Tích hợp sản xuất điện và nước sạch trong pin mặt trời

Công nghệ chưng cất nước bằng màng quang điện

Khi thế giới đặt mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050, sứ mệnh khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo này trở nên quan trọng hơn bao giờ hết.

Ngày nay, khan hiếm nước ngọt là một trong những thách thức hàng đầu mà thế giới phải đối mặt. Gần một nửa dân số toàn cầu sống ở những vùng khan hiếm nước ít nhất một tháng mỗi năm, thống kê cho thấy số liệu này có thể tăng đến khoảng 4,8 - 5,7 tỷ người vào năm 2050.

Ở những vùng tiếp cận với nước biển, khử muối trở thành một phương pháp duy nhất tạo ra nước ngọt.

Công nghiệp khử mặn nước biển toàn cầu có tới 45% dành cho nhu cầu ở Trung Đông. Nhưng những công nghệ hiện này có chi phí đầu tư rất lớn và tiêu thụ nguồn năng lượng lớn trong quá trình hoạt động. Tại Ả rập Xê út, phần lớn năng lượng điện sản xuất ra được sử dụng để khử mặn nước biển.

Để giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, các nhà nghiên cứu của KAUST nghiên cứu chuyển sang sử dụng năng lượng mặt trời để để khử mặn. Trưởng nhóm nghiên cứu, GS Peng Wang và các nghiên cứu sinh tiến sĩ Sara Aleid và Wenbin Wang giới thiệu một công nghệ mới, được đặt tên là chưng cất màng quang điện (PV-MD).

Theo nguyên lý chung, các hệ thống quang điện sử dụng năng lượng mặt trời để di chuyển các hạt mang điện (electron) tự do trong chất bán dẫn silicon, tạo ra năng lượng điện. Khi quá trình này diễn ra, nhiệt cũng hình thành trong các tế bào quang điện, nhiệt năng này thải ra ngoài và không được sử dụng.

Chính vì vậy, nhóm KAUST đặt mục tiêu sử dụng công nghệ NewPV-MD chuyển đổi nhiệt thải từ các bộ thu năng lượng mặt trời thành một nguồn năng lượng phục vụ cho quá trình chưng cất nước.

Các nhà khoa học chứng minh rằng, một thiết bị chưng cất màng quang điện (PV-MD) có thể sản xuất ổn định nước sạch (> 1,64 kg/ m2/ h) từ nước biển và các nguồn nước bị ô nhiễm khác đồng thời có hiệu suất phát điện không thay đổi (> 11%) bởi một thành phần photovoltaic (PV) dưới một bức xạ mặt trời.

Công nghệ lọc nước biển cho gia đình và khu dân cư ít người.

Nguyên tắc của tổ hợp pin mặt trời và khử mặn nước biển công nghệ PV-MD.

Thiết kế sử dụng pin mặt trời thương mại làm thành phần quang điện cho sản xuất điện và thành phần quang nhiệt để sản xuất nước sạch cùng một lúc. Tốc độ sản xuất nước sạch cao nhờ thiết bị chưng cất có cấu trúc màng nhiều giai đoạn (MSMD), lắp đặt ở mặt sau của pin mặt trời, hấp thụ nhiệt năng khiến nước bốc hơi và được ngưng tụ trong từng giai đoạn chưng cất.

Công nghệ tiện ích hai trong một

Đây là công nghệ thông minh sử dụng năng lượng mặt trời để có thể vừa phát điện vừa chưng cất nước sạch, giảm đáng kể vốn đầu tư vốn do cùng một hệ thống lắp đặt. 

GS Wang cho biết, công nghệ PV-MD rất phù hợp và có khả năng thương mại cao trong việc cung cấp nước và điện cho các vùng khan hiếm nước cả trên lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật.

Nhóm nghiên cứu Ả rập Xê út chứng minh được, công nghệ PV-MD sản xuất tại chỗ nước sạch, có thể trực tiếp uống được từ nhiều nguồn khác nhau như nước biển, sông, hồ, nước ngầm và nước thải công nghiệp.

Theo nhóm nghiên cứu, ấn tượng nhất của công nghệ PV-MD là tích hợp sản xuất tập trung cả nước và điện cho các điểm tiêu thụ, chẳng hạn như các khu dân cư cách xa nguồn điện lưới, cộng đồng có dân số vừa và nhỏ. Công nghệ này sẽ giảm chi phí truyền tải điện đường dài và vận chuyển nước bằng các phương tiện thông thường. Đặc biệt, công nghệ này rất phù hợp với các địa bàn dân cư trên đảo và ven biển vùng xa các trung tâm công nghiệp.

Các bước tiếp theo sẽ liên quan đến việc phát triển công nghệ này thành sản phẩm thương mại. Nhóm nghiên cứu Ả rập Xê út hy vọng rằng, một ngày gần đây, công nghệ PV-MD sẽ được phổ biến rộng rãi, trở thành thiết bị cung cấp nước uống phổ thông, giá rẻ, dễ tiếp cận cho tất cả mọi người.