النمذجة العابرة وتقييم الأداء لنظام تحلية يعمل بالطاقة الشمسية مع تخزين بمواد تحول الطور

تحويل ضوء الشمس إلى ماء صالح للشرب

بالنسبة لملايين الأشخاص الذين يعيشون في مناطق حارة وجافة، قد تتوفر مياه البحر أو المياه الجوفية المالحة بالجوار، لكن المياه الآمنة للشرب نادرة. تستعرض هذه الدراسة جهازًا مدمجًا يعمل بالطاقة الشمسية يمكنه تحويل المياه المالحة إلى مياه عذبة دون الاعتماد على شبكة الكهرباء. عن طريق تخزين حرارة النهار في مواد «شمعية» خاصة، يواصل النظام إنتاج المياه العذبة حتى بعد غروب الشمس، مما يوفر خيارًا واعدًا للمجتمعات النائية والمساكن خارج الشبكة.

كيف يعمل النظام البسيط ذو الصندوقين

يبنى جهاز التحليّة حول صندوقين رئيسيين: مرطّب ومجفف، مرتبطين بسخان مياه شمسي مسطح. في المرطّب، ينفخ مروحة الهواء عبر حشوة مبللة فيلتقط الهواء بخار الماء، تمامًا كما يحدث في حمام دافئ بعد دش ساخن. ينتقل هذا الهواء الدافئ والرطب إلى المجفف حيث يُبرَّد على أسطح معدنية فيتكثف البخار إلى قطرات من الماء العذب. تُسخَّن المياه المالحة التي وفرت البخار في مجمّع شمسي على السطح ثم تُعاد دورة تداولها، مكوِّنة حلقة مغلقة تحول حرارة الشمس إلى ماء نظيف.

تخزين حرارة النهار في مواد شمعية-like

العنصر الأساسي في هذا التصميم هو إضافة مواد تغيير الطور (PCM) إلى المجمّع الشمسي. تتصرف هذه المواد مثل شمع خاص يذوب عند درجات حرارة مختارة—هنا، حول 45 °م و60 °م. عند ذوبانها خلال النهار، تمتص كميات كبيرة من الحرارة دون أن ترتفع درجة حرارتها كثيرًا، وعند تبريدها وتصلبها لاحقًا، تطلق تلك الحرارة ببطء. يدرج الباحثون عدة طبقات رقيقة من PCM تحت لوحة الامتصاص في المجمع الشمسي، بحيث يستمر المجمع في تزويد المرطّب بمياه دافئة حتى عندما يضعف ضوء الشمس.

متابعة النظام على مدار اليوم

باستخدام نموذج حاسوبي مفصل، تتبع المؤلفون تغيرات درجات الحرارة وإنتاج الماء ساعة بساعة. في الصباح، عندما يكون ضوء الشمس ضعيفًا، ينتج النظام نحو 2.1 لتر من الماء العذب في الساعة. مع اشتداد الشمس وتسخين المجمع للماء إلى نحو 45–55 °م، يرتفع الإنتاج إلى ما يقرب من 3.9 لتر في الساعة. بدون تخزين حراري، سينخفض الإنتاج بسرعة في فترة ما بعد الظهر المتأخرة مع تبريد المجمع. مع وجود PCM، يتدفق الحرار المخزن عائدًا إلى حلقة المياه ودارة الهواء، ميسّرًا انخفاض درجة الحرارة ومؤخرًا النقطة التي يتوقف فيها النظام عن إنتاج كميات مفيدة من الماء العذب.

لماذا المساء أهم من ذروة النهار

يُظهر النموذج أن PCM لا تعزز ذروة إنتاج الماء في منتصف النهار؛ فهذه الذروة محددة بالفعل بشدة ضوء الشمس. بدلًا من ذلك، تعمل PCM كبطارية حرارية تمدد ساعات التشغيل. بعد حوالي الساعة 3 عصرًا، تفقد الأنظمة دون PCM فرق درجة الحرارة الدافعة بسرعة وتتوقف قبل الغروب. بالمقابل، تواصل الأنظمة المزودة بـPCM إنتاج كميات أصغر لكن مستقرة من الماء حتى وقت مبكر من الليل. على مدار اليوم الكامل، يؤدي هذا التمديد إلى زيادة إجمالي إنتاج المياه العذبة بنحو 10.5 بالمئة. يؤدّي مادتان مختلفتان للـPCM، بنقاط انصهار 45 °م و60 °م، أداءً متشابهًا بشكل عام، لكن المادة ذات درجة الحرارة الأدنى تطلق حرارتها تدريجيًا أكثر، مما يمنح استقرارًا طفيفًا أكبر في المخرجات المسائية.

ما يعنيه هذا لمناطق الجفاف العطشى

من منظور القارئ العادي، الخلاصة بسيطة: بإضافة «شمع» مخزن للحرارة غير مكلف إلى جهاز تقطير شمسي بسيط يعتمد على الهواء الرطب والتكاثف، يمكنك الاستمرار في إنتاج مياه عذبة لساعات بعد بداية غروب الشمس. يشير النموذج المدقق بعناية في الدراسة إلى أن مثل هذا النظام المدمج منخفض الحرارة قد يخدم مجتمعات صغيرة بعيدة عن خطوط الكهرباء، محولًا ضوء الشمس والمياه المالحة المتاحة إلى إمداد يومي أكثر موثوقية من مياه الشرب. ستحتاج التجارب المستقبلية ودراسات التكلفة لإثبات ذلك عمليًا، لكن المفهوم يشير إلى طريقة عملية ومنخفضة التقنية لجعل كل ساعة من أشعة الشمس تخدم أمن المياه.

الاستشهاد: Mohammad, S.I., Jawad, M., Vasudevan, A. et al. Transient modeling and performance evaluation of a solar-driven HDH desalination system with phase change material storage. Sci Rep 16, 5745 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x

الكلمات المفتاحية: تحلية بمصدر شمسي, ندرة المياه العذبة, مواد تغيير الطور, تخزين الطاقة الحرارية, الترطيب وإزالة الترطيب