Тепловой буфер с ТПС средней температуры для повышения эффективности солнечной установки опреснения в жарких египетских условиях

Превращение солнечного света в безопасную питьевую воду

Миру не хватает чистой воды, в то время как многие солнечные регионы — от Северной Африки до Ближнего Востока — изобилуют неиспользуемой солнечной энергией. В этом исследовании рассматривается, как более эффективно превращать это изобилие света в безопасную питьевую воду с помощью простых «солнечных установок» размером с крышу дома. Добавив специальные теплоемкие материалы и, в более продвинутой версии, контур горячей воды, исследователи показывают, как низкотехнологичное устройство может производить значительно больше пресной воды из соленых или солоноватых источников, сокращая при этом затраты и климатическое воздействие.

Почему важно получать чистую воду от солнца

У миллиардов людей нет надежного доступа к безопасной питьевой воде, а традиционные опреснительные установки дороги, энергоемки и часто зависят от ископаемого топлива. Солнечные установки предлагают более мягкую альтернативу: в неглубокий темный бассейн заливают соленую воду, накрывают прозрачной крышкой и позволяют солнцу вызывать испарение. Пар конденсируется на внутренней стороне крышки и стекает в сборный желоб в виде пресной воды. Эти устройства просты и надежны, но их сдерживает один существенный недостаток: в реальных уличных условиях стандартная солнечная установка обычно производит всего несколько литров воды на квадратный метр в день и перестает работать вскоре после заката.

Накопление дневного тепла для работы ночью

Чтобы продлить рабочий день солнечной установки, команда обратилась к теплофазовым материалам (ТПС). Эти вещества поглощают большие количества тепла при плавлении и медленно отдают его при затвердевании, как перевернутый пакет со льдом. Исследователи выбрали коммерчески доступный солевой ТПС с температурой плавления около 48 °C — температурой, которую обычно достигают внутри установок в жаркое египетское лето. Они установили металлические капсулированные блоки ТПС под бассейном одной установки, чтобы при солнечном нагреве материал аккумулировал тепло и позже отдавал его воде после захода солнца, поддерживая испарение дольше вечером.

Тестирование трех путей к увеличению производства пресной воды

На открытом воздухе в городе 10th of Ramadan, Египет, команда провела испытания трех почти идентичных установок рядом друг с другом: базовой конструкции, версии с ТПС под бассейном и гибридной версии, которая сочетала ТПС с контуром горячей бытовой воды и теплообменниками. Они систематически варьировали массу добавленного ТПС и тщательно регистрировали солнечную радиацию, температуры и объем дистиллированной воды. Для установки только с ТПС они обнаружили оптимальную загрузку примерно 2,5 килограмма ТПС. При этой загрузке бассейн в течение большей части дня, особенно в поздний полдень и раннюю ночь, оставался на 6–10 °C теплее, чем у обычной установки, а производство пресной воды составило около 2,48 литра на квадратный метр в день — примерно на 74 процента больше, чем у базовой установки.

От прироста эффективности к выгодам по затратам и климату

Более теплый бассейн и удлиненный период испарения привели к лучшему использованию поступающей солнечной энергии. Оптимизированная установка с ТПС достигла энергетической эффективности почти 25 процентов и эксергетической (или «полезной работы») эффективности около 7 процентов, оба показателя заметно выше, чем у многих ранних разработок. Поскольку дополнительное тепло поступало из аккумулированного солнечного излучения, а не из топлива или электроэнергии, стоимость каждого литра воды фактически снизилась несмотря на дополнительные материалы. По предположениям исследования, цена за литр упала примерно с 6,8 цента для базовой установки до 3,1 цента для версии с ТПС. За десять лет эксплуатации улучшенная конструкция также могла бы избежать более 40 тонн выбросов диоксида углерода по сравнению с ископаемо-энергетической альтернативой аналогичной производительности.

Дальнейшее улучшение с гибридным контуром горячей воды

Гибридная система пошла дальше, прокачивая горячую бытовую воду через теплообменники внутри установки поверх слоя ТПС. Этот дополнительный источник тепла поддерживал бассейн еще горячее поздним днем и позволял эффективно использовать несколько большую массу ТПС (около 3 килограммов). В лучшем случае производство пресной воды увеличивалось более чем на 50 процентов по сравнению с одной только ТПС и более чем вдвое по сравнению с обычной установкой. Однако это добавляло сложность и первоначальные затраты, и экономическая целесообразность сильно зависит от того, как именно генерируется эта горячая вода в реальных условиях.

Что это означает для засушливых солнечных регионов

Для сообществ в жарком, солнечном климате с ограниченной инфраструктурой исследование показывает, что тщательно подобранные материалы для накопления тепла могут превратить скромную солнечную установку в значительно более мощный источник пресной воды. Относительно простая конструкция с ТПС средней температуры, уже доступная на рынке, может ежедневно давать гораздо больше воды при более низкой стоимости и с заметным сокращением парниковых выбросов. Хотя эксперименты охватывали только короткий летний период и требуются более длительные испытания в разные сезоны и местах, результаты указывают на практичные масштабируемые варианты опреснения на солнечной энергии, которые могли бы помочь снизить водный стресс в Египте и аналогичных регионах.

Цитирование: Elsayed, M., Mansour, M.S., Yahya, H. et al. Thermal buffering with medium-temperature PCM for enhanced solar still performance in hot Egyptian conditions. Sci Rep 16, 12733 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47006-7

Ключевые слова: солнечное опреснение, солнечная установка, теплофазовый материал, накопление тепловой энергии, чистая вода