Опреснитель морской воды на солнечной энергии
статья по физике (9 класс)

Опубликовано 22.07.2022 - 23:29 - Щекотова Анастасия Владимировна

Разработка установки по опреснению морской воды с помощью солнечной энергии

Скачать:

Вложение	Размер
statya_shchekotova_kovtunenko_varfalameeva.docx	196.43 КБ

Предварительный просмотр:

Варфаламеева С.А., кандидат педагогических наук, доцент кафедры методики обучения физике РГПУ им. А.И. Герцена

Ковтуненко И.Б., ученик 9 класса ГБОУ г. Севастополя «Образовательный центр "Бухта Казачья"»

Щекотова А.В., учитель физики ГБОУ г. Севастополя «Образовательный центр "Бухта Казачья"», студент 2 курса магистратуры (44.04.01 Педагогическое образование, направленность (профиль) «Физико-астрономическое образование»)

Опреснитель морской воды на солнечной энергии

Пресная вода - один из самых ценных ресурсов на Земле, без которого человечество никак не сможет прожить. Несмотря на то, что более половины поверхности нашей планеты покрыто водой, - это в основном вода, которая непригодна для питья. Более 97% всех запасов воды на Земле приходится на соленые воды морей и океанов, и только около 3% от всего водного запаса составляет пресная вода. При этом запасы пресной воды распределены на планете неравномерно, более того загрязнения водоёмов и массовые нарушения экологических норм могут ускорить темпы сокращения водных запасов. Согласно докладу ООН, уже в 2017 году 36 стран страдали от острого дефицита питьевых ресурсов. Если не заниматься защитой водных ресурсов, то к 2030 году почти 5 миллиардов человек могут не иметь достаточного количества питьевой воды для удовлетворения своих ежедневных потребностей [1,2].

Благодаря большой территории Россия по запасам пресной воды входит в первую десятку, однако в рейтинге государств с самой чистой водой Россия далека от первых мест, и ситуация с каждым годом ухудшается. Кроме того, в настоящее время на карте России остаются районы, где вода подается только несколько часов в сутки. С 2014 года к российским регионам с плохой водой, а иногда и ее отсутствием, прибавился Крымский полуостров.

По словам местных жителей, Крым хронически испытывает проблемы с пресной водой, что связано с географическими особенностями региона.

Одним из возможных решений этой проблемы является опреснение морской воды, то есть снижение концентрации солей в воде до показателей, позволяющих использовать воду в быту. Способы опреснения воды различны. Одним из старейших является процесс опреснения воды с помощью дистилляции, однако традиционно такой способ сопряжен со значительными затратами энергии, особенно при необходимости получения больших объемов пресной воды [4,5]. Климатические условия Крыма позволяют использовать солнечную энергию и, тем самым, повысить рентабельность мероприятий по опреснению воды за счет уменьшения финансовых затрат на энергию.

Целью нашей работы являлось создание модели опреснителя морской воды, работающего на солнечной энергии, и изучение принципов его действия [3].

Устройство состоит из двух емкостей разного размера (в нашей модели - 100 мл и 300 мл), целлофановой пленки и трубочки. Меньшая емкость ставится в большую емкость. В большую емкость наливается морская или, как говорят, грязная вода. Большую емкость закрывают пленкой, которую нужно по краю сосуда закрепить канцелярской резинкой, обвязать веревкой или, при наличии крышки от большей емкости, одеть ее сверху на сосуд, предварительно вырезав середину и оставив только небольшой ободок по краю крышки (рис. 1).

Рис. 1

Пленке необходимо придать форму конуса, чтобы образовавшаяся в результате конденсации вода, стекала в меньший сосуд. Это можно сделать, слегка надавив на середину пленки рукой или положив на нее небольшой легкий предмет (пластмассовую пробку, кусочек пенопласта и т.п.). Важно, чтобы данный предмет обладал плохой теплопроводностью и сильно не нагревался в процессе работы установки. Трубочка проходит через боковую стенку обеих емкостей и служит для сбора образовавшейся чистой воды из меньшей емкости.

Принцип работы предлагаемой установки прост и основан на двух физических процессах – испарении и конденсации. Морская вода (рассол), налитая в больший сосуд, нагревается солнечными лучами, что приводит к интенсивному испарению чистой воды, соли при этом остаются в исходном рассоле. Чистый водяной пар, попадая на пленку, конденсируется, и образовавшаяся пресная вода стекает в меньший сосуд.

Как известно, скорость испарения увеличивается с увеличением температуры жидкости. Поэтому, чем больше солнечной энергии поглощает морская вода, тем быстрее идет ее испарение. В свою очередь, конденсация пара возможна при условии, что температура поверхности пленки меньше температуры, при которой пар становится насыщенным. Таким образом, КПД данной системы в частности зависит от соотношения температуры воды и температуры пленки. Для того, чтобы увеличить интенсивность поглощения солнечной энергии, поверхность емкости для соленой воды была покрашена в черный цвет.

Также было замечено, что для установки необходимо использовать прозрачную пленку, чтобы она не поглощала солнечные лучи, а максимально пропускала их. К сожалению, конденсат, который скапливается на пленке, делает ее матовой, что уменьшает прохождение солнечного света внутрь емкости. Для уменьшения этого эффекта важно постараться придать пленке выраженную конусообразную форму, что позволит каплям воды стекать быстрее в меньшую емкость. Конечно, можно также постукивать по поверхности пленки и помогать каплям быстрее стекать в емкость, но вряд ли такой способ кому-то придется по душе.

Приведем некоторые количественные показатели, которые были зафиксированы. За 5 часов работы дистиллятора удалось получить 40 мл пресной воды с площади поверхности 86,5 см2 (диаметр большей емкости и, соответственно, диаметр пленки составлял 10,5 см). Очевидно, что КПД установки невысок.

Возникает вопрос – как же увеличить эффективность работы установки? Прежде всего, важно постараться теплоизолировать сосуд, в котором находится соленая вода, для того, чтобы уменьшить потери энергии, уходящей в окружающую среду через стенки сосуда. Также очевидно, что установка будет работать более эффективно в летний солнечный день, если ее расположить под прямыми солнечными лучами. В нашем случае установка стояла в помещении на подоконнике, и ее работа проверялась в апреле при переменной облачности. Для аккумулирования солнечной энергии можно попробовать применить систему линз, либо воспользоваться популярными в Крыму солнечными батареями. Известно, что существует оптимальный угол наклона солнечных панелей относительно поверхности земли. Исходя из этого, можно предположить, что эффективность работы нашей модели увеличилась бы, если бы пленка располагалась не горизонтально, а под некоторым углом к горизонту. Не стоит забывать и о том, что для лучшей работы опреснителя температура пленки должна быть низкой. Поэтому наличие ветра являлось бы в данном случае благоприятным фактором.

Достоинством данной установки является общедоступность и простота в использовании. По сравнению со многими другими решениями предлагаемая технология способна упростить добычу пресной воды. Известные «активные» технологии опреснения требуют дорогостоящих и энергозатратных механических или электрических компонентов (насосы и системы управления, мембранные фильтры и т.п.) и нуждаются в специализированных технологиях для установки и обслуживания. Представленная установка может быть названо «пассивной» технологией, т.к. процесс опреснения основан на самопроизвольных процессах, происходящих без помощи дополнительного оборудования. Все это делает устройство максимально недорогим и простым в установке и ремонте.

К существенным недостаткам можно отнести неэффективность установки при неблагоприятных погодных условиях и, конечно же, достаточно большой временной интервал для опреснения морской воды. Однако, в некоторых условиях, как, например, в походе или в открытом море, этот способ получения пресной воды может оказаться единственно возможным.

Источники: