低成本太阳能苦咸水淡化
联合国2030年可持续发展议程1规定，在全球范围内提供负担得起的清洁用水。最近的调查显示，占世界人口四分之一的17个国家面临"极高"的水资源压力。通过咸水地下水淡化来扩大淡水供应，可以为应对这一挑战提供更多资源。
在这项研究中，麻省理工学院Amos G. Winter V教授与伦敦国王学院Wei He教授（一作兼通讯）开发了一种时变电渗析反向（EDR）技术，可灵活利用现有太阳能进行海水淡化。他们提出的光伏发电海水淡化系统可以根据间歇性太阳能的可用性改变抽水和EDR功率，从而最大限度地提高海水淡化率。研究结果表明，系统性能得到改善，可直接利用77%的可用太阳能，比传统系统高出91%，而且对电池的依赖程度降低了92%。在印度一个村庄规模的海水淡化案例研究中，这些系统改进使水成本降低了22%，使该技术与目前使用的主要由化石燃料驱动的并网村庄规模反渗透系统相比具有竞争力。未来的进步可以进一步降低成本，为偏远地区的缺水问题提供更好的、可持续的解决方案。相关研究成果以题为“Flexible batch electrodialysis for low-cost solar-powered brackish water desalination”发表在最新一期《Nature Water》上。
【技术简介】
反渗透(RO)系统和电渗析(ED)或反转电渗析(EDR)是苦咸水淡化中两种广泛使用的技术。RO利用压力迫使水通过聚合物膜，而其组成离子则被膜阻挡。与RO不同，EDR模块由一堆离子交换膜组成，并使用电场将离子从稀释液流道移动到每个膜之间的盐水流道（图1a）。该电场可以间歇性反转，以防止膜上积垢，从而在EDR中添加“R”。然而，太阳能海水淡化系统必须解决太阳能发电的间歇性问题，太阳能发电通常由昂贵、高维护的电池管理，这给资源有限的社区带来了挑战。EDR比RO更节能、水回收率更高，有利于可再生能源海水淡化。传统的批量EDR系统通常采用固定电压和流量进行电网运行以提高能源效率，一旦采用太阳能供电就缺乏灵活性（图1）。由于其依赖天气、间歇性的特性，这种刚性导致太阳能效率低下。图1b显示了在“恒定”或“传统”操作下运行的EDR系统的功率曲线与可用太阳能之间的不匹配。
为此，作者开发了一种新颖的PV-EDR技术，该技术可以实现海水淡化负荷的灵活性，同时保证在任何太阳辐照度水平下最大限度地提高产水量。
图 1. 持续运行的批量光伏 EDR 系统：发电量与消耗电量不匹配
【PV-EDR系统】
原型PV-EDR系统在美国新墨西哥州阿拉莫戈多的咸水地下水国家淡化研究设施(BGNDRF)建造并进行了测试。作者设计并构建了实时监控架构来实现灵活的操作（图2）。
图 2. PV-EDR 控制硬件和软件架构
【单日分析】
图3显示了全规模PV-EDR试点系统的单日测试结果，包括太阳能发电系统的功率曲线以及原型机在灵活和常规操作下的功率曲线，每种功率曲线生产的数量和质量相同产品水。图3显示，在实验当天，柔性系统的功耗紧随EDR海水淡化过程中可变太阳能功率的变化。与传统的EDR系统相比，这种密切的一致性有助于提高电力使用水平，而传统的EDR系统全天始终保持低功耗。灵活EDR批次的单位能耗(SEC)（一天内通过实验测量的15个灵活EDR批次的平均能耗为3.3±0.17 kWhm−3）约为40%高于恒定EDR批次的SEC（一天内实验测量的八个恒定EDR批次的平均值为2.4±0.12 kWhm−3）。因此，与传统系统相比，灵活系统可以直接使用更多的可用太阳能（75% vs 40%）。这一显着增加表明，灵活的控制器能够在实际硬件和环境条件下大幅提高系统太阳能发电能力的生产利用。当灵活操作系统和传统操作系统都发生排水和填充事件时，批次之间会存在相对较差的电力使用时段。与海水淡化相关的排水和填充事件的持续时间可以被控制并可能被优化，以进一步最大化电力使用。图3还清楚地显示了灵活系统和传统系统所需的总运行时间的差异。当天，灵活系统能够在比传统系统少33%的时间内生产出与传统系统一样多的水，即总运行时间约为10.8小时。所节省的时间是可观的，并且可以减少运营的劳动力和间接成本。
图 3. 全尺寸 PV-EDR 试点系统的单日测试
【多日表现】
在6天的运行中重复了单日分析，结果总结在图4中。图4a显示了测试的太阳辐照度分布范围以及灵活的PV-EDR系统每天产生的总水量。测试结果证明了控制策略能够在各种太阳能条件下可靠地提供所需的性能水平。图4b进一步对太阳能剖面进行了统计表征，其中显示了平均太阳能功率、太阳能剖面的标准偏差以及PV功率变异性指标。PV功率变异性指标反映了PV功率变化率的大小，较高的变异性表明控制器的测试环境更具挑战性。然而，图4c、d显示，尽管总太阳能量（最大值的28%）和PV功率变化（最大值的75%）。这表明灵活操作的好处在或多或少具有挑战性的太阳条件下都是强大的。灵活系统6天的平均性能与传统系统的三个关键指标进行了比较，如图4c-e所示。图4c显示，灵活系统平均能够直接利用77%的可用太阳能，而传统系统仅约40%（增加了91%）。这表明传统系统需要更多的太阳能电池板面积才能直接运行（即没有任何能量存储），从而增加了资本成本。相反，图4d显示了使用相同太阳能电池板面积运行每个系统所需的平均最小电池容量；在这种情况下，灵活系统平均仅需要0.27kWh，而传统系统则需要3.3kWh（减少92%）。最后，图4e显示，灵活系统达到生产量的速度比传统系统快54%。
图 4. 灵活 PV-EDR 运行与持续运行超过 6 天的实验性能比较
【成本分析】
作者以印度的一个乡村（海得拉巴附近的Chelluru）为例，研究了从固定运营转向灵活运营对平准化水成本(LCOW)的影响。作者从当地供应商处获得了产品的成本：估计该系统生产淡水的LCOW为1.71美元m-3，不到人民币12.5元/吨（图5c）。在图5a、b中，EDR变体的资本成本和运营成本分别与并网反渗透的成本进行了归一化。为保护当地供应商的专有信息，未报告并网反渗透系统的成本细目。
图 5. 所提出的灵活 PV-EDR 技术与参考技术之间的水成本比较
来源：高分子科学前沿
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