工程师们开发了一种太阳能海水淡化系统，能够生成大量的洁净水，即使阳光在一天中不断变化。这个创新系统比其他太阳能设计成本更低，因为它不依赖额外的电池进行能量储存。
麻省理工学院的工程师们创造了一种与太阳周期协同工作的开创性淡化系统。
这个新设计的系统有效地根据可用的太阳能强度去除水中的盐分。随着白天阳光的增强，淡化过程也在加剧，自动调节其运作以应对阳光的变化，比如当云层经过时减少产量或在天气转晴时增加产量。
这种快速的适应性使得该系统能够高效地利用太阳能，尽管阳光在日常中存在变化，仍能产生大量的洁净水。与其他基于太阳能的淡化技术不同，麻省理工学院的这一系统不需要额外的电池或来自电网的辅助电力。
工程师们对新墨西哥州地下水井的社区规模原型进行了为期六个月的测试，尝试不同的天气条件和水类型。平均而言，该系统捕获了其太阳能电池板所产生的超过94%的电能，甚至在天气变化剧烈的情况下也能每日生产多达5000升的水。
麻省理工学院机械工程学的格梅瑟豪森教授兼K.丽莎杨全球工程与研究中心主任阿莫斯·温特表示：“传统的海水淡化技术需要稳定的电源，并利用电池来管理与太阳能等能源相关的波动。通过不断调整能耗以与阳光对齐，我们的系统有效地直接利用太阳能来生产洁净水。能够从可再生资源中产生饮用水而无需电池储存是一项我们成功应对的重大挑战。”
该系统专为淡化盐度高于淡水的咸水地下水而设计，咸水地下水通常存在于地下水库中。研究人员认为，咸水地下水是一个巨大的未开发饮用水潜力来源，尤其是在全球许多地区淡水储备逐渐枯竭的情况下。他们相信这项新型的无电池系统能够以低成本为内陆社区提供必要的饮用水，尤其是在缺乏海水和传统电网的地区。
麻省理工学院机械工程博士生乔纳森·贝塞特指出：“大多数人口离海岸太远，无法实现海水淡化，因此他们在偏远、低收入地区往往高度依赖地下水。遗憾的是，由于气候变化，这些地下水的盐度越来越高。”他说：“这项技术有潜力为全球弱势地区提供可持续和负担得起的清洁水。”
有关新系统的详细信息在今天发表在自然水上的一篇论文中进行了阐述。该研究的共同作者包括贝塞特、温特和工作人员夏恩·普拉特。
泵与流量
这种新的海水淡化方法建立在今年早些时候报道的之前设计的基础上，温特和他的同事们旨在采用“柔性批次电渗析”方法进行水的淡化。
电渗析和反渗透是淡化咸水地下水的两种主要技术。反渗透利用压力迫使含盐水通过膜，从而过滤出盐，而电渗析则利用电场提取盐离子，水通过一组离子交换膜。
研究人员已经探讨了两种方法中利用可再生能源，但反渗透系统通常需要稳定的电源，这与像太阳能这样的可变能源不兼容。
温特、何和他们的团队专注于改进电渗析，以创建一种更灵活、响应性更强的系统，能适应太阳能的波动。
在他们之前的设计中，他们实现了一个系统，包含水泵、离子交换膜组件和太阳能电池板阵列，包含一种基于模型的控制机制，利用传感器数据来确定有效提盐所需的最佳水泵速率和电压。
在现实场景测试时，该系统能够基于阳光变化调整其水输出。平均而言，它利用了太阳能电池板所产生电能的77%—比传统设计的太阳能电渗析系统多出91%。
然而，研究人员相信他们可以获得更好的结果。
温特解释道：“我们只能每三分钟处理一次数据，这意味着一个经过的云层可能会干扰操作。系统可能会指示需要高功率，但如果阳光突然减少，我们就必须用电池来弥补这种下降。”
太阳能指令
在他们最新的发展中，研究人员旨在通过将系统的响应时间大幅缩短到几分之一秒来消除对电池的依赖。现在，该系统能够每秒调整其淡化速率三到五次，使其能够更好地响应阳光的变化，而无需使用电池来提供额外动力。
这种快速调整的关键在于一种新设计的控制策略，称为“流量指令电流控制”。在这种方法中，系统评估发电的太阳能，如果面板产生的能量超过所需，它会自动指令增加泵送速率和电流，以增强盐的提取。
温特进一步解释：“如果阳光每几秒增加，我们会快速监控太阳能电池板，以最大化流量和电流。”他说：“通过不断调整我们的能耗以与一天中可用的太阳能保持一致，我们显著减少了对电池的依赖。”
工程师们在一个完全自动化的系统中推出了这一更新的控制策略，旨在淡化足够的咸水地下水，以为大约3000人提供服务。原型在新墨西哥州阿拉莫戈多的咸水地下水国家研究设施进行了为期六个月的测试，在此期间，它有效地利用了超过94%的太阳能电池板能量进行淡化，而不论太阳条件如何变化。
温特表示：“与传统的太阳能淡化系统相比，我们几乎消除了对电池容量的需求。”
工程师们希望进一步测试和规模化这项技术，目标是为更大的社区和整个市镇提供低成本、完全太阳能驱动的饮用水。
贝塞特提到：“尽管这代表了重大进展，但我们致力于继续努力开发更经济实惠和可持续的海水淡化解决方案。”
普拉特补充说：“我们当前的重点是测试系统的可靠性并开发一系列产品，能够在多个全球市场上提供使用可再生能源的淡化水。”
团队计划尽快基于其新技术成立一家公司。
该研究部分得到了国家科学基金会、朱莉娅·伯克基金会和麻省理工学院晨暮设计学院的资助。还得到了维奥利亚水科技与解决方案公司及赛莱姆公司的进一步支持。
