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這個裝置是沙漠標配了 一邊發電一邊造淡水

2019-07-17 09:23:17  來源:科學大院

在夏天里吹著空調、喝著冰水絕對是件美事,但是,你可曾知道,世界上有很多人還享受不到這種待遇,因為水與能源都是當今世界面臨的主要發展挑戰。

《2014年世界水發展報告》的主要作者理查德•康納(Richard Connor)指出:“全世界有13億人缺乏電力,全世界有7億7000多萬人缺乏改善過的水源。缺乏供水的地區常常與缺乏電力的地區相重合,這從另一個角度顯示了水與能源之間的關聯。”

(圖片來源:http://engineering.danfoss.com.cn)

(圖片來源:http://engineering.danfoss.com.cn)

“閱讀原文”

能源與水的關系密不可分并且已受到廣泛關注,一方面,能源資源的開采、加工和轉化過程需要消耗大量純凈水。另一方面,水的凈化過程中需要消耗大量能量。科學家們一直試圖找到合適的方法處理水與能源的關系。沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學王鵬教授結合現有光伏技術和多級膜蒸餾技術,設計了一種可同時產水產電的裝置,相關論文發表在Nature·Communications上(Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation,詳情請戳~),為解決水-能源危機提供了更綠色的標桿。

水與能源相互制約

水與能源相互制約

能源從開采到最終轉化為電能的過程十分復雜,其中水扮演著重要的角色。在大多數發電廠中,需要用水冷卻渦輪發動機,而這一過程中大量水分通過蒸發而消耗。即使以清潔的方式通過光伏發電,也需要使用純凈水定期給光伏面板進行清洗。

水與能源的關系(圖片來源:https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/72886)

水與能源的關系(圖片來源:https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/72886)

而隨著人口的增長以及全球氣候的變化,我們正面臨嚴重的水危機:全球約三分之一的人口每年至少有一個月生活在嚴重缺水條件下,5億人全年面臨水資源短缺問題。盡管地球71%的面積被水覆蓋,然而其中97%為不可直接飲用的鹽水,淡水資源僅占3%。在這些淡水資源中,2/3來自冰川,因此可利用的淡水資源極其有限。

普通自來水廠只能用于鹽度較低的淡水(如江水、河水以及淡水湖中的水)凈化,對于鹽度較高的海水,則需要能量消耗較高的海水淡化技術,如多級閃蒸、多效蒸餾、膜蒸餾以及反滲透。通常,海水淡化工廠不僅需要消耗大量電能,前期設備投入較高,因此僅適用于人口密度較高以及較發達地區。

太陽能發電低溫“廢熱”待利用

太陽光作為一種可持續、可再生的清潔能源,對未來可持續發展有著至關重要的作用。目前已提出多種太陽能轉化技術,如光催化分解水產氫、太陽能電池、光熱存儲等。其中由于光伏發電可直接從太陽光中獲取電能受到廣泛關注。

光伏發電(圖片來源:http://www.gov.cn/xinwen/2015-08/29/content_2921894.htm)

光伏發電(圖片來源:http://www.gov.cn/xinwen/2015-08/29/content_2921894.htm)

光伏發電通過將太陽光中較短波長部分通過光伏效應轉化為電能,而太陽光中長波段部分則被轉化為熱能。根據S-Q理論(Shockley–Queisser limit),單結太陽能電池的最大光電轉換效率僅為33.7%,而目前工業化的太陽能電池光電轉換效率通常低于22%。剩余~78%的太陽光主要被轉化為“廢熱”,造成較高的太陽能電池運行溫度(60~80oC)。在較高溫度下,太陽能電池光電轉化效率及使用壽命也將減少。

與傳統熱能利用技術相比(如熱能發動機),太陽能電池僅能作為一種低溫熱源,對其熱能的使用造成了一定的挑戰。因此,科學家們一直致力于尋求合適的策略有效處理太陽能電池產生的低溫“廢熱”。

高效發電凈水一機搞定

能夠綜合水與電力生產的系統是可持續前景的關鍵,例如在沙特阿拉伯和阿聯酋的一些發電廠集海水淡化和能源生產于一身。不過在傳統光熱水凈化技術中,光熱材料將太陽光轉化為熱能后將水源蒸發,產生的蒸汽在在透明玻璃內表面冷凝,并將熱量擴散至環境。其理論最大產水速率為~1.6 kg/m2h, 而由于冷凝表面熱量擴散較慢,使其冷凝速度降低,因此其實際產水速率僅為0.3~0.7 kg/m2h。

傳統光熱水凈化技術(圖片來源:https://www.researchgate.net/publication/294577641_Factors_affecting_solar_stills_productivity_and_improvement_techniques_A_detailed_review/figures?lo=1)

傳統光熱水凈化技術(圖片來源:https://www.researchgate.net/publication/294577641_Factors_affecting_solar_stills_productivity_and_improvement_techniques_A_detailed_review/figures?lo=1)

那么王鵬教授團隊的裝置有什么獨到之處?

該裝置將太陽能電池所產生的低溫廢熱作為熱源,利用水蒸發吸熱、冷凝釋放熱量的特點,通過多級膜蒸餾技術實現高效蒸發和冷凝。其中,單級組件主要由蒸發層、多孔膜、冷凝層以及導熱層組成(如下圖所示)。

光伏-多級膜蒸餾結構示意圖(圖片來源:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6)

光伏-多級膜蒸餾結構示意圖(圖片來源:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10817-6)

太陽能電池受光照后,將太陽能轉化為電能和熱能。熱量通過導熱層被蒸發層中的水吸收后產生水蒸氣并向下擴散至冷凝層冷凝,釋放熱量。所釋放的熱量經過冷凝層底部的導熱層傳送至下一級并作為下一級的熱源進行蒸發、冷凝。

該過程主要包括熱量傳輸以及蒸汽擴散,其驅動力主要由多級裝置頂部與底部溫差產生:

1)頂部由于太陽能電池產生的熱能溫度較高,而底部溫度較低,而熱量可通過熱傳導從高溫出傳送至低溫處;

2)就蒸汽擴散而言,多孔膜上側的蒸發層靠近太陽能電池,其溫度與冷凝層相比較高。而水的飽和蒸氣壓隨溫度的升高而升高,因此蒸發層蒸氣壓高于冷凝層,驅使其向冷凝層擴散。

此外,多孔膜由疏水材料制備而成,因此可阻擋液體水從蒸發層流向冷凝層。

與傳統光熱水凈化技術相比,這種光伏產水技術利用多級結構,充分回收利用了水蒸氣冷凝釋放的熱能,使其產水速率大大提升。在保證11%產電效率的前提下,以海水作為水源,在三級組件中產水速率高達1.64 kg/m2h,這對于光伏產業以及海水淡化具有重要意義。

展望

這項研究實現了在同一個裝置中通過太陽能同時產水產電,大大提高了太陽能的利用率,具有很高的商業應用前景。例如在沙特阿拉伯沿海地區,淡水資源匱乏而陽光充足,因此在該地區發展光伏產水技術具有廣大前景。

光伏發電的展望:產電與產水同時進行(圖片來源:https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-48910569)

光伏發電的展望:產電與產水同時進行(圖片來源:https://www.bbc.co.uk/news/science-environment-48910569)

此外,已有報道表明太陽能電池發電廠的建立有利于太陽能電板下面植物生長,這是由于清洗太陽能電池面板的純凈水灌溉造成的。據此,研究團隊將致力于利用光伏產水裝置在靠近海水、咸水湖的半干旱地區打造光伏-咸水凈化-農業生態。

當前光伏-農業生態(圖片來源:http://www.sohu.com/a/306897707_739670)

當前光伏-農業生態(圖片來源:http://www.sohu.com/a/306897707_739670)

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