سیستم آب شیرین کن خورشیدی بدون نیاز به باتری اضافی
مهندسان MIT یک سیستم جدید آب شیرینکن طراحی کردهاند که با ریتمهای خورشید کار میکند. این سیستم خورشیدی، نمک را از آب با سرعتی حذف میکند که به تغییرات انرژی خورشیدی نزدیک است. با افزایش نور خورشید در طول روز، سیستم فرایند آب شیرینسازی خود را تسریع میکند و به طور خودکار به هر گونه تغییر ناگهانی در نور خورشید، مانند کاهش نور به دلیل عبور ابرها یا افزایش نور هنگام پاک شدن آسمان، واکنش نشان میدهد.
این سیستم به دلیل قابلیت واکنش سریع به تغییرات جزئی در نور خورشید، حداکثر استفاده را از انرژی خورشیدی میبرد و مقادیر زیادی آب تمیز تولید میکند، حتی با وجود تغییرات در نور خورشید در طول روز. بر خلاف سایر طراحیهای آب شیرینکن خورشیدی، سیستم MIT نیاز به باتری اضافی برای ذخیره انرژی یا منبع تغذیه کمکی از شبکه ندارد.
مهندسان یک پروتوتایپ مقیاس جامعه را بر روی چاههای آب زیرزمینی در نیومکزیکو به مدت شش ماه آزمایش کردند و در شرایط جوی و نوع آب متغیر کار کردند. این سیستم به طور متوسط بیش از 94 درصد از انرژی الکتریکی تولید شده توسط پنلهای خورشیدی سیستم را برای تولید حداکثر 5,000 لیتر آب در روز استفاده کرد، با وجود نوسانات شدید آب و نور خورشید.
آموس وینتر، پروفسور مکانیک و مدیر مرکز تحقیقات و مهندسی جهانی K. Lisa Yang در MIT میگوید: “تکنولوژیهای آب شیرینکن متداول نیاز به قدرت ثابت دارند و برای تعدیل منبع انرژی متغیر مانند خورشید به باتری ذخیرهسازی نیاز دارند. با تنظیم مداوم مصرف برق متناسب با خورشید، فناوری ما به طور مستقیم و کارآمد از انرژی خورشیدی برای تولید آب استفاده میکند. توانایی تولید آب آشامیدنی با منابع تجدیدپذیر بدون نیاز به ذخیره باتری یک چالش بزرگ است. و ما این کار را انجام دادهایم.”
این سیستم بهطور خاص برای آب شیرینسازی آب زیرزمینی شور طراحی شده است – منبع آبی که در مخازن زیرزمینی یافت میشود و از منابع آب شیرین رایجتر است. محققان این آب زیرزمینی شور را به عنوان یک منبع بزرگ و دستنخورده از آب آشامیدنی میبینند، بهویژه در شرایطی که ذخایر آب شیرین در برخی از نقاط جهان تحت فشار هستند. آنها تصور میکنند که سیستم جدید و بدون باتری میتواند آب آشامیدنی بسیار مورد نیاز را با هزینه پایین ارائه دهد، بهویژه برای جوامع داخلی که دسترسی به آب دریا و شبکه برق محدود است.
جاناتان بسهت، دانشجوی دکتری MIT در رشته مهندسی مکانیک میگوید: “بیشتر جمعیت در فاصلهای کافی از سواحل زندگی میکنند، بهطوری که آب شیرینکن دریایی هرگز نمیتواند به آنها برسد. به همین دلیل آنها به شدت به آب زیرزمینی وابسته هستند، بهویژه در مناطق دورافتاده و کمدرآمد. و متأسفانه، این آب زیرزمینی به دلیل تغییرات آب و هوایی بیش از پیش شور میشود. این فناوری میتواند آب تمیز و پایدار را به نقاطی که کمتر تحت پوشش قرار گرفتهاند در سراسر جهان بیاورد.”
محققان جزئیات سیستم جدید را در مقالهای که در نشریه Nature Water منتشر شده، گزارش کردهاند. نویسندگان این مطالعه شامل بسهت، وینتر و مهندس Shane Pratt هستند.
پمپ و جریان
این سیستم جدید بر اساس طراحی قبلی ساخته شده است که وینتر و همکارانش، از جمله Wei He، پست دکتری سابق MIT، در اوایل امسال گزارش داده بودند. آن سیستم هدفش آب شیرینسازی از طریق “الکترو دیالیز انعطافپذیر دستهای” بود.
الکترو دیالیز و اسمز معکوس دو روش اصلی برای شیرین کردن آب زیرزمینی شور هستند. در اسمز معکوس، فشار برای پمپاژ آب شور از طریق غشایی و فیلتر کردن نمکها استفاده میشود. الکترو دیالیز از یک میدان الکتریکی برای استخراج یونهای نمک در حالی که آب از طریق یک دسته غشاهای تبادل یونی پمپاژ میشود، استفاده میکند.
دانشمندان به دنبال تأمین انرژی هر دو روش با منابع تجدیدپذیر هستند. اما این کار بهویژه برای سیستمهای اسمز معکوس، که معمولاً در سطح ثابتی از قدرت کار میکنند و با منابع انرژی متغیر طبیعی مانند خورشید ناسازگار است، چالش برانگیز بوده است.
وینتر، ه و همکارانشان بر روی الکترو دیالیز تمرکز کردند و به دنبال راههایی برای ایجاد یک سیستم “متغیر زمانی” بودند که به تغییرات انرژی خورشیدی تجدیدپذیر پاسخگو باشد.
در طراحی قبلی خود، تیم یک سیستم الکترو دیالیز متشکل از پمپهای آب، یک دسته غشاهای تبادل یونی و یک آرایه پنلهای خورشیدی ساخت. نوآوری در این سیستم، یک سیستم کنترل مبتنی بر مدل بود که از خواندن سنسور از هر قسمت سیستم برای پیشبینی نرخ بهینه پمپاژ آب از طریق دسته و ولتاژی که باید به دسته اعمال شود، برای حداکثر کردن میزان نمک حذف شده از آب استفاده میکرد.
وقتی تیم این سیستم را در میدانی آزمایش کرد، توانست تولید آب خود را با تغییرات طبیعی خورشید متغیر کند. بهطور متوسط، این سیستم بهطور مستقیم 77 درصد از انرژی الکتریکی موجود تولید شده توسط پنلهای خورشیدی را استفاده میکرد که تیم برآورد کرد 91 درصد بیشتر از سیستمهای الکترو دیالیز خورشیدی که بهطور سنتی طراحی شدهاند.
با این حال، محققان احساس کردند که میتوانند بهتر عمل کنند.
“ما تنها میتوانستیم هر سه دقیقه محاسبه کنیم و در آن زمان، یک ابر میتوانست واقعاً بیاید و نور خورشید را مسدود کند.” وینتر میگوید. “سیستم میتوانست بگوید، ‘من باید با قدرت بالا کار کنم.’ اما بخشی از آن قدرت بهطور ناگهانی کاهش یافته است زیرا اکنون نور خورشید کمتری وجود دارد. بنابراین، ما باید آن قدرت را با باتریهای اضافی جبران کنیم.”
دستورات خورشیدی
در کار اخیر خود، محققان به دنبال حذف نیاز به باتریها بودند و زمان واکنش سیستم را به یک کسر ثانیه کاهش دادند. سیستم جدید قادر است نرخ آب شیرینسازی خود را ۳ تا ۵ بار در ثانیه بهروزرسانی کند. زمان واکنش سریعتر به سیستم این امکان را میدهد تا به تغییرات نور خورشید در طول روز پاسخ دهد، بدون اینکه نیاز به جبران هرگونه تأخیر در قدرت با منابع اضافی داشته باشد.
کلید بهبود در فرآیند شیرینسازی، یک استراتژی کنترل سادهتر است که بسهت و پرات آن را طراحی کردهاند. استراتژی جدید یکی از “کنترل جریان فرماندهی شده است”، که در آن سیستم ابتدا میزان انرژی خورشیدی تولید شده توسط پنلهای خورشیدی را حس میکند. اگر پنلها انرژی بیشتری نسبت به مصرف سیستم تولید کنند، کنترلکننده بهطور خودکار “دستور میدهد” که سیستم پمپاژ خود را افزایش دهد و آب بیشتری را از طریق دسته الکترو دیالیز فشار دهد. همزمان، سیستم برخی از انرژی خورشیدی اضافی را با افزایش جریان الکتریکی تحویل داده شده به دسته، برای خارج کردن نمک بیشتر از آب با جریان سریعتر، منحرف میکند.
“بگذارید بگوییم که خورشید هر چند ثانیه در حال طلوع است.” وینتر توضیح میدهد. “بنابراین، سه بار در ثانیه، ما به پنلهای خورشیدی نگاه میکنیم و میگوییم، ‘اوه، ما قدرت بیشتری داریم – بیایید نرخ جریان و جریان را کمی افزایش دهیم.’ وقتی دوباره نگاه میکنیم و میبینیم که هنوز قدرت اضافی وجود دارد، دوباره آن را افزایش میدهیم. با انجام این کار، میتوانیم مصرف قدرت خود را با قدرت خورشیدی موجود به دقت مطابقت دهیم و هرچه سریعتر این حلقه را تکرار کنیم، نیاز به بافر باتری کمتری داریم.”
مهندسان استراتژی کنترل جدید را در یک سیستم کاملاً خودکار گنجاندهاند که اندازهگیری شده است تا آب زیرزمینی شور را در حجمی روزانه شیرین کند که کافی برای تأمین یک جامعه کوچک حدود ۳,۰۰۰ نفر باشد. آنها سیستم را به مدت شش ماه بر روی چندین چاه در تأسیسات ملی تحقیقات آب زیرزمینی شور در آلاموگوردو، نیومکزیکو، راهاندازی کردند. در طول این آزمایش، پروتوتایپ تحت یک دامنه وسیع از شرایط خورشیدی کار کرد و بهطور متوسط بیش از 94 درصد از انرژی الکتریکی پنلهای خورشیدی را برای تأمین آب شیرین استفاده کرد.
“در مقایسه با نحوه طراحی سنتی یک سیستم آب شیرینکن خورشیدی، ما ظرفیت باتری مورد نیاز را تقریباً ۱۰۰ درصد کاهش دادیم.” وینتر میگوید.
مهندسان قصد دارند این سیستم را بیشتر آزمایش و مقیاسگذاری کنند تا بتوانند به جوامع بزرگتر و حتی کل شهرداریها آب آشامیدنی با هزینه کم و کاملاً خورشیدی ارائه دهند.
“در حالی که این یک گام بزرگ به جلو است، ما هنوز در تلاش برای ادامه توسعه روشهای آب شیرینکن پایدارتر و با هزینه کمتر هستیم.” بسهت میگوید.
پر ات میافزاید: “تمرکز ما اکنون بر روی آزمایش، حداکثر کردن قابلیت اطمینان و ایجاد خط تولیدی است که میتواند آب شیرینشده را با استفاده از منابع تجدیدپذیر به بازارهای مختلف در سراسر جهان ارائه دهد.”
این تیم در ماههای آینده شرکتی بر اساس فناوری خود راهاندازی خواهد کرد.
این تحقیق بهطور جزئی توسط بنیاد ملی علوم، بنیاد جولیا برک و آکادمی طراحی صبحگاه MIT پشتیبانی شد. این کار همچنین بهطور درکی توسط Veolia Water Technologies and Solutions و Xylem Goulds پشتیبانی شد.