مقطرة شمسية ذات انحدارين قابلة للتوسع ومستدامة: تقييم تجريبي شامل للطاقة والإكسيرجي والاقتصاد والبيئة والتحسس وأداء المقطر

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب آمنة

بالنسبة للعديد من المناطق الساحلية والجافة، تتوفر مياه البحر بكثرة بينما تكون مياه الشرب نادرة. يمكن لمحطات التحلية الكبيرة أن تحول المياه المالحة إلى مياه عذبة، لكنها مكلفة وغالبًا ما تعتمد على الوقود الأحفوري. يستكشف هذا البحث جهازًا صغيرًا وتقنيًا بسيطًا يُعرف بالمقطرة الشمسية، التي تستخدم ضوء الشمس بهدوء لصنع مياه نظيفة. أعاد الباحثون تصميم نوع شائع من المقطرات بحيث لا ينتج ماءً عذبًا أكثر فحسب، بل يخزن الحرارة ويولد كهرباء في الوقت نفسه، مما يقدم خيارًا جذابًا للقرى والمنازل خارج الشبكة.

صندوق بسيط يحاكي دورة الماء

المقطرة الشمسية الأساسية هي في الجوهر صندوق ضحل مملوء بمياه مالحة أو متسخة مغطى بصفيحة زجاج مائلة. تقوم أشعة الشمس بتسخين الماء فيتبخر. يتكثف البخار على الجانب الداخلي الأكثر برودة من الزجاج ويتجمع في مزلق منفصل كماء مُنقَّى، تمامًا مثل المطر الطبيعي. المقطرات ذات الانحدارين المزدوجين، التي تحتوي على جانبي زجاج مائلين، تجمع المزيد من المكثفات لكنها لا تزال تهدر الكثير من طاقة الشمس الواردة كحرارة غير مستغلة. كما أنها تعمل بشكل جيد فقط في الشمس الساطعة خلال النهار، مما يقيد إنتاجها الإجمالي. السؤال المركزي في هذه الورقة هو كيفية التقاط المزيد من تلك الطاقة المهدرة والحفاظ على إنتاجية المقطرة لساعات أطول دون إضافة آلات معقدة.

ترقية المقطرة بألواح شمسية وتخزين حراري

بنى الفريق مقطرتين متماثلتين ذات انحدارين مزدوجين في جنوب الهند: واحدة بنسخة قياسية وواحدة أعادوا بناؤها وسمّوها المقطرة الشمسية ذات الانحدارين المعاد بناؤها. على الوحدة المطورة، يجلس لوح شمسي صغير مباشرة فوق أحد الزجاجين المائلين. يحول هذا اللوح ضوء الشمس إلى كهرباء تُرسل فورًا إلى عنصر تسخين بسيط موضوع في خزان قريب لمياه التغذية المالحة. مع تقدم النهار، يقوم هذا السخان بتسخين المياه الداخلة قبل دخولها الحوض. في الوقت نفسه، يعمل كتلة من شمع البارافين تحت الحوض كبطارية حرارية. يذوب الشمع أثناء امتصاصه للحرارة الفائضة خلال أشد فترات الشمس سطوعًا ثم يطلق هذه الحرارة ببطء لاحقًا في فترة بعد الظهر والمساء، مما يحافظ على دفء ماء الحوض حتى مع تناقص ضوء الشمس.

كيف يعزز التصميم الجديد إنتاج الماء

قد يبدو وضع لوح شمسي فوق المقطرة غير منطقي لأنه يخلق ظلًا ويقلل الضوء الواصل إلى الحوض. بين الباحثون أن المكاسب تفوق هذا العيب. تُغذى الكهرباء من اللوح إلى السخان الذي يرفع درجة حرارة ماء التغذية قبل دخوله الحوض. هذا الماء الأكثر دفئًا يتبخر بسهولة أكبر، ويبطئ شمع البارافين تبريد الحوض مع نهاية اليوم. في اختبارات من الصباح إلى المساء، وصلت المقطرة المطورة إلى درجات حرارة ماء تزيد عن 60 °م ودرجات حرارة الهواء–البخار فوق 63 °م، وهي أعلى بكثير من التصميم القياسي. كنتيجة لذلك، أنتجت المقطرة المعاد بناؤها ما يقرب من ضعف كمية المياه العذبة — نحو 4.9 لترات لكل متر مربع يوميًا مقارنة بحوالي 2.5 لتر للوحدة التقليدية.

توفير في الطاقة، تكاليف أقل، وهواء أنظف

بعيدًا عن إنتاج الماء فقط، تتبع الدراسة مدى كفاءة كل جهاز في استخدام ضوء الشمس المتاح. حوّلت المقطرة المطورة حصة أكبر من طاقة الشمس إلى تبخر مفيد وكهرباء، مع تحسن أداء الطاقة الكلي بنحو 44% وارتفاع مماثل في جودة الديناميكا الحرارية. اقتصاديًا، رغم أن النظام الجديد يكلف أكثر في البناء، كان تكلفته لكل لتر ماء أقل بحوالي 17%، وكانت فترة الاسترداد أقصر — بضعة أشهر فقط وفق افتراضات الاختبار. وبما أن المقطرات تعمل بالطاقة الشمسية بدلًا من شبكات الكهرباء أو الديزل، قدر الباحثون أيضًا مقدار انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي يمكن تجنبها. على مدار عمر افتراضي لمدة 10 سنوات، توقعوا أن التصميم الجديد سيمنع تقريبًا ضعف كمية CO₂ مقارنة بالمقطرة القياسية، وزيادة عمرها أدت إلى نمو كبير في هذه المكاسب البيئية والمالية.

من مياه تغذية مالحة إلى مياه شرب آمنة

أخيرًا، حلل الفريق جودة المياه المقطرة من كلا المقطرتين. حوّلت مياه التغذية المالحة التي بدأت بمستويات عالية من الأملاح والشوائب إلى مياه نقية جدًا، متوافقة بسهولة مع معايير الشرب الدولية. أنتجت المقطرة المعاد بناؤها مياهًا أنقى قليلًا من النسخة القياسية، مؤكدة أن التسخين الإضافي والتخزين الحراري لم يؤثرا سلبًا على النقاء. مجتمعة، تُظهر النتائج أن الجمع بين مقطرة حوض بسيطة ولوح شمسي صغير وسخان كهربائي أساسي وكتلة شمع يمكن أن يحول مزيدًا من طاقة الشمس إلى مياه نظيفة وطاقة مفيدة. للمجتمعات النائية ذات الشمس الوفيرة والبنية التحتية المحدودة، يمكن أن تقدم هذه الأنظمة المدمجة قليلة الصيانة مسارًا عمليًا نحو مياه شرب آمنة وتوليد طاقة محلية متواضعة.

الاستشهاد: Dhivagar, R., Jidhesh, P., Kim, S.C. et al. Sustainable and scalable double slope solar still: a comprehensive experimental assessment of energy, exergy, economic, environmental, sensitivity and distillate performance. Sci Rep 16, 11168 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40989-3

الكلمات المفتاحية: تحلية المياه بالطاقة الشمسية, مقطرة شمسية, مادة تغير الطور, مياه خارج الشبكة, الطاقة المتجددة