跳到主要內容
:::

提高偏遠地區農業產量,以色列理工學院開發一種僅由太陽能驅動的抽水系統

以色列理工學院的研究團隊開發了一種僅需依靠太陽能驅動的獨特抽水系統,致力於提高偏遠地區的農業產量。這項太陽能驅動的抽水系統不需要電源,由簡單且便宜的零件組成,目前建造的原型已在以色列理工學院展示其針對乾旱和偏遠地區的水井抽水效率。

 

位於東非的衣索比亞是農業國家,該國許多地區長年遭受乾旱和缺乏可用水源的困擾。2013年Technion與衣索比亞北部的 Mek'ele Kristos 村建立了第一次合作,由Mark Talesnick教授帶領的工程師無國界團隊(EWB, Engineers Without Borders)的其中一項計畫。他們在村里的第一個專案由15位以色列理工學院學生和當地的社區成員參與,目的是在當地學校建立雨水儲存系統。該系統將為學校有效提供飲用水,無需讓村里的孩子為了取水而犧牲學業。

 

目前的熱聲幫浦(thermoacoustic pump)計畫於2019年Mauerberger基金會的非洲創新科技研究獎設立後誕生,其獎金高達50萬美元。第一輪決賽的入圍者中有兩組獲選:第一組是來自以色列理工學院和南非的一組研究團隊,由以色列理工學院土木與環境工程學院的Guy Ramon教授、Mark Talesnick教授和Yehuda Agnon教授和南非西開普大學的 Lesley Petrick帶領;另一入圍者則是來自以色列內蓋夫本古里安大學的一組研究團隊。Ramon教授表示這項研究為他們提供了將實驗室開發的技術造福當地社區的獨特機會,它更觸發了幾個不同的思考方向:從空氣中提取水、水質淨化的考量等,但對他們來說了解哪些技術會產生最有效的變化及影響力是很重要的。以色列理工學院的研究團隊對當地社區進行深入調查,獲知社區最迫切的需求和對村民生活質量貢獻最大的解決方案是從水井裡抽水。以色列研究人員了解到衣索比亞大多數水井都不能用於農業,因為沒有抽水裝置或抽水裝置早已損壞,解決這個問題將帶來關鍵性的改變。

 

衣索比亞最受歡迎的農作物是一種稱作苔麩(teff)的穀物,可以製作各種食物且衣索比亞佔全世界90%的苔麩產量。Talesnick教授解釋,在Mek'ele Kristos地區種植苔麩的一個問題在於缺乏充足的農業水資源,這種作物因為僅依靠雨水生長每年只能收穫一次;引自水井的灌溉水每年至少可以增加一個生長周期。因此這項計畫的挑戰在於開發一種簡單、便宜且耐用的抽水裝置,且不需要額外的電源或燃料。

 

以色列理工學院開發的系統是透過熱聲發動機,這是一種沒有活塞或其他運動零件的發動機。Guy Ramon教授從他在以色列理工學院博士班以來就對這種發動機裝置很感興趣,其指導教授為土木與環境工程學院Yehuda Agnon教授。熱力發動機,例如汽車中的汽油引擎,依靠氣體的壓縮和膨脹運行。活塞壓縮燃料和空氣中的混合物,火花再將其點燃,氣體的快速膨脹將活塞推回並推動車輪;此類發動機包含許多運動零件,這增加其製造和維護成本。然而熱聲發動機並沒有上述任何的運動零件,以色列理工學院開發的引擎看起來像是一個錐形管,可用作聲學共鳴器;其較寬的一端吸收太陽光並加熱該區域的氣體,熱氣將沿著管道膨脹並在該區域冷卻與收縮。根據Agnon教授的說法,這種間歇性的作用會導致熱聲不穩定性,簡而言之就是聲波。在許多情況下,熱聲不穩定性並不利於發動機的運作,像是其在噴氣發動機和火箭發動機的影響會導致內部結構損壞。然而這種現象在這裡被利用來操作發動機,聲波就像一種移動的活塞,能夠產生不連續的脈衝。

 

工程師Avishai Meir表示,完成目前原型的規劃和建造過程花費大約一年半的時間,希望近期就能在實驗室外的太陽光下展示該系統。這項設備由便宜且方便的零件組成—散熱器零件、可回收塑膠材料和金屬管等。目前的想法是針對衣索比亞進行測試,但這個概念也可以在任何地方實施,不僅在沒有正常電力供應的偏遠地區,在西方世界也同樣適用。Ramon教授補充解釋,我們正在開發除了抽水之外的其他廣泛用途,例如冷卻(冰箱和冷氣,其中聲波取代了壓縮機)、通風、發電、水質淨化等系統。這就是為什麼我們相信這一技術不僅會提升Mek'ele Kristos的生活品質,更會為許多水電供應不足的地方帶來改變,同時減少我們對電力進行空間冷卻的依賴。

 

資料來源:

https://www.technion.ac.il/en/2022/05/solar-water-pump/

更新日期 : 2022/07/12