一边发电一边造淡水 这个装置是沙漠标配了

来源:科学大院

在夏天里吹着空调、喝着冰水绝对是件美事,但是,你可曾知道,世界上有很多人还享受不到这种待遇,因为水与能源都是当今世界面临的主要发展挑战。

《2014年世界水发展报告》的主要作者理查德•康纳(Richard Connor)指出:“全世界有13亿人缺乏电力,全世界有7亿7000多万人缺乏改善过的水源。缺乏供水的地区常常与缺乏电力的地区相重合,这从另一个角度显示了水与能源之间的关联。”

能源与水的关系密不可分并且已受到广泛关注,一方面,能源资源的开采、加工和转化过程需要消耗大量纯净水。另一方面,水的净化过程中需要消耗大量能量。科学家们一直试图找到合适的方法处理水与能源的关系。沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学王鹏教授结合现有光伏技术和多级膜蒸馏技术,设计了一种可同时产水产电的装置,相关论文发表在Nature·Communications上(Simultaneous production of fresh water and electricity via multistage solar photovoltaic membrane distillation,详情请戳“阅读原文”~),为解决水-能源危机提供了更绿色的标杆。

能源从开采到最终转化为电能的过程十分复杂,其中水扮演着重要的角色。在大多数发电厂中,需要用水冷却涡轮发动机,而这一过程中大量水分通过蒸发而消耗。即使以清洁的方式通过光伏发电,也需要使用纯净水定期给光伏面板进行清洗。

而随着人口的增长以及全球气候的变化,我们正面临严重的水危机:全球约三分之一的人口每年至少有一个月生活在严重缺水条件下,5亿人全年面临水资源短缺问题。尽管地球71%的面积被水覆盖,然而其中97%为不可直接饮用的盐水,淡水资源仅占3%。在这些淡水资源中,2/3来自冰川,因此可利用的淡水资源极其有限。

普通自来水厂只能用于盐度较低的淡水(如江水、河水以及淡水湖中的水)净化,对于盐度较高的海水,则需要能量消耗较高的海水淡化技术,如多级闪蒸、多效蒸馏、膜蒸馏以及反渗透。通常,海水淡化工厂不仅需要消耗大量电能,前期设备投入较高,因此仅适用于人口密度较高以及较发达地区。

太阳能发电 低温“废热”待利用

太阳光作为一种可持续、可再生的清洁能源,对未来可持续发展有着至关重要的作用。目前已提出多种太阳能转化技术,如光催化分解水产氢、太阳能电池、光热存储等。其中由于光伏发电可直接从太阳光中获取电能受到广泛关注。

光伏发电通过将太阳光中较短波长部分通过光伏效应转化为电能,而太阳光中长波段部分则被转化为热能。根据S-Q理论(Shockley–Queisser limit),单结太阳能电池的最大光电转换效率仅为33.7%,而目前工业化的太阳能电池光电转换效率通常低于22%。剩余~78%的太阳光主要被转化为“废热”,造成较高的太阳能电池运行温度(60~80oC)。在较高温度下,太阳能电池光电转化效率及使用寿命也将减少。

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