DUAL-MODE PHOTOVOLTAIC SYSTEM WITH NIGHTTIME RADIATIVE COOLING FOR ATMOSPHERIC WATER HARVESTING IN THE ARID CLIMATE OF TASHKENT

УДК 621.311.243:628.112.4

Аннотация

Сопряжение энергетической и водной безопасности особенно остро проявляется в аридных регионах Центральной Азии, сочетающих высокую инсоляцию с дефицитом водных ресурсов. В статье представлена концепция двухрежимной фотоэлектрической установки DualHarvest, вырабатывающей электроэнергию в дневное время и пассивно собирающей атмосферную влагу в ночное время за счёт радиационного охлаждения в атмосферном окне 8–13 мкм. Цель работы — разработка конструкции, теоретических основ и модельная оценка характеристик такой установки применительно к условиям Ташкента. Конденсирующая поверхность формируется покрытием на основе сульфата бария в акриловом связующем; сбор конденсата обеспечивается трактом «жёлоб–насос–форсунки–подземный резервуар» под управлением контроллера ESP32. Методология включает расчёт теплового баланса излучающей поверхности, условие конденсации по точке росы в аппроксимации Магнуса–Тетенса, линейную модель температурной зависимости КПД модуля и технико-экономическую оценку по методике sLCOE. Для условий Ташкента получены модельные оценки: переохлаждение 4–8 °C, выход конденсата от 20 (лето) до 330 (зима) мл/м² за ночь, годовой сбор ≈110 л на установку площадью 1,6 м², дневной прирост мощности до +1,9 %, стоимость электроэнергии 0,0887 долл./кВт·ч и воды 0,578 долл./л. Показано, что наиболее целесообразный сценарий внедрения — автономные и удалённые объекты, где срок окупаемости сокращается с ≈18 до ≈4,7 года.

Abstract

The energy–water nexus is particularly acute in the arid regions of Central Asia, which combine high insolation with scarce water resources. The article presents DualHarvest, a dual-mode photovoltaic system that generates electricity by day and passively harvests atmospheric water at night through radiative sky cooling in the 8–13 µm atmospheric window. The aim of the work is to develop the design, the theoretical basis and a model-based performance assessment of such a system for the climate of Tashkent. The condensing surface is formed by a barium-sulfate coating in an acrylic binder; condensate is collected by a gutter–pump–nozzle–underground-tank train supervised by an ESP32 controller. The methodology comprises the radiative heat balance of the emitting surface, the dew-point condensation condition in the Magnus–Tetens approximation, a linear model of the temperature dependence of photovoltaic efficiency and a techno-economic assessment based on the sLCOE method. For Tashkent, model estimates yield a sub-ambient depression of 4–8 °C, a condensate yield from 20 (summer) to 330 (winter) mL/m² per night, an annual harvest of ≈110 L per 1.6 m² unit, a daytime power gain of up to +1.9 %, a levelized cost of electricity of $0.0887/kWh and a levelized cost of water of $0.578/L. Off-grid and remote deployments are shown to be the most viable scenario, reducing the payback period from ≈18 to ≈4.7 years.

Ключевые слова: радиационное охлаждение, атмосферная влага, фотоэлектрический модуль, сульфат бария, точка росы, водно-энергетический нексус, аридный климат, Узбекистан.

Keywords: radiative cooling, atmospheric water harvesting, photovoltaic module, barium sulfate, dew point, water-energy nexus, arid climate, Uzbekistan.

Введение

Сопряжение энергетической и водной безопасности — водно-энергетический нексус — проявляется в Центральной Азии в особенно острой форме: удельная обеспеченность водой снизилась примерно с 8 400 до 2 500 м³ на человека в год за четыре десятилетия, а наиболее заметным следствием ирригационной экспансии стала деградация Аральского моря. Одновременно Узбекистан осуществляет ускоренный переход к возобновляемой энергетике с целевым показателем более 50 % выработки к 2030 году. Ташкент, расположенный в жарком аридном континентальном климате с высокой инсоляцией и большим суточным перепадом температур, сочетает отличный солнечный ресурс с уязвимым водоснабжением.В литературе описаны гибридные системы «фотоэлектрический модуль — сорбент» [8; 9], металлоорганические каркасные структуры [13], термоэлектрические генераторы влаги [14] и туманоуловители. Ночное радиационное охлаждение солнечных панелей для сбора росы продемонстрировано в [7], непрерывный суточный цикл влагосбора — в [6]. Вместе с тем в литературе и патентном фонде отсутствует система, объединяющая одну и ту же поверхность, поочерёдно работающую днём как фотоэлектрический генератор и ночью как радиационный конденсатор, со специализированным покрытием BaSO4 и автономной логикой переключения режимов. Целью работы является разработка конструкции, теоретических основ и модельная оценка характеристик такой установки применительно к условиям Ташкента.

Материалы и методы

Установка выполнена на основе монокристаллического субмодуля номинальной мощностью 300 Вт с алюминиевой подложкой общей площадью 1,6 м². Излучающе-конденсирующая поверхность формируется покрытием из частиц BaSO4 в акриловом связующем (соотношение пигмент/связующее 6:1 по массе, ≈60 % объёмной концентрации) с толщиной сухой плёнки 400 мкм: по верифицированным данным [2], такие покрытия обеспечивают солнечную отражательную способность 95–98 % и излучательную способность ≈0,95 в окне 8–13 мкм [1; 3; 4]. Панель установлена под фиксированным углом 30° — компромисс между широтно-оптимальным углом ≈41° и максимизацией видимости небосвода. Функциональная структура установки приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Функциональная блок-схема установки DualHarvest

Тепловой баланс излучающей поверхности записывается в виде

    (1)

где P_rad — собственное тепловое излучение поверхности; P_atm — поглощённое противоизлучение атмосферы; P_sun — поглощённая солнечная радиация (ночью равна нулю); P_conv — конвективно-кондуктивный приток тепла. Для покрытий данного класса чистая охлаждающая мощность составляет 80–140 Вт/м² в ясные ночи [1; 4]. Условие начала конденсации T_s ≤ T_dp определяется точкой росы по аппроксимации Магнуса–Тетенса:

              (2)

Связь КПД фотоэлектрического преобразования с температурой ячейки описывается линейной моделью Скоплаки–Паливоса [10]:

            (3)

где β ≈ 0,45 %/°C для кремниевых модулей. Сбор конденсата осуществляется жёлобом с уклоном 2 %, мембранным насосом 12 В (2,0 л/мин, напор 3 м) и форсунками; вода накапливается в подземном резервуаре 100 л на глубине 0,8 м (рисунок 2). Режимами управляет контроллер ESP32 с опросом датчиков каждые 30 с: при освещённости ниже 50 Вт/м² и приближении температуры поверхности к точке росы (запас 2,0 °C) активируется ночной контур; собственное потребление ≈1,2 Вт (≈2 % валовой дневной выработки).

Рисунок 2. Гидравлический тракт: жёлоб–насос–форсунки–фильтр–резервуар

Результаты и обсуждение

Модельная оценка ночного режима для метеоусловий Ташкента даёт глубину переохлаждения поверхности 4–8 °C в зависимости от сезона и чистую охлаждающую мощность ≈85–90 Вт/м² (коэффициент реализации ≈0,70 от эталонного значения [2]). Сезонные оценки удельного выхода конденсата, полученные масштабированием по запасу до точки росы между литературными опорными значениями [5; 6], приведены в таблице 1 и на диаграмме (рисунок 3).

Таблица 1. Модельные сезонные показатели ночного сбора влаги (Ташкент)

Примечание: модельные оценки; подлежат подтверждению в ходе натурных испытаний.

Рисунок 3. Модельные сезонные значения выхода конденсата и глубины переохлаждения ΔT

Годовой сбор воды на установку 1,6 м² составляет ≈110 л (среднесезонное значение 187,75 мл/м² за ночь в эквиваленте ясных ночей); минимум приходится на жаркое сухое лето, максимум — на холодный сезон. В дневном режиме отвод тепла через излучающий контур снижает температуру ячейки на ≈3,5 °C, что по формуле (3) соответствует приросту мощности +1,6…+1,9 %.Экономическая оценка по методике упрощённой нормированной стоимости электроэнергии (sLCOE) [12] при капитальных затратах 1 749 долл./кВт, ставке дисконтирования 6 %/год, сроке службы 25 лет и коэффициенте использования мощности 0,20 даёт sLCOE ≈ 0,0887 долл./кВт·ч. Нормированная стоимость воды при амортизации водного контура за 10 лет составляет ≈0,578 долл./л — в пределах опубликованного диапазона 0,08–1,12 долл./л для аридного климата [11]. Себестоимость серийной установки — 493,6 долл. при партии 100 шт. (−35,2 % к прототипу, 762 долл.).Для сетевого городского домохозяйства простой срок окупаемости составляет ≈18 лет из-за субсидированных тарифов (650–2 200 сум/кВт·ч). Для автономных объектов, где альтернативой являются дизельная генерация (≈0,30 долл./кВт·ч) и привозная вода (≈5 долл./м³), срок сокращается до ≈4,7 года. В отличие от компрессорных и термоэлектрических генераторов [14] установка не потребляет электроэнергию на конденсацию, в отличие от MOF- и гидрогелевых систем [8; 13] не требует расходуемых сорбентов, а в отличие от туманоуловителей ориентирована на ясные сухие ночи, характерные для Ташкента.

Выводы

1. Предложена архитектура двухрежимной установки, в которой одна поверхность поочерёдно выполняет функции генератора электроэнергии (день) и радиационного конденсатора влаги (ночь); от сорбционных аналогов [9] её отличают отсутствие расходуемой химии и покрытие BaSO4, интегрированное с фотоэлектрическим модулем.

2. Модельные оценки для Ташкента: переохлаждение 4–8 °C, выход конденсата 20–330 мл/м² за ночь, годовой сбор ≈110 л на установку, дневной прирост мощности до +1,9 %.

3. Экономические показатели (sLCOE ≈ 0,0887 долл./кВт·ч; LCOW ≈ 0,578 долл./л) указывают на приоритет автономных и удалённых объектов со сроком окупаемости ≈4,7 года.

4. Все характеристики являются модельными и подлежат верификации в рамках запланированной круглогодичной программы натурных испытаний в Ташкенте.

Список литературы:

1. Raman A.P., Anoma M.A., Zhu L., Rephaeli E., Fan S. Passive radiative cooling below ambient air temperature under direct sunlight // Nature. 2014. Vol. 515. P. 540–544. DOI: 10.1038/nature13883.
2. Li X., Peoples J., Yao P., Ruan X. Ultrawhite BaSO4 paints and films for remarkable daytime subambient radiative cooling // ACS Applied Materials & Interfaces. 2021. Vol. 13, № 18. P. 21733–21739. DOI: 10.1021/acsami.1c02368.
3. Zhai Y., Ma Y., David S.N., Zhao D., Lou R., Tan G., Yang R., Yin X. Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling // Science. 2017. Vol. 355, № 6329. P. 1062–1066. DOI: 10.1126/science.aai7899.
4. Zhao D., Aili A., Zhai Y., Xu S., Tan G., Yin X., Yang R. Radiative sky cooling: Fundamental principles, materials, and applications // Applied Physics Reviews. 2019. Vol. 6, № 2. 021306. DOI: 10.1063/1.5087281.
5. Beysens D. A review: dew water collection from radiative passive collectors to recent developments of active collectors // Sustainable Water Resources Management. 2015. Vol. 1.
6. Haechler I., Park H., Schnoering G., Gulich T., Rohner M., Tripathy A., Milionis A., Schutzius T.M., Poulikakos D. Exploiting radiative cooling for uninterrupted 24-hour water harvesting from the atmosphere // Science Advances. 2021. Vol. 7, № 26. eabf3978. DOI: 10.1126/sciadv.abf3978.
7. Li W., Dong M., Fan L., John J.J., Chen Z., Fan S. Nighttime radiative cooling for water harvesting from solar panels // ACS Photonics. 2021. Vol. 8, № 1. P. 269–275. DOI: 10.1021/acsphotonics.0c01471.
8. Li R., Shi Y., Wu M., Hong S., Wang P. Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle // Nature Sustainability. 2020. Vol. 3. P. 636–643. DOI: 10.1038/s41893-020-0535-4.
9. Wang P., Li R., Shi Y. System and method for cooling photovoltaic panel with atmospheric water: пат. US 11,728,766 B2. Заявл. 17.09.2019; опубл. 15.08.2023.
10. Skoplaki E., Palyvos J.A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations // Solar Energy. 2009. Vol. 83, № 5. P. 614–624. DOI: 10.1016/j.solener.2008.10.008.
11. Gayoso A., Moylan T., Noha N., Wang X., Mulchandani A. Techno-economic analysis of atmospheric water harvesting across climates // ACS ES&T Engineering. 2024. Vol. 4, № 7. P. 1769–1780. DOI: 10.1021/acsestengg.4c00098.
12. IRENA. Renewable Power Generation Costs in 2024. Abu Dhabi: International Renewable Energy Agency, 2025.
13. Kim H., Yang S., Rao S.R., Narayanan S., Kapustin E.A., Furukawa H., Umans A.S., Yaghi O.M., Wang E.N. Water harvesting from air with metal-organic frameworks powered by natural sunlight // Science. 2017. Vol. 356, № 6336. P. 430–434. DOI: 10.1126/science.aam8743.
14. Shourideh A.H., Ajram W.B., Al Lami T., Haggag S., Mansouri A. A comprehensive study of an atmospheric water generator using Peltier effect // Thermal Science and Engineering Progress. 2018. Vol. 6. P. 297–305.