更新时间：2024-10-12 22:00:26 点击量：
强·贝塞特（Jon Bessette）坐在装有电透析淡化系统的拖车顶部，该系统位于新墨西哥州阿拉莫戈多的国家咸水研究设施（BGNDRF）。该系统连接着真实的地下水、储水箱和太阳能板。图片来源：Shane Pratt该系统会根据阳光照射量的变化，自动调整电压和盐水流经系统的速率。借由将机器运行模式与可用的水力相匹配，研究团队开发出一套系统，既能减少昂贵的电池使用量，同时又不影响饮用水的产量。（从左到右）：强·贝塞特（Jon Bessette）、尚恩·普拉特（Shane Pratt）和穆丽儿·麦克维尼（Muriel McWhinnie）七月份安装期间站在电透析脱盐淡化系统前。图片来源：Shane Pratt
麻省理工学院的工程师们建造了一种新的海水淡化系统，它随着太阳的节奏运行。研究人员在《自然·水》杂志上发布的一篇论文中详细介绍了这个新系统。
这个太阳能系统能够应对太阳能的变化，密切对应相关的速度去除水中的盐分。随著白天阳光的增强，系统会加速其脱盐过程，并自动周整以应对阳光的任何突然变化，例如，在乌云经过时降低速度，或在天空晴朗时加速。
由于该系统可以快速回应阳光的细微变化，因此它最大限度地利用了太阳能，尽管全天阳光会发生变化，但仍能产生大量清洁水。与其他太阳能驱动的海水淡化设计相比，麻省理工学院的系统不需要额外的电池来存储能量，也不需要补充电源，如电网供电。
工程师们在新墨西哥州的地下水井中测试了一个社区规模的原型机，测试时间超过六个月，并在多变的天气条件和水质下工作。尽管天气和可用阳光发生了巨大变化，但该系统平均利用了系统太阳能电池板产生的94%以上的电能，每天最多可生产5,000公升的水。
“传统的淡化脱盐技术需要稳定的电力，并且需要电池存储来平衡太阳能等可变电源。通过不断改变功耗以与太阳同步，我们的技术直接有效地利用太阳能来制造水，”麻省理工学院机械工程系的格梅斯豪森（Germeshausen）教授、K. Lisa Yang全球工程与研究（GEAR）中心主任艾默斯·温特（Amos Winter） 表示
“能够利用可再生能源制造饮用水，而不需要电池存储，IM电竞这是一个巨大的挑战。而我们做到了。”
该系统旨在淡化微咸地下水——一种存在于地下水库中的咸水，比淡水资源更普遍。研究人员将微咸地下水视为尚未开发的巨大潜在饮用水源，特别是在世界部分地区淡水储备面临压力的情况下。
他们设想，这种新的可再生、无电池系统可以低成本提供急需的饮用水，特别是对于海水和电网电力供应有限的内陆社区。
“实际上，大多数人口居住在距离海岸足够远的地方，海水淡化永远无法到达他们。因此，他们严重依赖地下水，尤其是在偏远的低收入地区。不幸的是，由于气候变化，这些地下水正变得越来越咸，”麻省理工学院机械工程博士生强纳森‧贝塞特（Jonathan Bessette）说道。
新系统创建在之前的设计基础上，温特和他的同事（包括前麻省理工学院博士后研究员何伟）在今年早些时候报告了该设计。该系统旨在通过“灵活批次电透析”来淡化水。
电透析和反渗透是用于淡化微咸地下水的两种主要方法。反渗透利用压力将咸水泵入薄膜，并过滤掉盐分。电透析利用电场在水泵入一堆离子交换膜时吸出盐离子。
学家们一直在寻求用可再生能源为这两种方法供能。但这对于传统上以稳定功率运行的反渗透系统来说尤其具有挑战性，这种稳定功率与太阳等自然变化的能源不兼容。
温特、何伟和他们的同事专注于电透析，寻求方法来制造一个更灵活的“时变”系统，该系统能够回应可再生太阳能的变化。
在之前的设计中，该团队构建了一个由水泵、离子交换膜堆和太阳能电池板数组组成的电透析系统。
这个系统的创新之处在于一个基于模型的控制系统，它使用来自系统每个部分的传感器读数来预测通过堆栈泵送水的最佳速率，以及应该施加到堆栈的电压，以最大化抽出水中盐分的量。
当团队在现场测试该系统时，它能够根据太阳的自然变化改变其产水量。平均而言，该系统直接使用了太阳能电池板产生的77%的可用电能，该团队估计这比传统设计的太阳能电透析系统高91%。
“我们只能每三分钟计算一次，而在那段时间里，一片云可能会飘过来遮挡阳光，”Winter说道。“系统可能会说，“我需要以这么高的功率运行。”但由于现在阳光减少了，其中一些功率突然下降了。因此，我们不得不使用额外的电池来弥补这些功率。”
在他们最新的工作中，研究人员希望通过将系统的回应时间缩短到几分之一秒来消除对电池的需求。新系统能够每秒更新其脱盐速率三到五次。更快的回应时间使系统能够适应全天阳光的变化，而无需通过额外的电源来弥补功率的任何滞后。
更灵活淡化的关键是贝塞特和普拉特设计的更简单的控制策略。新策略是“流量指令电流控制”，其中系统首先传感系统太阳能电池板产生的太阳能功率。
如果电池板产生的功率超过系统使用的功率，控制器会自动“指令”系统提高其泵送速度，将更多水推入电透析堆。同时，系统通过增加输送到堆的电流来转移一些额外的太阳能，进而从更快流动的水中吸取更多盐分。
“因此，我们每秒三次查看太阳能电池板，然后说，“哦，我们有更多电力——让我们稍微提高一下流速和电流。”当我们再次查看并发现仍然有多余的电力时，我们会再次提高它。当我们这样做时，我们就能够非常准确地在一天中将我们消耗的功率与可用的太阳能功率紧密匹配。IM电竞我们循环的次数越多，我们需要的电池缓冲就越少。”
工程师们将新的控制策略集成到一个完全自动化的系统中，他们将其大小设置为可以淡化足够供应约3,000人的小社区每日用量的咸淡地下水。他们在新墨西哥州阿拉莫戈多的国家咸淡地下水研究设施的几口水井上运行该系统六个月。
在整个试验过程中，原型机在各种太阳能条件下运行，平均利用了太阳能电池板94%以上的电能直接为脱盐提供动力。
“与传统设计太阳能脱盐系统的方式相比，我们将所需的电池容量减少了近100%，”温特说道。
工程师们计划进一步测试和扩展该系统，希望能以低成本、完全由太阳能驱动的饮用水供应更大的社区，甚至是整个城市。
贝塞特说：“虽然这是一个重大进步，但我们仍在努力继续开发成本更低、更可持续的淡化方法。”
Pratt补充道：“我们现在的重点是测试、最大化可靠性，并创建一个产品线，可以使用可再生能源为世界各地的多个市场提供淡化水。”
