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2020-02-11Desalinización de agua con energía solar simple

Noticias del MIT |El sistema logra un nuevo nivel de eficiencia en el aprovechamiento de la luz solar para producir agua potable fresca a partir del agua de mar.

Un sistema de desalinización con energía solar completamente pasivo desarrollado por investigadores del MIT y en China podría proporcionar más de 1.5 galones de agua potable fresca por hora por cada metro cuadrado de área de recolección solar. Tales sistemas podrían potencialmente servir a zonas costeras áridas fuera de la red para proporcionar una fuente de agua eficiente y de bajo costo.

El sistema utiliza múltiples capas de evaporadores y condensadores solares planos, alineados en una matriz vertical y cubiertos con aislamiento de aerogel transparente. Se describe en un artículo que aparece hoy en la revista Energy and Environmental Science , escrito por los estudiantes de doctorado del MIT Lenan Zhang y Lin Zhao, el postdoc Zhenyuan Xu, el profesor de ingeniería mecánica y jefe del departamento Evelyn Wang, y otros ocho en el MIT y en Shanghai Jiao Universidad de Tong en China.

La clave para la eficiencia del sistema radica en la forma en que utiliza cada una de las múltiples etapas para desalinizar el agua. En cada etapa, el calor liberado por la etapa anterior se aprovecha en lugar de desperdiciarse. De esta manera, el dispositivo de demostración del equipo puede lograr una eficiencia general del 385 por ciento 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 licor. Utiliza paneles planos para absorber el calor y luego transferir ese calor a una capa de agua para que comience a evaporarse. El vapor luego se condensa en el siguiente panel. Esa agua se recoge, mientras que el calor de la condensación de vapor pasa a la siguiente capa.

Cada vez que el vapor se condensa en una superficie, libera calor; En los sistemas de condensadores típicos, ese calor simplemente se pierde en el medio ambiente. Pero en este evaporador multicapa, el calor liberado fluye hacia la siguiente capa de evaporación, reciclando el calor solar y aumentando la eficiencia general.

"Cuando condensas agua, liberas energía como calor", dice Wang. "Si tiene más de una etapa, puede aprovechar ese calor".

Agregar más capas aumenta la eficiencia de conversión para producir agua potable, pero cada capa también agrega costos y volumen al sistema. El equipo se decidió por un sistema de 10 etapas para su dispositivo de prueba de concepto, que se probó en la azotea de un edificio del MIT. El sistema suministró agua pura que excedió los estándares de agua potable de la ciudad, a una tasa de 5.78 litros por metro cuadrado (aproximadamente 1.52 galones por 11 pies cuadrados) de área de recolección solar. Según Wang, esto es más del doble de la cantidad récord producida previamente por cualquier sistema de desalinización pasivo con energía solar.

Teóricamente, con más etapas de desalinización y una mayor optimización, tales sistemas podrían alcanzar niveles de eficiencia general de hasta 700 u 800 por ciento, dice Zhang.

A diferencia de algunos sistemas de desalinización, no hay acumulación de sal o salmueras concentradas para eliminar. En una configuración de flotación libre, cualquier sal que se acumule durante el día simplemente se llevaría de regreso por la noche a través del material absorbente y de vuelta al agua de mar, según los investigadores.

Su unidad de demostración fue construida principalmente con materiales económicos y fácilmente disponibles, como un absorbente solar negro comercial y toallas de papel para una mecha capilar para llevar el agua en contacto con el absorbente solar. En la mayoría de los otros intentos de hacer 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. "Hemos podido desacoplar estos dos".

El componente más costoso del prototipo es una capa de aerogel transparente que se usa como aislante en la parte superior de la pila, pero el equipo sugiere que otros aisladores menos costosos podrían usarse como alternativa. (El aerogel en sí está hecho de sílice barata, pero requiere un equipo de secado especializado para su fabricación).

Wang enfatiza que la contribución clave del equipo es un marco para comprender cómo optimizar dichos sistemas pasivos de etapas múltiples, que llaman desalinización de etapas múltiples localizadas térmicamente. Las fórmulas que desarrollaron probablemente podrían aplicarse a una variedad de materiales y arquitecturas de dispositivos, permitiendo 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 estanque de embalse. Estos podrían entregar 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 usando una pantalla plana en un gran tanque 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 cumplir con el necesidades diarias de agua potable de una persona. En producción, piensan que un sistema construido para satisfacer las necesidades de una familia podría construirse por alrededor de $ 100.

Los investigadores planean más experimentos para continuar optimizando 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 a escala de laboratorio en algo que sea adecuado para el uso de los consumidores. La esperanza es que en última instancia podría desempeñar un papel en el alivio de la escasez de agua en partes del mundo en desarrollo donde la electricidad confiable es escasa pero el agua de mar y la luz solar son abundantes.

"Este nuevo enfoque es muy significativo", dice Ravi Prasher, director de laboratorio asociado de

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 en la desalinización solar a base de alambique ha sido la baja eficiencia debido a la pérdida de energía significativa en la condensación. Al cosechar eficientemente la energía de condensación, la eficiencia total de energía solar a vapor se mejora dramáticamente. ... 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 Shanghái, y Bikram Bhatia, Kyle Wilke, Youngsup Song, Omar Labban y John Lienhard, profesor de agua Abdul Latif Jameel en el MIT. La investigación fue apoyada 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.

Escrito por: David L. Chandler | MIT News Office

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