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El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en una matriz vertical y rematados con aislamiento de aerogel transparente. Se describe en un artículo publicado hoy en la revista. Ciencias energéticas y medioambientales., escrito por los estudiantes de doctorado del MIT, Lenan Zhang y Lin Zhao, el becario postdoctoral Zhenyuan Xu, profesor de ingeniería mecánica y jefe del departamento Evelyn Wang, y otros ocho en el MIT y la Universidad Jiao Tong en Shanghai, China.
La clave para la eficiencia del sistema radica en la forma en que utiliza cada una de las múltiples etapas para desalar el agua. En cada etapa, se utiliza el calor liberado por la etapa anterior en lugar de desperdiciarse. De esta manera, el dispositivo de demostración del equipo puede lograr una eficiencia general del 385% al convertir la energía de la luz solar en energía de evaporación del agua.
El dispositivo es esencialmente un alambique solar multicapa, con un conjunto de componentes de evaporación y condensación como los utilizados para destilar el licor. Utiliza paneles planos para absorber el calor, luego transfiere ese calor a una capa de agua para que comience a evaporarse. El vapor luego se condensa en el siguiente panel. Esta agua se recoge, mientras que el calor de la condensación de vapor se transmite a la siguiente capa.
Cada vez que el vapor se condensa en una superficie, libera calor; En los sistemas de condensadores típicos, este calor simplemente se pierde en el medio ambiente. Pero en este evaporador de capas múltiples, el calor liberado fluye hacia la siguiente capa de evaporación, reciclando el calor solar y aumentando la eficiencia general.
"Cuando condensas agua, liberas energía en forma de calor", dice Wang. "Si tiene más de un paso, puede aprovechar esta calidez".
Agregar capas adicionales aumenta la eficiencia de conversión para producir agua potable, pero cada capa también agrega costos y desorden al sistema. El equipo optó por un sistema de 10 pasos para su dispositivo de prueba de concepto, que se probó en el techo de un edificio del MIT. El sistema suministró agua pura que excedió los estándares de agua potable de la ciudad, a razón de 5.78 litros por metro cuadrado (aproximadamente 1.52 galones por 11 pies cuadrados) colección solar Esto es más del doble de la cantidad récord producida previamente por un sistema de desalinización solar tan pasivo, dice Wang.
Teóricamente, con más pasos de desalinización y una mayor optimización, estos sistemas podrían alcanzar niveles de eficiencia general de hasta 700 u 800%, dice Zhang.
A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal concentrada o salmuera para eliminar. En una configuración de flotación libre, cualquier sal que se acumule durante el día simplemente se descargaría por la noche a través del material absorbente y volvería al agua de mar, según los investigadores.
Su unidad de demostración se construyó principalmente a partir de materiales económicos y fácilmente disponibles, como un absorbente solar negro comercial y toallas de papel para una mecha capilar para transportar el agua en contacto con el agua. Absorbedor solar. En la mayoría de los otros intentos de fabricar sistemas pasivos de desalinización solar, el material absorbente solar y el material absorbente han sido un solo componente, que requiere materiales especializados y costosos, dice Wang. "Pudimos disociar a estos dos".
El componente más caro del prototipo es una capa de aerogel transparente que se usa como aislamiento en la parte superior de la pila, pero el equipo sugiere que otros aisladores más baratos podrían usarse como alternativa. (El aerogel en sí está hecho de sílice económica pero requiere un equipo de secado especializado para fabricarlo).
Wang señala que la contribución clave del equipo es un marco para comprender cómo optimizar estos sistemas pasivos de múltiples etapas, que denominan desalinización multietapa localizada térmicamente. Las fórmulas que desarrollaron probablemente podrían aplicarse a una variedad de materiales y arquitecturas de dispositivos, lo que permite una mayor optimización de los sistemas basados en diferentes escalas de operación o condiciones y materiales locales.
Una configuración posible sería paneles flotantes en un cuerpo de agua salada, como un tanque de retención. Estos podrían suministrar agua fresca de manera constante y pasiva a través de tuberías a la orilla, siempre que el sol brille todos los días. Otros sistemas podrían diseñarse para servir a un solo hogar, tal vez utilizando una pantalla plana en un depósito grande y poco profundo de agua de mar que se bombea o transporta. El equipo estima que un sistema con un área de recolección solar de aproximadamente 1 metro cuadrado podría satisfacer las necesidades diarias de agua potable de una persona. En producción, piensan que un sistema diseñado para satisfacer las necesidades de una familia podría construirse por alrededor de $ 100.
Los investigadores están planeando nuevos experimentos para optimizar aún más la elección de materiales y configuraciones, y para probar la durabilidad del sistema en condiciones realistas. También trabajarán para traducir el diseño de su dispositivo en todo el laboratorio en algo que pueda ser utilizado por los consumidores. La esperanza es que finalmente pueda desempeñar un papel en la reducción de la escasez de agua en partes del mundo en desarrollo donde la electricidad confiable es escasa pero donde la electricidad es escasa. El agua de mar y la luz solar son abundantes.
"Este nuevo enfoque es muy importante", explica Ravi Prasher, director de laboratorio asociado con el
Lawrence Berkeley National Laboratory y profesor adjunto de ingeniería mecánica en la Universidad de California en Berkeley, que no participó en este trabajo. "Uno de los desafíos de la desalinización solar a base de destilado ha sido la baja eficiencia debido a la pérdida significativa de energía en la condensación. Al recuperar eficientemente la energía de condensación, la eficiencia general del vapor solar mejora considerablemente. … Esta mayor eficiencia tendrá un impacto general en la reducción del costo del agua producida. "
El equipo de investigación incluyó a Bangjun Li, Chenxi Wang y Ruzhu Wang en la Universidad Jiao Tong de Shanghai, y Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban y John Lienhard, quien es profesor Abdul Latif Jameel de agua en el MIT. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología y el Centro MIT Tata de Tecnología y Diseño.
