新型太阳能技术可以为数百万人提供电力和清洁水

使用太阳能电池排出的废热来净化水的紧凑型设备有朝一日可能会改变全球数亿人的生活,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学对旧技术的新思考,有望缓解威胁我们未来的水和能源之间关系的压力。

这两种资源是我们许多人认为理所当然的便利,但目前全世界有超过7.8亿人无法获得清洁用水,更为人并不在一个开关轻弹有电。缺水和电不仅使社区直接受到污染的风险,还会使种植庄稼,饲养牲畜或维持食物和药品库存变得更加困难。

也许更重要的是,我们很少考虑清洁水和电力之间的Catch-22关系,对相对较新的水的有限访问使得不可能以可观的规模有效地产生动力所需的蒸汽。如果没有方便的动力源,水首先可能难以净化甚至到达。

太阳能电池板领域可以为偏远干燥的地方的居民提供电力。但用水冲洗它们是保持它们远离灰尘的好方法,这在干旱的地方不容易做到。随着两只鸟杀死,这背后最新的项目研究人员意识到他们可以通过创建一个使用太阳光作为既产生电力的一种手段的光伏电池解决这两个问题和蒸馏的水。不出所料,将光伏与水净化联系起来并不新颖。例如,一家名为Zero Mass Water的美国初创公司使用太阳能来冷凝直接从大气中吸收的液态水。

但是,为了有用,这种设备需要紧凑且价格合理,留有足够的改进空间。这款最新设备的工程师在设计电池时充分考虑了效率,在相当标准的硅光伏电池下折叠元件进行蒸馏,其方式不会影响电池的能量输出。

在晴朗的日子里,光伏电池收集的太阳光超过10%用于产生电流,效率远远落后于传统的太阳能技术。剩余的太阳辐射的一部分变成热能,这通常会浪费。相反,该热量被薄饼状的疏水膜叠层吸收,这些疏水膜在选择用于帮助蒸发和冷凝的材料之间移动。与任何太阳能蒸馏器一样,热量迫使水变成蒸汽。但是当它冷凝时,热能被传递到下层膜中以重复该过程,从而提高蒸馏速率。通过这种方式堆叠膜,研究人员发现它们可以改进传统的太阳能蒸馏器,可能产生大约五倍于清洁水的量。只有一平方米的这种多级膜蒸馏装置显示每小时蒸馏超过1.6升的海水,所有这些都不会影响顶部光伏电池产生的电量。

去年,太阳能占世界电力的500多亿千瓦。到2025年,研究人员认为我们可能会接近这个数字的两倍。这是个好消息,但要实现它,我们需要大约40亿平方米的土地。加上蒸馏膜加倍,理论上可以清除相当于2017年饮用水的10%。这是一个令人兴奋的想法,如果它扩展。研究团队的下一步是研究如何突破设备效率和可负担性的界限。

能源和水之间的相互依赖对可能解决有需要社区问题的技术造成沉重代价。例如,海水淡化也有可能为大量人口提供服务,但前提是能源可用。2016年,海水占中东国家淡水的3%,但需要5%的电力才能生产。

更重要的是,分离出盐需要的能量需要它产生的一小部分淡水。随着美国在未来几十年内减少主要水资源短缺,水能关系将以前所未有的方式打入家园。