Новые солнечные панели генерируют воду из воздуха
В заключительном докладе МГЭИК все это ясно сказано. Изменение климата приведет к снижению продовольственной безопасности и доступа к воде для миллионов людей, и без наших решительных действий ситуация будет продолжать ухудшаться. По прогнозам ООН, к 2050 году каждый четвертый человек будет испытывать нехватку воды для питья и сельскохозяйственных нужд. Между тем, по данным ООН, надежные поставки воды, возобновляемой энергии и продовольствия являются тремя наиболее важными элементами жизни сегодня. Однако часть населения планеты по-прежнему не имеет доступа к чистой воде и источникам чистой энергии. В этих условиях исследователи создали солнечную систему, которая использует воду из воздуха для эффективного выращивания растений и выработки электроэнергии. Эта инновация обеспечивает доступную и устойчивую стратегию повышения продовольственной и водной безопасности во многих засушливых и полузасушливых регионах мира.
По оценкам, 2 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к чистой воде, 800 миллионов человек не имеют доступа к электричеству, а 700 миллионов человек страдают от постоянного голода.
По этой причине в 2015 году ООН получила 17 Целей устойчивого развития (ЦУР), также известных как Глобальные цели. Все эти цели являются комплексными. Они взаимосвязаны. Вмешательство в одну область влияет на результаты в других областях. Последняя, но не менее важная цель — покончить с бедностью, защитить планету и дать возможность всем людям жить в мире и процветании к 2030 году.
К этому времени достижение ЦУР будет во многом зависеть от того, как улучшить жизнь миллиардов людей. Большинство из них проживает в сельских районах в засушливом или полузасушливом климате в Африке, Южной Азии и на Ближнем Востоке. Учитывая эти цели и географический контекст (климат, удаленность от крупных городов), децентрализованные и устойчивые подходы в настоящее время считаются наиболее подходящими для экономического обеспечения электроэнергией и водой в этих сельских районах.
Ранее было отмечено, что сбор атмосферной воды с помощью солнечных батарей может удовлетворить потребности в питьевой воде (5 литров в день) еще миллиардов людей во всем мире. Другие исследования также показали, что использование атмосферной влаги позволяет восстановить энергию, самодостаточное городское сельское хозяйство и автономные системы управления влажностью. Поэтому использование атмосферной влаги в качестве альтернативного водного ресурса представляется многообещающим. Действительно, в атмосфере в любой момент времени содержится более 12,9 миллиардов тонн пресной питьевой воды. Эта вода постоянно пополняется в ходе гидрологического цикла.
В этом направлении соответствующее исследование, опубликованное в Journal of Physics, объединяет пресную воду, производство электроэнергии и выращивание сельскохозяйственных культур. Для этого исследователи установили по результатам нескольких предыдущих исследований тепло, выделяемое фотоэлектрическими панелями. С одной стороны, они продемонстрировали возможность получения пресной воды из моря, используя остаточное тепло от солнечных панелей, по принципу дистилляции. Другими словами, это тепло нагревает воду. При этом испаряются остатки соли в системе дистилляции (фильтрации), связанной с панелями. В дополнение к этим первоначальным результатам они разработали методику охлаждения этих солнечных панелей. Для этого они использовали циклы адсорбции и десорбции на материале для его восстановления и регенерации воды (также называемом адсорбентом). Последний представляет собой полиакриловый гидрогель кальция.
Читайте также: Благодаря новому эксперименту стало известно, что нагревает солнечную корону
Используя импульсные магнитные поля, исследовательская группа из Немецкого национального института продемонстрировала теоретически предсказанное..
Отсюда и возникла идея авторов нового исследования предложить систему, сочетающую в себе эти свойства. Система работает следующим образом. Использование гидрогеля для поглощения паров из воздуха, обычно вечером или ночью. Использование тепла от панелей в течение дня для испарения атмосферной воды, захваченной с внешней стороны гидрогеля, с целью охлаждения панелей. Таким образом, пар собирается для производства пресной воды и орошения сельскохозяйственных культур.
Экспериментальное устройство, названное WEC2P, было изготовлено из промышленных фотоэлектрических панелей. Задняя часть этих панелей была удалена и покрыта антикоррозийной обработкой, после чего был нанесен слой гидрогеля с самоклеящимися свойствами. Для усиления контакта между панелями и гидрогелем использовались пластины. Эти панели были наклонены под углом 22° к земле и согнуты к югу. С панелями были связаны лотки для сбора воды.
Затем исследователи использовали WEC2P для тестирования растений в Саудовской Аравии в течение двух недель в июне, когда температура была очень высокой. Они орошали 60 водных растений, используя только воду, собранную из воздуха.
Результаты оказались многообещающими. Во время эксперимента солнечные панели выработали 1519 ватт энергии; 57 из 60 растений шпината повернулись и выросли до уверенных 18 см. За время двухнедельного эксперимента из гидрогеля вытянулось около 2 литров воды. Команда пришла к выводу, что гидрогель поглощает тепло и снижает температуру панелей, тем самым повышая эффективность солнечных панелей на 9%. Следующая цель — разработать более совершенный гидрогель, который сможет поглощать больше атмосферной воды.
Конструкция WEC2P такова, что она предлагает два легко переключаемых режима. Это охлаждение фотоэлектрических панелей и производство водных культур для большей гибкости фактического использования.
Этот принцип работы системы основан на чередовании условий окружающей среды в течение цикла «день/ночь». Когда влажность высокая, а температура низкая (ночное время), адсорбция водяного пара усиливается. Когда влажность низкая, а температура высокая (днем), процесс испарения (и, следовательно, охлаждения панелей) происходит более активно.
Какие растения подходят для этого метода?
Очевидно, что не все культуры можно выращивать в пустынных районах. Лучше всего выращивать «теплолюбивые» растения. Семейство баклажанных (томаты, перцы, баклажаны) и огуречных (огурцы, дыни, летний и зимний сквош) — это два семейства растений, которые процветают в жарком климате. Кукуруза и бобы также хорошо растут в более теплых регионах. Базилик — теплолюбивая трава, которая цветет даже в самое суровое лето в пустыне.
Быстрорастущие сорта могут превзойти культуры, которым требуется больше времени для созревания, особенно в районах с сильной засухой. Семена должны быть способны выдерживать большие перепады температуры между днем и ночью. Поэтому использование данного типа процесса должно быть основано на местных принципах. Это означает, что энергия, вода и растения должны производиться на месте, а транспортировка углерода и энергии должна быть исключена.
Король Абдулла, соавтор исследования Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (Кауст) и один из соавторов журнала Environmental Science and Engineering, объясняет, что они являются частью целей устойчивого развития, установленных ООН. Эти цели являются дорожной картой для лучшего и более устойчивого будущего для каждого человека. Достижение целей ООН при любых обстоятельствах требует творческих подходов, ноу-хау, технологий и финансовых ресурсов от всего общества.
В частности, прекращение всех форм голода и недоедания к 2030 году означает продвижение стабильных методов ведения сельского хозяйства, повышение уровня жизни и потенциала мелких фермеров и обеспечение равного доступа к земле, технологиям и рынкам. Это также включает в себя международное сотрудничество для обеспечения инвестиций в инфраструктуру и технологии для повышения производительности сельского хозяйства.
Г-н Ванг заключает. «Мы надеемся, что наша разработка приведет к созданию распределенной системы энерго- и водоснабжения для бытового освещения и полива сельскохозяйственных культур». Таким образом, устройство является эволюцией нынешней сельскохозяйственной фотоэлектрической технологии. Изделия со съемными и направленными фотоэлектрическими панелями, с одной стороны, защищают посевы от неблагоприятных погодных условий, которые, в свою очередь, организуют и расширяют, а с другой — генерируют солнечную энергию. Солнечные панели можно использовать для получения дополнительной электроэнергии, пресной воды и для выращивания культур в засушливых районах.
Эта система подходит для небольших распределенных ферм в отдаленных районах, таких как пустыни или морские острова. Она представляет собой устойчивую и недорогую стратегию повышения продовольственной и водной безопасности для людей, живущих в ответственных и стабильных засушливых и полузасушливых районах.
