Всепогодные системы опреснения на солнечной энергии, объединяющие фототермические испарители с гибридными технологиями, представляют собой устойчивую, экономически эффективную и высокоэффективную стратегию производства пресной воды. С быстрым ростом мировой экономики и неуклонным обострением загрязнения окружающей среды критическая проблема нехватки воды стала императивом, требующим решения. Традиционные источники, такие как поверхностные и грунтовые воды, больше не подходят для снабжения экосистемы достаточным и экономически эффективным запасом питьевой воды. Одновременно с этим, бурный рост населения мира привёл к значительному сокращению доступности этого, важнейшего для жизни, ресурса на душу населения. Прогнозы показывают, что к 2050 году население и орошаемые сельскохозяйственные земли, испытывающие нехватку воды, могут увеличиться примерно на 70,4% и 25,3% соответственно по сравнению с показателями 2020 года.
Эта суровая реальность подчёркивает настоятельную необходимость в исследовании и внедрении альтернативных источников воды для поддержки жизни во многих регионах мира. Морская вода, которая составляет более 70% поверхности Земли, представляет собой огромный ресурс, и технология опреснения стала точкой фокусировки потенциального смягчения глобального дефицита этого компонента. Современные методы опреснения, включая многоступенчатую флэш-дистилляцию, низкотемпературное многоэффектное испарение и обратный осмос, как правило, характеризуются высокими затратами, потреблением энергии и неэффективностью. Напротив, технология межфазной солнечной генерации пара (ISSG), как новое решение, обещает более низкие требования к энергии, а также многочисленные преимущества, такие как структурная простота, экономия средств и экологическая устойчивость, тем самым снижая эксплуатационные расходы и предлагая экологически чистую альтернативу для решения кризиса с нехваткой опреснённой воды.
Однако из-за цикла день-ночь традиционные испарители могут работать только с перерывами. А когда испаритель сталкивается с пасмурной погодой с низкой интенсивностью света, его производительность испарения значительно снижается, максимум до 60%, из-за недостатка тепла. Чтобы решить эту проблему, был гениально разработан ряд фототермических материалов, включая плазмонные металлы, полупроводники, материалы на основе углерода и геля, чтобы способствовать непрерывному испарению морской воды под действием солнца независимо от погоды. Например, фототермические материалы на основе гидрогеля могут снизить энтальпию испарения, настроить водные каналы, минимизировать потребности в энергии и достичь повышенной скорости испарения даже в условиях низкой освещённости. Эффект Марангони в этих гидрогелевых материалах также ускоряет поток воды, тем самым повышая устойчивость к накоплению соли во время длительного всепогодного испарения. Примечательно, что даже при высокой скорости испарения 6 кг на метр квадратный при трёхкратном солнечном облучении не происходит накопления соли в течение 12-часового периода, что обеспечивает стабильную скорость. Эти преимущества материалов на основе гидрогеля существенно повышают приспособляемость испарителей к изменяющимся климатическим условиям.
С точки зрения конструкции системы, гибридные системы, которые объединяют фототермические испарители с внешними источниками тепла, такими как электротермические преобразователи и материалы для хранения тепла с изменением фазы, продемонстрировали эффективность в всепогодном солнечном испарении морской воды. Эти системы обеспечивают эффективную и стабильную работу в периоды недостаточного освещения, используя эффект Джоуля для генерации тепла или высвобождения накопленного тепла. Кроме того, была создана инновационная гибридная система, объединяющая солнечное испарение морской воды со сбором тумана, примером которой является микро/наноструктурированная пена из полиэтилена/углеродных нанотрубок с взаимосвязанной структурой открытых ячеек. Эта система достигает значительного количества суточного выхода пресной воды, используя её способность к быстрому поглощению воды из влажного воздуха ночью и исключительную эффективность испарения под действием солнечного тепла в течение дня.
Для улучшения технологий опреснения воды с помощью солнца существует два общих пути: исследования с приоритетом эффективности и приоритетом затрат. Эффективность и стоимость являются двумя ключевыми факторами, которые мотивируют разработку технологий. Высокая эффективность снижает потребление энергии и сырья, что в свою очередь снижает выбросы углерода и повышает устойчивость. Даже в солнечном опреснении или других применениях чистой энергии повышение эффективности может снизить использование других дорогостоящих материалов. Помимо повышения эффективности, на стоимость воды солнечной опреснительной установки и её конкурентоспособность на рынке влияют различные другие факторы, такие как производство материалов, цепочки поставок солнечных и опреснительных компонентов, стоимость земли, установка и обслуживание системы, стоимость рабочей силы и нормативные издержки. Поэтому снижение стоимости воды солнечного опреснения при обеспечении высокого качества воды обычно является приоритетом с точки зрения развертывания всей установки.
Слой фототермического поглощения, основа системы, отвечает за поглощение солнечного света и преобразование его в тепловую энергию. Этот слой использует высокоэффективные фототермические конверсионные материалы для максимального поглощения солнечного излучения и преобразования его в тепло для нагрева воды. Слой испарения, расположенный над слоем фототермического поглощения, служит основной зоной преобразования энергии. Он использует капиллярное действие для притягивания влаги к области концентрированного тепла в резервуар сбора воды. В отличие от традиционных солнечных испарителей морской воды отличительной особенностью всепогодных солнечных испарителей является интегрированная система подачи тепла. Она высвобождает накопленную тепловую энергию или генерирует тепло посредством эффекта нагрева в ночное время или в условиях низкой освещённости, обеспечивая непрерывный процесс.
Принцип работы всепогодных солнечных испарителей морской воды меняется в течение дня и ночи. Днём или при достаточном освещении вода транспортируется в слой фототермического поглощения за счёт капиллярного действия. Затем слой поглощения преобразует световую энергию в тепловую, нагревая поверхность воды и заставляя её испаряться в пар, который в конечном итоге поступает в систему сбора для очистки воды или других целей. Поскольку тепло в основном сосредоточено на границе раздела, этот метод испарения более эффективен, чем традиционное объёмное испарение, что снижает потери тепла. В ночное время или в условиях недостаточного освещения некоторые всепогодные солнечные испарители интерфейса могут выделять накопленную тепловую энергию или преобразовывать тепло через свою систему теплоснабжения, тем самым постоянно поддерживая процесс испарения, в то время как другие могут собирать воду из утреннего воздуха, особенно при образовании тумана.
Органические загрязнители в морской воде, такие как масла и органические соединения, могут образовывать масляные плёнки или отложения на поверхности испарителя во время процессов, что сильно затрудняет теплопроводность и эффективность. Эти органические вещества также могут химически реагировать с материалами испарителя, что приводит к деградации материала. Кроме того, микроорганизмы в морской воде, включая бактерии и водоросли, могут размножаться на поверхности испарителя, образуя биоплёнки, которые не только препятствуют теплопроводности, но также могут вызывать засорение и коррозию. Поэтому идеальный всепогодный испаритель должен включать в себя конструктивные решения для смягчения или устранения неблагоприятных последствий сложных компонентов, тем самым повышая эффективность испарения и продлевая срок службы оборудования.
Различные подходы к моделированию затрат за последние четыре десятилетия напрямую повлияли на общие затраты. Солнечные фотоэлектрические системы испытали быстрое снижение стоимости в течение последних десятилетий. Помимо отдельных компонентов, общая конфигурация конструкции системы также играет решающую роль в определении затрат — управляемое сервером включение насоса для рекуперации энергии может значительно снизить затраты на производство воды примерно на 50% по сравнению с системами без него, особенно при работе в режиме постоянной скорости от батареи. Вышеупомянутые разработки в значительной степени повышают всепогодную адаптивность, эффективность испарения и эксплуатационную стабильность фототермических испарителей, способствуя постоянному снабжению пресной водой в различных условиях окружающей среды.