В вузе создали прибор для получения чистой воды с помощью солнечной энергии

11:01, 19 февраля 2021

Разработка превосходит известные мировые аналоги

Разработчики установки Сергей Щеклеин и Насир Тавфик Алван Алхарбави подали заявку на патент. Фото: Илья Сафаров.

Ученые Уральского федерального и Северного технического университетов (Киркук, Ирак) создали высокопроизводительный пластинчатый солнечный опреснитель (дистиллятор) воды. Разработчики определили его характеристики в зависимости от погодных условий. Статьи с описанием аппарата и результатами опытов опубликованы в журналах Materials Today: Proceeding и Case Studies in Thermal Engineering.

Солнечный дистиллятор традиционного типа выглядит так. В основании — резервуар с морской или загрязненной водой. Испаряясь, вода конденсируется на внутренней поверхности крышки из прозрачного оргстекла, которая накрывает резервуар. Очищенный конденсат, стекая по алюминиевому каналу, накапливается в пластиковом водосборнике в нижней части дистиллятора.

«Преимущество такого устройства в том, что оно работает не только под прямыми лучами, но и с рассеянным излучением, а значит, продуктивно даже при облачности. Кроме того, такой тип солнечного опреснителя характеризуется легкостью изготовления, простотой в монтаже и обслуживании, хорошей совместимостью со зданиями, надежностью в эксплуатации. Вместе с тем производительность и, следовательно, экономическая эффективность устройств этого традиционного типа остается сравнительно невысокой», — комментирует научный руководитель проекта, заведующий кафедрой атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ Сергей Щеклеин.

В связи с этим в УрФУ создали модифицированный солнечный дистиллятор. В новом приборе под действием насоса вода из резервуара сначала проходит через солнечный коллектор — пластину с 30 медными трубками на ней, аккумулирующую солнечную энергию и накаленную под лучами Солнца. Нагревшаяся в солнечном коллекторе вода поступает обратно в резервуар, внутрь которого вмонтирован полый вращающийся цилиндр. Движение цилиндру придает небольшой, питаемый от фотоэлемента двигатель постоянного тока, который используется в автомобильном стеклоподъемнике.

«В ходе наших исследований выяснилось, что чем меньше толщина слоя воды, тем быстрее она нагревается и испаряется. Согласно этому выводу, вращающийся цилиндр внутри резервуара захватывает воду в виде очень тонкой пленки. В таком виде вода испаряется за считанные секунды. Таким образом, мы радикально увеличили и площадь, и скорость испарения», — поясняет Насир Тавфик Алван Алхарбави, научный сотрудник Северного технического университета и кафедры атомных станций и возобновляемых источников энергии УрФУ, разработчик и создатель инновационной конструкции солнечного опреснителя, осуществивший основные экспериментальные исследования и математическое моделирование процессов.

Солнечный коллектор, как и прозрачная крышка над резервуаром, расположены под углом 35 градусов к горизонту — чтобы солнечные лучи были перпендикулярны поверхности солнечного коллектора и для облегчения скольжения дистиллированной воды по крышке солнечного дистиллятора. Резервуар для воды, вращающийся цилиндр в нем и пластина солнечного коллектора выполнены из оцинкованного железа и стали, окрашенных в черный цвет — для максимального поглощения солнечного излучения.

Тестирование созданного в УрФУ оборудования проводилось в Екатеринбурге в течение четырех месяцев — летом и осенью, в ясные дни. Анализ показал, что наибольшая продуктивность солнечного дистиллятора была зафиксирована в июле, в полдень, в период наивысшей интенсивности солнечного излучения. В этот день суточная выработка установки составила 12,5 литров конденсата на квадратный метр. Это в три раза больше, чем у лучших мировых аналогов, и в четыре — чем при использовании традиционных конструкций.

Авторы проекта не остановились на достигнутом и предприняли дополнительные усовершенствования. Производительность солнечных опреснителей зависит от разницы температур воды на поверхности испарения, в резервуаре и на конденсирующей поверхности, то есть на крышке. Чем выше перепад температур, тем больше объем получаемой дистиллированной воды.

«Дневной нагрев воды в резервуаре до температуры выше +60 ℃ обеспечивался интенсивной солнечной радиацией: летом она зачастую больше 1 000 Вт на квадратный метр. А для нагрева воды в резервуаре и ее испарения в вечернее и ночное время, после захода Солнца, мы стали использовать парафиновый тепловой аккумулятор. В то же время естественное охлаждение стеклянной крышки над резервуаром вечером и ночью приводило к понижению температуры окружающего воздуха: в июле днем она достигала максимальных +34 ℃, а вечером падала до +20 ℃», — продолжает Насир Тавфик Алван Алхарбави.

Разработчики планируют дальнейшие усовершенствования. Например, использование абсорбционного холодильника, который улучшает испарение воды и увеличивает скорость конденсации посредством ультразвука, разбрызгивающего воду в виде микроскопических капель.

«Объем накопленной солнечной энергии увеличится на порядок, энергозатраты снизятся в разы, установка станет эффективнее, компактнее и дешевле. Скорость испарения и конденсации и повышение производительности возрастут еще в 1,5–2 раза, поскольку система будет работать днем и ночью», — резюмирует Сергей Щеклеин.

Учитывая уникальность результатов, авторы изобретения подали заявку на патент.

Справка

Нехватка чистой воды — одна из самых больших мировых проблем, особенно для таких стран, как Иран, Ирак, Сирия, Египет. По данным Всемирной организации здравоохранения, почти 800 млн человек не имеют доступа к чистой воде. По этой причине ежегодно умирают около 3 млн человек. Выход — в опреснении и очистке морской и загрязненной воды или в конденсировании воды из влажного воздуха. В этих целях перспективно использование солнечной энергии — в отличие от ископаемого топлива, возобновляемой, экологичной, повсеместно доступной, в том числе с технологической и экономической точек зрения.