麻省理工学院的工程师们已经建立了一个新的海水淡化系统，该系统可以随着太阳的节奏运行。研究人员在《自然水》杂志上发表的一篇论文中报告了新系统的细节。

　　太阳能供电系统以紧跟太阳能变化的速度从水中去除盐分。随着一天中阳光的增加，该系统加快了脱盐过程，并自动调整以适应阳光的任何突然变化，例如，在云层经过时降低温度，或在天空晴朗时加快速度。

　　由于该系统可以对阳光的细微变化做出快速反应，因此它可以最大限度地利用太阳能，在全天阳光变化的情况下产生大量的清洁水。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储存能量，也不需要补充电源，比如来自电网的电源。

　　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，在不同的天气条件和水类型下工作了六个月。该系统平均利用系统太阳能电池板产生的94%以上的电能，每天生产高达5000升水，尽管天气和可用阳光波动很大。

　　“传统的海水淡化技术需要稳定的电力，需要电池存储来平滑像太阳能这样的可变电源。通过不断改变与太阳同步的电力消耗，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教授兼K.丽莎杨全球工程与研究(GEAR)中心主任阿莫斯温特说。

　　“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。我们做到了。”

　　该系统旨在淡化微咸地下水——一种在地下水库中发现的含盐水源，比新鲜地下水资源更为普遍。研究人员认为，微咸地下水是一个巨大的未开发的潜在饮用水源，特别是在世界部分地区淡水储量紧张的情况下。

　　他们设想，这种新的可再生、无电池的系统可以以低成本提供急需的饮用水，特别是对那些获得海水和电网电力有限的内陆社区。

　　“实际上，大多数人口居住在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，特别是在偏远的低收入地区。不幸的是，由于气候变化，地下水变得越来越咸，”麻省理工学院机械工程博士生乔纳森·贝塞特说。

　　“这项技术可以为世界各地的贫困地区带来可持续的、负担得起的清洁水。”

　　今年早些时候，温特和他的同事们，包括前麻省理工学院博士后何伟，在之前的设计基础上建立了这个新系统。该系统旨在通过“灵活的批量电渗析”淡化海水。

　　电渗析和反渗透是淡化微咸地下水的两种主要方法。反渗透是利用压力将含盐的水抽过膜，过滤掉盐。当水被泵入一堆离子交换膜时，电渗析利用电场来抽出盐离子。

　　科学家们一直在寻求用可再生能源为这两种方法提供动力。但这对反渗透系统来说尤其具有挑战性，因为传统的反渗透系统在稳定的功率水平上运行，这与自然变化的能源(如太阳)不相容。

　　冬天，他和他的同事们专注于电渗析，寻找一种更灵活的“时变”系统的方法，这种系统可以对可再生太阳能的变化做出反应。

　　

　　在他们之前的设计中，该团队建立了一个由水泵、离子交换膜堆栈和太阳能电池板阵列组成的电渗析系统。

　　该系统的创新之处在于一个基于模型的控制系统，该系统使用来自系统每个部分的传感器读数来预测泵水通过储层的最佳速率，以及应该施加到储层的电压，以最大限度地从水中抽出盐。

　　当团队在实地测试该系统时，它能够随着太阳的自然变化而改变其水量。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，该团队估计比传统设计的太阳能电渗析系统多91%。

　　尽管如此，研究人员认为他们可以做得更好。

　　温特说:“我们只能每三分钟计算一次，而在这段时间里，一团云可能会遮住太阳。”“系统可能会说，‘我需要在这么高的功率下运行。但由于日照减少，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。”

　　在他们最新的工作中，研究人员希望通过将系统的响应时间缩短到几分之一秒来消除对电池的需求。新系统能够更新其脱盐速度，每秒三到五次。更快的响应时间使系统能够适应全天阳光的变化，而不必用额外的电源来弥补任何延迟。

　　脱盐更灵活的关键在于贝塞特和普拉特设计的一种更简单的控制策略。新的策略是一种“流量控制电流控制”，在这种控制中，系统首先感知系统太阳能电池板产生的太阳能电量。

　　如果面板产生的能量大于系统使用的能量，控制器就会自动“命令”系统拨出水泵，将更多的水通过电渗析堆栈。同时，该系统通过增加输送到堆栈的电流来转移一些额外的太阳能，从而从快速流动的水中去除更多的盐。

　　温特解释说:“假设太阳每隔几秒钟就升起一次。

　　“所以，每秒三次，我们看着太阳能电池板，说，‘哦，我们有更多的电力，让我们把流速和电流提高一点。’”当我们再次看到还有更多的多余能量时，我们会再次提高它。当我们这样做的时候，我们能够在一天中非常准确地将我们消耗的电力与可用的太阳能电力紧密匹配。我们循环得越快，我们需要的电池缓冲就越少。”

　　工程师们将新的控制策略整合到一个完全自动化的系统中，他们对该系统进行了调整，使其淡化咸淡地下水，其日淡化量足以供应一个约3000人的小社区。他们在新墨西哥州阿拉莫戈多的微咸地下水国家研究机构的几口井上运行了六个月的系统。

　　在整个试验过程中，原型机在各种太阳能条件下运行，平均利用超过94%的太阳能电池板电能直接为海水淡化提供动力。

　　温特说:“与传统的太阳能脱盐系统相比，我们将所需的电池容量减少了近100%。”

　　工程师们计划进一步测试并扩大该系统的规模，以期为更大的社区，甚至整个城市提供低成本的、完全由太阳能驱动的饮用水。

　　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。”

　　普拉特补充说:“我们现在的重点是测试，最大限度地提高可靠性，并建立一条产品线，为全球多个市场提供使用可再生能源的淡化水。”

　　该团队将在未来几个月内基于他们的技术成立一家公司。该研究的共同作者是贝塞特、温特和高级工程师肖恩·普拉特。

　　更多信息:通过流量指挥电流控制的直接驱动光伏电渗析，Nature Water(2024)。DOI: 10.1038/s44221-024-00314-6期刊信息:自然水由麻省理工学院提供

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　　引用:太阳能海水淡化系统不需要额外的电池，可以以低成本提供饮用水(2024年10月8日

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