Огород в пустыне: солнце, конденсат и шпинат
Одной из основных проблем современного мира является нехватка продовольствия. Численность населения планеты растет, чего нельзя сказать об объемах производства пищевых продуктов. Свою негативную лепту вносят и определенные природные факторы: нестабильность климатических условий (в частности, ввиду техногенного фактора), различные заболевания сельхоз культур, истощение земельных ресурсов и т.д. Одни предлагают менять сами растения, дабы те стали еще устойчивее и давали больше урожая. Другие же считают, что необходимо просто увеличить площадь, где можно заниматься выращиванием. В случае второго варианта не все так просто, ибо подавляющее большинство территории Земли уже чем-то да занято, будь то город, завод, или та же ферма. Плодородного грунта осталось мало, но вот чего много так это пустынь, занимающих порядка 14% свей суши Земли (без учета пустынь Антарктиды и Арктики). И вот ученые из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (Саудовская Аравия) предложили систему, способную совместить сбор солнечной энергии и выращивание растений в условиях пустыни. Из чего состоит установка, по каким принципам она работает, и насколько большого урожая стоит ждать от пустынных ферм? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Как отмечают ученые, стабильное снабжение водой, энергией и продовольствием — это три наиболее важных и незаменимых фактора современной жизни. Однако, желания часто не совпадают с реальностью. К примеру, по приблизительным оценкам около 2 миллиардов человек не имеют доступа к питьевой воде, 800 миллионов — к электричеству и 700 миллионов живут в условиях постоянного голода. Учитывая столь плачевную ситуацию, многие ученые пытаются найти альтернативные источники не только энергии, но и воды/провизии.
В поисках воды люди часто обращают свой взор вниз, в надежде обнаружить подземные естественные водохранилища. Но не стоит забывать поглядывать и в небо (или даже по сторонам), так как в атмосфере постоянно сохраняется более 12900 миллиардов тонн преддистиллированной пресной воды, которая постоянно пополняется за счет глобальной водной циркуляции.
Недавнее исследование показало, что процесс сбора атмосферной воды с использованием солнечной энергии потенциально может удовлетворить потребность в питьевой воде в размере 5 литров в день на душу населения для более чем двух миллиардов человек по всему миру. Также были проведены исследования в области использования влажности окружающей среды для сбора энергии. Следовательно, использование атмосферных вод в качестве альтернативного водного ресурса может стать многообещающим подходом к решению проблемы нехватки воды и энергии в сообществах, не подключенных к сети, а также в засушливых или полузасушливых регионах.
Раз уж пошла речь об энергии, то стоит вспомнить и про фотоэлектрические (PV от photovoltaic) панели, которые преобразуют солнечное излучение для производства электроэнергии. Ученые также отмечают, что в предыдущих своих работах они продемонстрировали систему, которая использовала отработанное тепло фотоэлектрической панели для запуска многоступенчатой мембранной дистилляции для получения пресной воды из морской, а также для снижения температуры фотоэлектрической панели, что привело к увеличению выработки электроэнергии той же панелью.
Получается, что в нашем распоряжении имеется две концепции: вода в атмосфере и фотоэлектрические панели. Авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили их объединить в одну систему совместного производства воды, электроэнергии и урожая (WEC2P от water-electricity-crop co-production system).
Изображение №1
В системе WEC2P используется материал для сбора атмосферной воды (AWH от atmospheric-water-harvesting) (т.е. сорбент), который улавливает водяной пар из воздуха, как правило, ночью или вечером. Тепло фотоэлектрической панели в течение дня испаряет захваченную атмосферную воду из сорбента для охлаждения панели. Затем система собирает испарившийся водяной пар для получения пресной воды и поливает посевы (1А).
Структура системы WEC2P
Система WEC2P работает в двух режимах: AWH-PV — охлаждающий режим (1B) и AWH-WCP — производство воды и посевов (1C). Падающий солнечный свет поглощается фотоэлементами и частично преобразуется в электричество, а остальная часть (обычно более 80%) поглощенного солнечного света, преобразуется в тепло, что приводит к повышению температуры фотоэлектрической панели. Охлаждающий слой AWH состоит из полиэтиленовой (PE от polyethylene) антикоррозионной пленки толщиной 0.04 мм и массива сорбентов из гидрогеля полиакриламид-хлорид кальция (PAM-CaCl2). Тепло от PV заставляет воду испаряться из сорбента в дневное время, эффективно снижая температуру PV.
Для сбора испарившегося водяного пара в дневное время в качестве пассивного конденсатора использовалась конденсационная камера (1С). Площадь данной камеры была в 1.6 раза больше площади фотоэлектрической панели. Вода, полученная AWH-WCP системой, использовалась для орошения сельскохозяйственных культур, высаженных внутри растениеводческого блока/камеры (PGU от plant-growing unit). PGU, использованный в данной работе, был разработан для пассивного поддержания внутренней влажности и температуры в разумных пределах без потребления электроэнергии.
Моделирование работы системы
Теоретически эффективность охлаждения системы WEC2P определяется тремя факторами: солнечным излучением, температурой окружающей среды и скоростью ветра. Была создана модель COMSOL для понимания относительного вклада каждого фактора при разных условиях окружающей среды. В частности, были исследованы три значения солнечного излучения (0.8, 1.0 и 1.2 кВт/м2), две температуры окружающей среды (20 °C и 40 °C) и две скорости ветра (0.1 и 1.0 м/с).
Результаты моделирования показали, что скорость ветра играет наиболее важную роль в рассеивании тепла от устройства в окружающую среду, что можно объяснить его сильным конвективным эффектом теплопередачи. Также модель показала, что температура окружающей среды играет решающую роль, определяя минимальную температуру WEC2P как в режиме AWH-PV, так и в режиме AWH-WCP. Солнечное излучение может в значительной степени влиять на температуру PV в режиме AWH-WCP, особенно при высокой температуре окружающей среды и низкой скорости ветра (в данном случае 0.1 м/с).
Установка теплового ребра* может эффективно снизить температуру фотоэлектрического элемента, особенно при сильном солнечном излучении в жаркие и безветренные дни, благодаря увеличенной площади теплообмена.
Ребро* — поверхность, которая простирается от объекта для увеличения скорости передачи тепла в окружающую среду или из нее за счет увеличения конвекции.
Тем не менее конденсационная камера без использования теплового ребра также может эффективно производить пресную воду. Результаты моделирования подразумевают возможность реализации WEC2P для эффективного охлаждения фотоэлектрических панелей и производства воды из воздуха без повышения температуры фотоэлектрических панелей.
Тестирование системы в режиме AWH-PV
Две фотоэлектрические панели с предварительно оцененной средней эффективностью преобразования электроэнергии 15.0% и 15.1% использовались для испытаний охлаждения AWH, обозначенные как «AWH 1» и «AWH 2». Эффективность охлаждения AWH и приросты выработки электроэнергии фотоэлектрическими панелями оценивались в период с 1 апреля по 10 мая 2021 в течение 40 дней непрерывно.
Изображение №2
На 2А представлен снимок собранного модуля AWH-PV, показывающий тесный контакт между AWH охлаждающим слоем и задней стороной фотоэлектрической панели. Инфракрасная визуализация во время эксплуатации показала значительное падение температуры PV из-за AWH охлаждения. Кроме того, в охлаждающем слое не наблюдалось явно горячих или холодных локальных пятен. Это указывает на то, что гидрогель был равномерно распределен по PV (2B, 2C, 2E и 2F).
Как и ожидалось, пиковая мощность фотоэлектрических панелей с охлаждением от AWH была неизменно выше, чем у панелей без охлаждения. Температурные профили всех фотоэлектрических панелей во время полевых испытаний на открытом воздухе были получены с помощью термопар, которые были встроены под солнечным элементом и между герметизирующим слоем этилвинилацетата (EVA от ethyl vinyl acetate) и задним листом.
Пиковая рабочая температура PV панелей без охлаждения составила 70.0–81.5 °С в апреле и 64.1–73.9 °С в мае. При этом панели с охлаждением №1 и №2 показали снижение температуры до 17 °С, т.е. среднее снижение на 13–14 °С.
На 2G показано суточное накопление выработанной электроэнергии. Во время 40-дневного испытания системы AWH-PV общая электроэнергия составила: AWH 1 — 4184.0 Вт·ч (581.1 Вт·ч/м2/день); AWH 2 — 4220.1 Вт·ч (586.1 Вт·ч/м2/день); система без охлаждения — 3838.2 Вт·ч (533.1 Вт·ч/м2/день). Прирост выработки электроэнергии для AWH 1 и AWH 2 составил 9.0% и 9.9% по сравнению с PV панелью без охлаждения.
Тестирование системы в режиме AWH+сбор воды
Тот же модуль AWH-PV (AWH 1) был переведен в режим производства воды (3A и 3B). Конденсационная камера была выполнена из алюминиевого сплава с медным патрубком на нижней боковой стенке. Был использован хлопковый фитиль, пропущенный через сопло, чтобы облегчить извлечение сконденсированной воды в колбу для сбора воды (вставка на 3B).
Изображение №3
Чтобы избежать потери воды в результате испарения, фитиль помещали внутрь силиконовой трубки, соединяющей конденсационную камеру и колбу для сбора. Водяной пар, выделившийся из сорбентов, конденсировался внутри конденсационной камеры и собирался в стеклянной колбе (3С и 3D).
Принципы работы процесса сбора воды были основаны на поочередном открытии и закрытии камеры конденсации для поглощения атмосферной воды и процесса конденсации. Полевые испытания проводились с 12 мая по 11 июня 2021 года в течение 30 дней. Вода, собранная из атмосферы, ежедневно перекачивалась из колбы в резервуар, чтобы потом оценить общий сбор воды за тестовый период.
Пиковое солнечное излучение на месте проведения испытаний составляло 800 Вт/м2 в мае и немного снизилось до 700 Вт/м2 в начале июня. Наблюдаемое снижение излучения объясняется повышенной облачностью и повышением объема пыли в атмосфере. Пиковая температура окружающей среды во время теста в основном превышала 40 °C. Уменьшение солнечного излучения, естественно, привело к ухудшению показателей производства электроэнергии.
Пиковая мощность PV в мае составляла в основном 17.5 Вт (97.2 Вт/м2), в то время как в июне можно было достичь только 15.6 Вт (86.7 Вт/м2). Температура PV в данном формате установки была 10 градусов выше, чем в ранее протестированной установке, где не было конденсационной камеры. Тем не менее эта температура все равно была ниже (на 1–3 °C), чем у PV без охлаждения вообще из-за достаточной площади поверхности конденсационной камеры, что способствует отводу тепла. Кроме того, общая суточная накопленная выработка электроэнергии в июне (3E) была ниже, чем в мае и апреле, предположительно из-за ослабления солнечного излучения.
Во время 30-дневного испытания накопленная выработка электроэнергии системы составила: AWH+сбор воды — 3292.3 Вт·ч (609.7 Вт·ч/м2/день); AWH+охлаждение — 3487.8 Вт·ч (645.7 Вт·ч/м2/день); AWH без охлаждения — 3232.5 Вт·ч (598.6 Вт·ч/м2/день). Прирост выработки электроэнергии системы «AWH+сбор воды» и «AWH+охлаждение» составил 1.8% и 7.9% по сравнению с PV без охлаждения.
Далее экспериментальные результаты сравнивались с результатами моделирования. Температура PV, наблюдаемая в полевых испытаниях, была аналогична температуре, полученной при моделировании COMSOL при аналогичных рабочих условиях.
Анализ данных показал, что дневная производительность воды сильно зависит от относительной влажности (RH от relative humidity) в течение ночи для процесса сорбции водяного пара из атмосферы. С другой стороны, солнечное излучение вместе с температурой окружающей среды в дневное время играют значительную роль в процессе конденсации чистой воды. Объем воды, собранной в течение 30-суточного испытания устройством с PV размером 0.6×0.3 м, составил 3.4 л.
Собранную воду проанализировали с помощью анализатора TOC-TN (Total Organic Carbon/Total Nitrogen) и оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES). Анализ показал, что содержание ионов и концентрация TOC-TN в полученной воде соответствовали стандартам ВОЗ для питьевой воды.
Работа системы в рамках растениеводства
Полевое испытание WEC2P было проведено с 15 до 30 июня 2021 года с использованием модифицированного промышленного PGU (растениеводческого блока). В качестве превентивной меры был установлен электронный блок охлаждения с питанием от модуля «AWH+сбор воды», который включался только тогда, когда температура внутри PGU превышала 50 °C во избежание перегрева установок. Однако эта мера предосторожности практически не использовалась, так как температура PGU на протяжении всего испытания оставалась ниже критических 50 °С (4A-4C).
Изображение №4
В качестве модельной культуры для испытания системы WEC2P использовалась ипомея водяная (Ipomoea aquatica, водяной шпинат).
На первом этапе 60 семян водного шпината в течение 12 часов вымачивали в 20 мл воды, полученной в ходе испытаний системы в режиме охлаждения и сбора воды. Сверху почвенной ванны помещали пластину-трафарет с 30 отверстиями (диаметр 30 мм), чтобы уменьшить испарение воды из почвы и отделить пространство для выращивания растений. Затем почвенную ванну орошали 800 мл воды, собранной из колб-резервуаров, после чего высевали семена шпината с плотностью посадки два семени на одну лунку.
Ученые отмечают, что в долгосрочном практическом применении PGU может использовать песок и почву с местных участков, а питательные вещества могут поставляться из конденсированных жидких удобрений во время ежедневного орошения, чтобы решить проблему нехватки почвенной смеси в автономных и отдаленных засушливых регионах.
В качестве контрольной группы выступила конфигурация, где было лишь 9 отверстий без PGU и без орошения атмосферной водой.
В период времени с 19:00 до 7:00 с PGU снимали перфорированную доску и солнцезащитную сетку, дабы растения могли «дышать». В период времени с 7:00 до 19:00 PGU закрывали, дабы избежать чрезмерных потерь воды и солнечных ожогов растений. Каждый вечер почву обогащали водой (150 мл), собранной самой системой, или водой из колбы-резервуара. Относительная влажность в дневное время колебалась от 69.1% до 89.2%, что аналогично относительной влажности окружающей среды ночью, когда PGU был открыт.
Для регистрации состояния роста растений каждый день с 16 июня по 1 июля 2021 в 7 утра делались снимки (4D). Выживаемость рассчитывали на основе сравнения числа выживших растений в конце испытания и числа посеянных семян. Данный показатель составил 95% (т.е. 57 выживших растений против 60 посеянных семян). В контрольной группе выживаемость составила 0%, так как ни одно из семян не проросло.
В процессе роста шпината ученые также отслеживали высоту стебля. Как видно на графике 4E, несмотря на стадию прорастания в первые 5 дней, наблюдалась приблизительно линейная скорость роста водного шпината, что дополнительно продемонстрировало стабильность и эффективность системы WEC2P.
Забавно (в положительном смысле) и то, что опыт пришлось прекратить на 16 день, так как листва шпината достигла потолка PGU. Средняя высота стебля составила около 18 см.
Изображение №5
Показатели выработки электроэнергии во время испытаний по выращиванию растений также внимательно мониторились. Мощность и температура PV были аналогичны тем, что наблюдались во время тестов систем AWH+охлаждение и AWH+сбор воды. Суточная выработка электроэнергии немного снизилась до 100 Вт·ч/сутки (5А).
Показатели выработанной электроэнергии составили: WEC2P — 1519.2 Вт·ч (527.5 Вт·ч/м2/день); AWH+охлаждение — 1638.2 Вт·ч (568.8 Вт·ч/м2/день); AWH без охлаждения — 1497.9 Вт·ч. (520.1 Вт·ч/м2/день). Прирост выработки электроэнергии системы WEC2P и системы AWH+охлаждение составил 1.4% и 9.4% по сравнению с PV без охлаждения.
Ежедневные показатели сбора воды и общее количество собранной воды в течение всего периода работы WEC2P представлены на 5B и 5C. Общий объем собранной воды в течение всего теста (учитывая расходы на орошение) составил 5.1 л. Общий КПД солнечной энергии был рассчитан на уровне 23.1%. Дополнительно была проверена механическая прочность гидрогеля PAM-CaCl2 (5D). Измеренная деформация исходного гидрогеля PAM-CaCl2 составила 720%. После 3-месячного испытания механическая стабильность гидрогеля снизилась, при этом деформация упала до 360% и 400% для системы AWH+охлаждение и AWH+сбор воды соответственно. На 5E показан снимок охлаждающего слоя AWH, на котором видно, что гидрогель PAM-CaCl2 все еще прикреплен к задней стороне панели PV, хоть и покрыт пылью.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В данном труде ученые продемонстрировали, что на первый взгляд безжизненные пустыни можно использовать не только как пространство для размещения солнечных панелей, но и для выращивания сельхоз культур. Разработанная система совмещает в себе эти два аспекта. Панели собирают солнечную энергию, а накопленное тепло помогает в процессе конденсации воды из атмосферы. Собранная вода может быть использована как для питья, так и для орошения растений, высаженных в специальной камере под панелью.
Во время испытаний ученые попробовали вырастить водяной шпинат. В контрольной группе, где не было никаких дополнительных установок (т.е. без разработанной системы), ни одно семечко не проросло. Зато в тестовой группе рост растений был настолько хороший, что испытание пришлось прекратить, так как испытательная камера оказалась слишком мала для разросшегося шпината.
Цель разработки благородна и глобальна — предоставить универсальный инструмент по получению энергии, воды и пищи тем регионам, где этих первоочередных благ нет. Конечно, данная система вряд ли сможет полностью решить проблему голода, нехватки питьевой воды или энергии в мире. Однако она, как и другие подобные исследования и разработки, в совокупности могут иметь внушительный положительный эффект.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
