроэнергии

Преобразование солнечного света в питьевую воду

Для многих сообществ одновременно не удовлетворяются две базовые потребности: безопасная питьевая вода и надёжное электроснабжение. В этом исследовании рассматривается компактное устройство, которое решает обе задачи, используя только солнечную энергию. Комбинируя солнечные панели с особым модулем очистки воды, система одновременно вырабатывает электрическую энергию и производит пресную воду из солёных или солоноватых источников — без топлива, сложного оборудования или подключения к сети.

Одна солнечная установка — два полезных продукта

В основе конструкции лежит гибридный солнечный коллектор, известный как фотоэлектротепловая панель (PVT). В отличие от стандартной солнечной панели, которая превращает лишь часть энергии солнца в электричество, а остальное теряет в виде тепла, этот коллектор улавливает оба вида энергии. Передний слой панели производит электричество, в то время как металлическая пластина и водяные каналы за ним поглощают оставшееся тепло. Нагретая вода затем направляется непосредственно в опреснительный модуль, называемый прямоконтактной мембранной дистилляцией (DCMD). Таким образом, одна поверхность, обращённая к солнцу, превращается в небольшую когенерационную установку, обеспечивающую и энергию, и очищенную воду для автономных пользователей.

Как скрытый фильтр делает воду безопасной

Блок DCMD работает на простом физическом принципе, а не на высоком давлении или химикатах. Тёплая солёная вода течёт по одной стороне тонкой пористой водоотталкивающей мембраны, в то время как прохладная чистая вода (или ранее дистиллированная вода) течёт по другой стороне. Поскольку одна сторона горячее, молекулы воды склонны испаряться из нагретого потока, проходить в виде пара через мелкие поры мембраны и конденсироваться обратно в жидкость на холодной стороне. Соль и другие примеси слишком крупны или недостаточно летучи, чтобы пройти, поэтому они остаются в подающем потоке. В результате на холодной стороне получают дистиллят высокой чистоты, а на горячей — более концентрированный рассол, причём процесс приводится в действие температурными разностями, создаваемыми солнцем.

Поиск лучших углов и потока

Исследователи не ограничились концептуальным наброском; они создали детальную компьютерную модель, отслеживающую поведение системы покомпонентно в течение солнечного дня. Используя реальные погодные данные, они изучали, как наклон коллектора и углы двух отражающих металлических панелей влияют на суммарное захваченное солнечное излучение. Регулировка этих углов меняла количество радиации, падающей на поверхность PVT, изменяя баланс между выдачей электроэнергии и производством воды. Они также варьировали площадь солнечного коллектора и скорость циркуляции воды через него. Большая площадь коллектора сильнее нагревала подающую воду и резко увеличивала суточный выход пресной воды — примерно от 6,4 кг/сут при 0,5 м² до 54,1 кг/сут при 2 м² — но это также повышало рабочие температуры и теплопотери, что снижало общую эффективность.

Баланс между большим объёмом воды и лучшей эффективностью

Скорость потока воды через коллектор оказалась вторым важным регулятором. При низком расходе вода дольше задерживалась в панели, сильнее нагревалась и увеличивала движущую силу испарения в модуле DCMD, давая больше дистиллята. Однако сами солнечные элементы при этом нагревались сильнее, что ухудшало их электрическую эффективность. При увеличении расхода циркулирующая вода эффективнее охлаждала солнечные элементы, повышая электрические и тепловые КПД, но одновременно подаваемая к мембране вода была холоднее, что сокращало производство пресной воды. Для рассматриваемой конструкции авторы пришли к выводу, что площадь коллектора около 1,0–1,5 м² и расход подачи в пределах 0,003–0,004 кг/с обеспечивают разумный компромисс между производством воды и энергетической производительностью.

Что это значит для засушливых, автономных регионов

При базовых настройках с коллектором 1,5 м² система производила около 18,7 кг пресной воды в сутки и достигала общей энергетической эффективности примерно 36%, при этом секция PVT отдельно демонстрировала около 43% теплового КПД. Важно, что эти значения получены при реалистично меняющемся солнечном освещении, а не в идеальных лабораторных условиях, и без опоры на громоздкие линзы, системы слежения или вакуумные насосы. Для людей, живущих в солнечных, но бедных инфраструктурой районах, такая простая модульная установка может масштабироваться за счёт добавления дополнительных блоков для удовлетворения местного спроса. Хотя в будущих работах необходимо будет решить вопросы долговременного загрязнения мембран, затрат и экологических последствий, это исследование показывает, что тщательно настроенная солнечная когенерация способна превращать обычный солнечный свет в чистую воду и надёжную энергию с помощью простого оборудования.

Цитирование: Salavat, A.K., Ziapour, B.M. Daily transient analysis of an integrated solar-driven direct contact membrane distillation for cogeneration production of freshwater and electricity. Sci Rep 16, 10564 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44630-1

Ключевые слова: солнечное опреснение, фотоэлектротепловой, мембранная дистилляция, когенерация, дефицит пресной воды