麻省理工学院的工程师发明了一种系统，利用太阳能将含盐地下水转化为安全饮用水，而不需要电池。他们的研究发表在周二的《自然水》杂志上，解释了该系统如何适应全天不断变化的阳光条件，从而有效地净化水。
“在不需要电池储存的情况下，用可再生能源制造饮用水是一个巨大的挑战。我们已经做到了，”该研究的合著者、麻省理工学院K. Lisa Yang全球工程与研究中心(GEAR)主任、机械工程学教授阿莫斯·温特在一份声明中说。
根据2019年发表在《总环境科学》上的一项研究，海水淡化是一种从海水中去除盐分使其可饮用的过程，在过去20年里变得越来越重要。报告指出，由于日益严重的水资源短缺问题，海水淡化正变得越来越受欢迎。预计到2025年，全球60%的人口将受到缺水问题的影响。
根据进行这项研究的联合国大学科学家的说法，对于大多数远离海岸的人来说，从海水中去除盐分并不是一个实际的解决方案。许多内陆家庭严重依赖地下水作为饮用水，但由于气候变化，地下水正变得越来越咸。随着地下水的含盐量越来越高，对于依赖淡化水来满足其用水需求的社区来说，寻找清洁水是一个越来越大的挑战。
这就是太阳能发电系统颠覆性的原因。麻省理工学院的博士生、这篇新论文的合著者乔纳森·贝塞特说:“这项技术可以为世界上偏远地区带来可持续的、负担得起的清洁水。”
为了从微咸地下水中去除盐分，麻省理工学院的科学家们使用了反渗透和电渗析，这两种方法都需要能量。在反渗透中，含盐的水被迫通过过滤器，过滤掉大部分盐分，使其可以安全饮用。另一方面，电渗析则是利用电流将带电的盐颗粒从水中拉出来，通过一种叫做离子交换器的物质来吸引这些颗粒。
为了减少能源密集型海水淡化产生的温室气体排放，科学家们探索了利用可再生能源发电的方法。然而，这对于反渗透系统来说是困难的，因为它需要稳定的电力供应，而太阳能等可变能源很难实现这一点。
在今年早些时候的一项研究中，温特和他的团队专注于使用电渗析，并努力使其具有适应性，使系统能够适应全天阳光的变化。他们利用基于模型的控制系统，设法根据阳光的变化来调整水量。他们预测了最佳的水流速率和从水中去除最多盐分所需的电压。这些预测是通过连接到系统各个组成部分的传感器做出的——水泵、离子交换膜和太阳能电池板。
然而，由于响应时间较慢，这种电渗析系统需要进一步改进，这需要在云层突然出现时将能量储存在昂贵的电池中。
温特说:“我们只能每三分钟计算一次，而在这段时间里，一片云可能会遮住太阳。”“系统可能会说，‘我需要在这么高的功率下运行。“但由于现在阳光减少了，一些能量突然下降了。所以，我们必须用额外的电池来补充电力。”
这一次，贝塞特、温特和他们的同事谢恩·普拉特设计了一个新的系统，减少了响应时间，消除了对电池的需求。
他们引入了一种更简单的控制策略，称为“流控电流控制”。这个新的自动化版本可以感知太阳能的发电量，并迅速调整水泵和电流以匹配它。
如果有额外的电源，它会自动增加水流和电流，随着水流在系统中的速度加快，去除更多的盐。这种受控的无电池系统最大限度地利用太阳能，尽管全天阳光变化，但仍能产生大量的清洁水。
工程师们成功地测试了这些无电池新版本的社区规模原型，即使在不断变化的天气和阳光条件下，每天也能产生高达5000升水。这个全自动系统在六个月内处理了新墨西哥州的微咸地下水，使用了超过94%的太阳能电池板产生的能量，而温特团队设计的上一个版本只有71%。
温特在一份声明中说:“与传统设计太阳能脱盐系统相比，我们将所需的电池容量减少了近100%。”
该团队现在计划在接下来的几个月里成立一家基于这项技术的公司。
然而，在推出之前，他们打算进一步测试该产品，以最大限度地提高可靠性，并扩大该系统的规模，以满足包括整个城市在内的更大社区的需求。
贝塞特说:“虽然这是向前迈出的重要一步，但我们仍在努力继续开发成本更低、更可持续的海水淡化方法。”
(编辑:Mannat Chugh)
