光伏电渗析使咸水处理更简单！
淡水短缺影响着世界近一半的人口，特别是在基础设施和资源有限的发展中地区，难以获得饮用水。对于气候干旱或半干旱的内陆地区的许多社区来说，地下水是唯一可用的水源。不幸的是，这种地下水通常是咸水，盐度太高，不适合人类饮用。
目前常见的方法是使用经济实惠且高效的系统对微咸地下水进行淡化。实施此类系统的关键挑战之一是确定最佳的水生产规模，特别是在资源有限的地区。对于小型社区来说，每日新鲜饮用水的需求量相对较小，约为每天10立方米。任何旨在满足这些需求的海水淡化系统都必须根据其资本支出(CapEx)和运营支出(OpEx)进行评估，这两者在很大程度上取决于海水淡化过程的能源需求。鉴于此，中国科学院理化技术研究所孔祥玉研究员、闻利平研究员在《Nature Water》上以题为“Photovoltaic electrodialysis makes brackish water treatment simpler”的评论文章。概述了策略设计电渗析 (ED)；光伏电渗析（PV-ED）。电渗析(ED)被认为是一种可行的水处理技术，它利用电力去除苦咸水中的离子。与标准大规模海水淡化技术反渗透(RO)相比，ED由于其能源需求较低，更适合较小的社区规模应用。然而，使用ED的一个重大挑战是有效管理能量输入。由光伏供电的传统ED系统面临着与储能和辅助负载需求相关的问题，这增加了总体成本并降低了系统效率。光伏电渗析（PV-ED）系统可将阳光转化为电能，是在太阳辐射丰富的地区为海水淡化系统供电的一个有吸引力的选择。光伏发电比风能或地热能等替代能源更灵活、更容易获得。然而，将光伏发电与ED系统集成一直具有挑战性，因为需要平衡太阳能的间歇性与海水淡化的连续能源需求。最新一期《Nature Water》报道了麻省理工学院Jonathan Tae-Yoon Bessette博士及其同事通过引入流量命令电流控制(FCCC)策略来应对这一挑战，该策略根据可用的太阳能动态调整ED系统的功耗。该策略消除了对大量能源存储的需求，从而减少了资本支出和运营支出。该系统不是在太阳辐射较低的时期依赖储存的能量，而是优化实时能源使用，以尽可能有效地淡化海水。Figure 1. 描述高性能PV-ED海水淡化系统中流量指令电流控制(FCCC)策略的方案具体来说，他们从理论上提出并演示了一种简单的控制策略--流量指令电流控制--利用光伏电渗析（PV-ED）实现直接驱动（几乎不需要储能），并以高生产率对海水淡化进行优化控制。该控制方案在一个完全自主的社区级（2-5立方米/天）光伏电渗析原型系统上实施，并在新墨西哥州的真实咸水地下水上运行了6个月。该原型系统充分利用了94%的光伏提取能量，尽管其储能与水生产力的比率比文献中的中位光伏海水淡化系统低99%。流量指令电流控制光伏海水淡化系统为资源有限的社区提供了一种简单的海水淡化策略，并对大型能源密集型海水淡化行业的去碳化产生了影响。相关研究成果以题为“Direct-drive photovoltaic electrodialysis via flow-commanded current control”发表在最新一期《Nature Water》上。Jonathan Tae-Yoon Bessette为本文一作兼通讯。图1说明了ED的核心原理，显示了阴离子和阳离子交换膜的排列以及离子如何分离。与需要稳定压力条件和大量能量存储的反渗透(RO)不同，ED允许可变操作，使其适用于可再生能源。总的来说，该技术的简单性允许轻松扩展和定制，这对于偏远或发展中地区的无电池海水淡化至关重要。本文的核心创新之一是流量指令电流控制方案（图2），该方案根据可用的太阳能来调整流量和电流。该系统不是预测能量输入，而是实时反应，确保在不使系统超载或需要过多电池存储的情况下，最大限度地淡化海水。这种方法直接响应太阳能的间歇性，当有剩余能量可用时增加流量，并在太阳能减少时减少流量。该控制回路在试点系统中的实际实施（图2d）展示了该系统处理太阳能变化的能力，同时确保最佳的海水淡化性能。该原型集成了离心泵、电导率传感器和光伏电源等组件，以管理电力波动和海水淡化率。为了证明该系统的效率，本文描述了新墨西哥州一天的典型运行情况，该系统部署在咸水地下水国家研究设施(BGNDRF)。图3描述了系统在一天内的性能，说明了如何以最小的误差（约7.5W）跟踪可用的太阳能。该图强调了系统通过调整流速和电流以保持最佳产水量来适应不同太阳辐照度的能力。新墨西哥州的长期现场试验如图4所示，可以深入了解系统在不同操作条件下的稳健性和效率。该原型使用不同盐度水平的地下水运行了六个月，在第一井（1800 μS cm−1进料盐度）和三井（4000 μS cm−1进料盐度）上保持较低的产品盐度水平（低于1000 μS cm−1）。平均而言，该系统能够利用大约94%的太阳能，这比传统的可再生能源海水淡化系统有了重大改进。1号井和3号井的日产水量分别为5.29m3和2.18m3，单位能耗(SEC)值为1.58和3.65 kWh m−3。运营摘要还强调了系统内的低效率问题，例如影响烟囱性能的内部泄漏和液压效率低下。尽管存在这些挑战，该系统表明它可以以最少的能量存储有效运行，为能源不可靠的地区提供了一个有前景的解决方案。图4.2022年8月4日至2023年2月9日长期运营业绩概览图5显示了现场试验期间储能需求的对数直方图，比较了预测放电量和实际放电量。该系统使用仅0.12kWh的DeWalt钻机电池成功运行，远小于同类系统通常所需的电池。结果证实，FCCC方法允许在大多数实际情况下进行无电池操作，而不会影响性能。研究表明，该原型可以通过实时调整来匹配可用的太阳能，从而确保高产水量，而不需要大量的能量存储。这一发现对于降低农村或资源有限地区小型海水淡化系统的成本和简化维护具有重大意义。图5.对数直方图显示了长期测试所需的现场试验能量放电和充电与预测的能量存储需求的比较FCCC系统与传统PV-RO和PV-ED系统的电池功率比和电池产量比的比较，如图6所示，这说明了FCCC系统所需的能量存储量显着减少，增强了其在减少成本和维护方面的优势。图6.无电池、直接驱动FCCCPV-ED与现有技术中的PV-RO和PV-ED系统的比较本文展示了一种新的海水淡化方法，通过使用响应控制方案消除了对大规模能量存储的需求。通过根据实时太阳能输入调整流量和电流，该系统无需大型电池即可有效运行，从而使资源有限的地区更容易使用且负担得起。这项研究代表了可再生能源海水淡化技术向前迈出的重要一步，为电力供应间歇性地区的分散式水处理提供了实用的解决方案。其影响超出了海水淡化的范围，表明FCCC方法未来可以应用于各种其他电化学过程。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
