亞利桑那大學開發出光伏光熱混合脫鹽技術,得到美國能源部50萬美元資助

時間:2020-08-10 09:04來源:國家光熱聯盟
  據外媒報道,亞利桑那大學工程師和科學家組成的團隊正在開發一種太陽能脫鹽系統,該系統結合了多種類型的技術,包括聚光光熱技術,光伏技術和膜蒸餾技術,可以最大程度地從這些濃縮廢水中回收水。該過程以更低的成本使用更少的能源,并且可以為資源稀缺的內陸地區(例如亞利桑那州)提供更多的水。美國能源部為此提供了50萬美元的資金。

圖:項目首高席研究員Kerri Hickenbottom(右)與其研究生Mikah Inka在太陽能海水淡化系統前

  據了解:反滲透是凈化海水的最常用方法之一,但該方法產生的效果有限。進入系統的水約有20%至50%作為濃縮廢水保留下來。現有幾種處理濃縮廢水的方法,包括將廢水注入封閉的地下井中,并使用面積很大的池塘蒸發廢水。然而,這些方法中的大多數都非常昂貴、費時且耗能。
   “同時使用CSP和PV的好處是,與僅使用PV或CSP的現有淡化系統相比,我們可以將能源效率提高一倍,”化學和環境工程學助理教授兼項目首席研究員Kerri Hickenbottom說道。“這種離網系統將使用可再生能源來改變我們處理高鹽度濃縮廢水的方式。”
  化學和環境工程學的助理教授Andrea Achill和詹姆斯·懷恩特光學科學學院的教授Robert Norwood也參與了該項目。該項目使得該大學最近在2020年世界大學學術排名中在水資源領域獲得美國第一和全球第二的地位。
  膜蒸餾
  該小組正在使用光學科學中心的太陽能測試臺進行研究。他們還與附近的水和能源可持續技術中心(WEST Center)合作,該中心設有由Achilli監督的反滲透系統,該系統會生成團隊用于測試的濃縮廢水。
  該太陽能脫鹽系統使用“膜蒸餾”的過程來凈化濃縮廢水,該過程涉及在疏水微孔膜上產生溫度梯度。膜較熱側的濃縮廢水流在膜表面蒸發,通過膜孔,并在膜較冷側冷凝為純凈水,從而分離污染物。這種特殊的膜類似于Gore-Tex織物,可以使汗液通過織物蒸發,但不允許水或其他水分進入。然后,他們將使用一種新穎的方法將剩余的廢水從液體轉變為固體。
   “我們實際上正在開發一種新型的結晶技術,這樣我們就可以提高膜通過的驅動力,回收濃縮流中的其他資源(如農業肥料和道路除冰劑)并實現零液體排放,” Hickenbottom說。
  即使濃縮結晶后的材料不可用于其他應用,將其固化而不是將其保持在液體廢物流中也可以使它們更容易運輸且成本更低。
  系統原理
  光熱發電和光伏發電都是利用太陽能發電的方法,但是它們的轉換途徑不同。光伏是使用半導體材料將太陽光直接轉換成電能。光熱是一個分為兩個步驟的過程,其中涉及使用鏡子聚集太陽的熱量,然后使用汽輪機及發動機將熱量轉換為電能。
  太陽能海水凈化系統早有先例,但是這些系統單獨使用光熱或光伏技術。之前有人利用光伏技術發電,然后將其轉換成熱能。該混合系統使用了由諾伍德的ARPA-E FOCUS計劃開發的太陽能光熱、光伏和膜蒸餾技術。光伏發電產生的電能運行著輔助設備,例如泵,風扇和控制系統,而光熱技術產生的太陽能直接用于加熱水。該系統的另一個主要優點是它可以在離網地區(例如,美國原住民保留地)單獨運行。
  “當從一種能量形式轉換為另一種能量形式時,效率會降低,因此,我們光伏光熱混合系統的效率是僅使用光伏或光熱的系統效率的兩倍左右。” Hickenbottom說,“通過光熱系統的跟蹤方法來增加光伏的電能生產,我們還可以減少整個系統的占地面積和成本。”
  研究人員已將其技術提交給美國能源部贊助的“美國制造挑戰性海水淡化獎”。為期四階段的競賽提供了超過900萬美元的獎金,旨在推動太陽能驅動的熱脫鹽技術的發展。作為挑戰的一部分,該團隊制作了一個有關該項目的90秒視頻,可以在這里查看:https://www.youtube.com/watch?v=KIGokvqha2g&feature=youtu.be

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