الإنتاج المتزامن للمياه العذبة والكهرباء عن طريق التقطير الغشائي الكهروضوئي متعدد الأغراض للطاقة الشمسية

الماء والطاقة مرتبطان بشكل لا ينفصم وأصبحت العلاقة بين الطاقة المائية الحميمة محسوسة بشكل متزايد على مستوى العالم ، لأن الأمن المائي أصبح يشكل تهديدًا لأمن الطاقة والعكس 1 ، 2 . في الولايات المتحدة وأوروبا الغربية ، حوالي 50 ٪ من المياه المسحوبة هي لإنتاج الطاقة 3 ، 4 . من ناحية أخرى ، يستهلك إنتاج المياه النظيفة ، وخاصة تحلية مياه البحر ، كمية هائلة من الكهرباء. في الدول العربية ، على سبيل المثال ، تستهلك صناعة إنتاج المياه العذبة أكثر من 15٪ من إجمالي الكهرباء الوطنية. لقد تم الإبلاغ عن أن 1 ~ 10٪ من المياه النظيفة المنتجة في عملية تحلية مياه البحر التي تعمل بالكهرباء تتم إعادتها إلى محطة توليد الكهرباء لتوليد الكهرباء المستهلكة أثناء عملية تحلية المياه 6 ، 7 . وقد تفاقمت تداعيات رابطة الطاقة المائية إلى حد كبير خاصة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة.

لا تزال الحصة الحالية للوقود الأحفوري غير المتجدد في مزيج الطاقة العالمي أكبر من 82٪ ، كما أن حرق الوقود الأحفوري يؤدي إلى انبعاثات هائلة لثاني أكسيد الكربون ، والتي تعتبر تهديدًا كبيرًا للاستدامة العالمية 8 . لقد تم بذل جهد كبير لاعتماد مصادر الطاقة المتجددة ، والتي من بينها أظهرت الطاقة الشمسية إمكاناتها الهائلة لتلبية متطلبات الطاقة في العالم في المستقبل بالنظر إلى وفرة هائلة وتوفر مجانية. تم تركيب عدد كبير من الألواح الضوئية (> 400 جيجاواط) في جميع أنحاء العالم لتوليد الكهرباء من الطاقة الشمسية مع الحد الأدنى من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واستهلاك المياه. بالنسبة لتوليد الكهرباء بمقدار 1 ميجاوات في الساعة ، تستهلك تكنولوجيا الطاقة الكهروضوئية فقط 2 غالون من الماء بينما تستهلك محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم الفحم والوقود النووي كمصدر للطاقة 692 و 572 جالون من المياه ، على التوالي 9 . ومع ذلك ، يتميز الإشعاع الشمسي بكثافة منخفضة للغاية للطاقة ، ويتراوح عمومًا بين 4 و 8 كيلو وات في اليوم بالنسبة لمعظم أنحاء العالم 10 . علاوة على ذلك ، يمكن فقط تحويل حوالي 10-20٪ من الطاقة الناتجة عن أشعة الشمس إلى الكهرباء عن طريق اللوحات الكهروضوئية الحديثة 11 . نتيجة لذلك ، بالنسبة لمحطة طاقة شمسية متوسطة الحجم تبلغ 400 ميجاوات ، ستحتاج إلى جمع أشعة الشمس من مساحة أرض مساحتها مليوني متر مربع على الأقل. إلى جانب تكلفة الألواح الشمسية وشراء الأراضي ، يضيف نظام التركيب الذي يدعم الألواح في هذه المنطقة الكبيرة تكلفة رأس مال إضافية لمحطة الطاقة الشمسية 11 .

اجتذب التقطير الشمسي مؤخراً اهتمامًا كبيرًا وأظهر إمكانات واعدة في عمليات مختلفة تهدف إلى تحلية مياه البحر 12 ، 13 ، 14 ، 15 ، 16 ، 17 ، 18 ، 19 ، 20 ، إنتاج المياه الصالحة للشرب من مصادر المياه ذات الجودة الضعيفة 21 ، 22 ، تخفيض حجم المياه العادمة 20 ، استخراج المعادن وإعادة تدويرها 23 ، والتعقيم 24 ، إلخ. ومع ذلك ، على غرار تحويل الطاقة الشمسية إلى الكهرباء ، تؤدي كثافة الطاقة المنخفضة الكامنة في الإشعاع الشمسي إلى معدل إنتاج صغير للمياه العذبة في التقطير الشمسي التقليدي ، 0،5-4،0 كجم م ، 2 في يوم كامل ، أي ما يعادل معدل إنتاج المياه من 0،3-0،7 كلغ م h 2 ح −1 في ظل ظروف الإضاءة أحد القياسية الشمس (1 كيلو واط م 2 ) 16 ، 25 ، 26 . تتطلب الإنتاجية المنخفضة مساحة كبيرة من الأرض وتركيب نظام تثبيت لدعم إعداد التقطير ، الذي يقيد مصلحتها الاقتصادية ، على غرار حالة محطات توليد الطاقة الكهروضوئية. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن أجهزة تقطير الأغشية متعددة المراحل (MSMD) التي تعمل بالطاقة الشمسية مع إنتاجية أعلى للمياه النظيفة ، 3 كجم م − 2 ساعة −1 في جهاز من 10 مراحل تحت إضاءة شمسية واحدة ، عن طريق إعادة تدوير الحرارة الكامنة المنبعثة خلال تكثيف البخار في كل مرحلة كمصدر للحرارة للمرحلة التالية 27 ، 28 .

تم بحث مفهوم الإنتاج المتزامن للمياه النظيفة والكهرباء بواسطة الطاقة الشمسية مؤخرًا بواسطة عدة مجموعات 29 ، 30 ، 31 . في معظم هذه المحاولات ، تم استخدام التقطير الشمسي لإنتاج المياه النظيفة ، وتم استخدام بعض الآثار الجانبية للتقطير الشمسي لتوليد الكهرباء ، مما أدى إلى انخفاض كفاءة استخدام الطاقة الشمسية إلى الكهرباء (أقل من 1.3٪). كفاءة توليد الكهرباء المنخفضة لهذه الاستراتيجيات تجعل تطبيقها اقتصاديًا في محطة توليد الكهرباء أمرًا غير اقتصادي.

في هذا العمل ، قمنا بالإبلاغ عن استراتيجية للإنتاج المتزامن للمياه العذبة والكهرباء بواسطة جهاز تقطير غشاء الألواح الشمسية الكهروضوئية المدمج (PV-MD) الذي تستخدم فيه لوحة الكهروضوئية كمكون كهروضوئي لتوليد الكهرباء ومكون حراري ضوئي للنظيفة إنتاج المياه. في خلية شمسية نموذجية ، يتم تحويل 80 إلى 90٪ من الطاقة الشمسية الممتصة إلى درجة حرارة غير مرغوب فيها ، ثم يتم إلقاؤها بعد ذلك بشكل سلبي ومهدر في الهواء المحيط 32 . في هذا العمل ، تم دمج جهاز MSMD في الجانب الخلفي لخلية شمسية تجارية للاستفادة المباشرة من الحرارة المهدرة كمصدر للحرارة لدفع عملية تقطير المياه. تحت إضاءة الشمس الواحدة ، يبلغ معدل إنتاج الماء للـ PV-MD 1.79 كجم م 2 −1 −1 لجهاز ثلاثي المراحل ، وهو أعلى بثلاثة أضعاف من اللقطات الشمسية التقليدية. في الوقت نفسه ، تولد لوحة الكهروضوئية الكهرباء بكفاءة في استخدام الطاقة أعلى من 11 ٪ ، وهو نفس ما تم تسجيله على نفس لوحة الكهروضوئية دون جهاز MD الخلفي وهو أعلى 9 مرات على الأقل من تلك التي تحققت في المنشور السابق يعمل. الفائدة غير المؤكدة لتكامل الكهروضوئية وتقطير المياه هي التوليد المشترك الفعال للغاية للمياه النظيفة والكهرباء في جهاز واحد في نفس الوقت على نفس الأرض ، مما يقلل مباشرة من متطلبات مساحة الأرض وتكلفة نظام التركيب بالمقارنة إلى نظامين منفصلين جسديا (الكهروضوئية والتقطير الشمسي). علاوة على ذلك ، فإن العمل مباشرة مع الخلايا الشمسية التجارية يجعل جهاز PV-MD قريبًا من التطبيقات العملية. توفر هذه الاستراتيجية إمكانية محتملة لتحويل محطة لتوليد الكهرباء من مستهلك للمياه إلى منتج للمياه العذبة.