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麻省理工學院的工程師們建造了一種新的海水淡化系統，它隨著太陽的節奏運行。研究人員在《自然·水》雜誌上發表的一篇論文中詳細介紹了這個新系統。
這個太陽能系統能夠應對太陽能的變化，密切對應相關的速度去除水中的鹽分。隨著白天陽光的增強，系統會加速其脫鹽過程，並自動週整以應對陽光的任何突然變化，例如，在烏雲經過時降低速度，或在天空晴朗時加速。
由於該系統可以快速回應陽光的細微變化，因此它最大限度地利用了太陽能，儘管全天陽光會發生變化，但仍能產生大量清潔水。與其他太陽能驅動的海水淡化設計相比，麻省理工學院的系統不需要額外的電池來儲存能量，也不需要補充電源，如電網供電。
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工程師們在新墨西哥州的地下水井中測試了一個社區規模的原型機，測試時間超過六個月，並在多變的天氣條件和水質下工作。儘管天氣和可用陽光發生了巨大變化，但該系統平均利用了系統太陽能電池板產生的 94% 以上的電能，每天最多可生產 5,000 公升的水。
「傳統的淡化脫鹽技術需要穩定的電力，並且需要電池儲存來平衡太陽能等可變電源。透過不斷改變功耗以與太陽同步，我們的技術直接有效地利用太陽能來製造水，」麻省理工學院機械工程系的 格梅斯豪森（Germeshausen）教授、K. Lisa Yang 全球工程與研究（GEAR）中心主任艾默斯·溫特（Amos Winter） 表示
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「能夠利用可再生能源製造飲用水，而不需要電池儲存，這是一個巨大的挑戰。而我們做到了。」
該系統旨在淡化微鹹地下水——一種存在於地下水庫中的鹹水，比淡水資源更普遍。研究人員將微鹹地下水視為尚未開發的巨大潛在飲用水源，特別是在世界部分地區淡水儲備面臨壓力的情況下。
他們設想，這種新的可再生、無電池系統可以低成本提供急需的飲用水，特別是對於海水和電網電力供應有限的內陸社區。
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「實際上，大多數人口居住在距離海岸足夠遠的地方，海水淡化永遠無法到達他們。因此，他們嚴重依賴地下水，尤其是在偏遠的低收入地區。不幸的是，由於氣候變化，這些地下水正變得越來越鹹，」麻省理工學院機械工程博士生強納森‧貝塞特（Jonathan Bessette）說道。
「這項技術可以為世界各地服務不足的地區帶來可持續、負擔得起的清潔水。」
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泵和流量
新系統建立在之前的設計基礎上，溫特和他的同事（包括前麻省理工學院博士後研究員何偉）在今年早些時候報告了該設計。該系統旨在通過「靈活批次電透析」來淡化水。
電透析和反滲透是用於淡化微鹹地下水的兩種主要方法。反滲透利用壓力將鹹水泵入薄膜，並過濾掉鹽分。電透析利用電場在水泵入一堆離子交換膜時吸出鹽離子。
學家們一直在尋求用可再生能源為這兩種方法供能。但這對於傳統上以穩定功率運行的反滲透系統來說尤其具有挑戰性，這種穩定功率與太陽等自然變化的能源不相容。
溫特、何偉和他們的同事專注於電透析，尋求方法來製造一個更靈活的「時變」系統，該系統能夠回應可再生太陽能的變化。
在之前的設計中，該團隊構建了一個由水泵、離子交換膜堆和太陽能電池板陣列組成的電透析系統。
這個系統的創新之處在於一個基於模型的控制系統，它使用來自系統每個部分的傳感器讀數來預測通過堆疊泵送水的最佳速率，以及應該施加到堆疊的電壓，以最大化抽出水中鹽分的量。
當團隊在現場測試該系統時，它能夠根據太陽的自然變化改變其產水量。平均而言，該系統直接使用了太陽能電池板產生的 77% 的可用電能，該團隊估計這比傳統設計的太陽能電透析系統高 91%。
儘管如此，研究人員認為他們可以做得更好。
「我們只能每三分鐘計算一次，而在那段時間裡，一片雲可能會飄過來遮擋陽光，」Winter 說道。「系統可能會說，『我需要以這麼高的功率運行。』但由於現在陽光減少了，其中一些功率突然下降了。因此，我們不得不使用額外的電池來彌補這些功率。」
太陽能指令
在他們最新的工作中，研究人員希望通過將系統的回應時間縮短到幾分之一秒來消除對電池的需求。新系統能夠每秒更新其脫鹽速率三到五次。更快的回應時間使系統能夠適應全天陽光的變化，而無需透過額外的電源來彌補功率的任何滯後。
更靈活淡化的關鍵是貝塞特和普拉特設計的更簡單的控制策略。新策略是「流量指令電流控制」，其中系統首先感測系統太陽能電池板產生的太陽能功率。
如果電池板產生的功率超過系統使用的功率，控制器會自動「指令」系統提高其泵送速度，將更多水推入電透析堆。同時，系統透過增加輸送到堆的電流來轉移一些額外的太陽能，進而從更快流動的水中吸取更多鹽分。
「假設太陽每隔幾秒鐘就會升起，」溫特解釋道。
「因此，我們每秒三次查看太陽能電池板，然後說，『哦，我們有更多電力——讓我們稍微提高一下流速和電流。』當我們再次查看並發現仍然有多餘的電力時，我們會再次提高它。當我們這樣做時，我們就能夠非常準確地在一天中將我們消耗的功率與可用的太陽能功率緊密匹配。我們循環的次數越多，我們需要的電池緩衝就越少。」
工程師們將新的控制策略整合到一個完全自動化的系統中，他們將其大小設定為可以淡化足夠供應約3,000人的小社區每日用量的鹹淡地下水。他們在新墨西哥州阿拉莫戈多的國家鹹淡地下水研究設施的幾口水井上運行該系統六個月。
在整個試驗過程中，原型機在各種太陽能條件下運行，平均利用了太陽能電池板 94% 以上的電能直接為脫鹽提供動力。
「與傳統設計太陽能脫鹽系統的方式相比，我們將所需的電池容量減少了近 100%，」溫特說道。
工程師們計劃進一步測試和擴展該系統，希望能以低成本、完全由太陽能驅動的飲用水供應更大的社區，甚至是整個城市。
貝塞特說：「雖然這是一個重大進步，但我們仍在努力繼續開發成本更低、更可持續的淡化方法。」
Pratt 補充道：「我們現在的重點是測試、最大化可靠性，並建立一個產品線，可以使用可再生能源為世界各地的多個市場提供淡化水。」
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