تحليل انتقالي يومي لوحدة متكاملة تعمل بالطاقة الشمسية للتقطير بالتلامس المباشر لإنتاج المياه العذبة والكهرباء بالتشارك

تحويل ضوء الشمس إلى مياه شرب

بالنسبة للعديد من المجتمعات، غالبًا ما تُترك حاجتان أساسيتان دون تلبية معًا: مياه شرب آمنة وكهرباء موثوقة. تستكشف هذه الدراسة جهازًا مدمجًا يتعامل مع المشكلتين باستخدام ضوء الشمس وحده. من خلال الجمع بين الألواح الشمسية ووحدة تنقية مياه خاصة، يمكن للنظام إنتاج الكهرباء وإنتاج مياه عذبة في آن واحد من مصادر مالحة أو ملوحة — دون وقود أو آلات معقدة أو اتصال بالشبكة.

ترتيب شمسي واحد، مخرجان مفيدان

في صميم التصميم توجد مجمّع شمسي هجين يعرف باسم لوحة كهرضوئية-حرارية (PVT). على عكس اللوحة الشمسية التقليدية التي تحول جزءًا فقط من طاقة الشمس إلى كهرباء وتهدر الباقي على شكل حرارة، يلتقط هذا المجمّع كلا الشكلين من الطاقة. ينتج الطبق الأمامي للوحة الكهرباء، بينما يمتص صفيحة معدنية وقنوات مائية خلفها الحرارة المتبقية. تُرسل تلك المياه المسخنة مباشرة إلى وحدة تحلية تسمى وحدة التقطير بالغشاء بالتلامس المباشر (DCMD). بهذه الطريقة، يصبح سطح واحد معرض للشمس بمثابة محطة توليد مشتركة صغيرة، توفر كلًا من الطاقة والمياه المصفّاة للمستخدمين خارج الشبكة.

كيف يجعل الفلتر الخفي الماء آمنًا

تعمل وحدة DCMD وفق مبدأ فيزيائي بسيط بدلاً من الضغط العالي أو المواد الكيميائية. يتدفق ماء ملحي دافئ على جانب واحد من غشاء رقيق مسامّي كاره للماء، بينما يتدفق ماء نظيف أبرد (أو ماء مُقطر سابقًا) على الجانب الآخر. نظرًا لأن أحد الجانبين أكثر سخونة، تميل جزيئات الماء إلى التبخر من التيار الدافئ، والمرور كبخار عبر مسام الغشاء الصغيرة، ثم التكثف مرة أخرى إلى سائل على الجانب الأبسط. هذه العملية تمنع مرور الملح والشوائب الأخرى لأنها إما كبيرة جدًا أو غير متطايرة بما يكفي للعبور، فتتبقى في ماء التغذية. النتيجة هي مُقطر عالي النقاء على الجانب البارد ومحلول ملحي أكثر تركيزًا على الجانب الساخن، وكل ذلك مدفوع بفروق درجات الحرارة التي تخلقها الشمس.

مطاردة أفضل الزوايا والتدفقات

لم يكتفِ الباحثون برسم المفهوم؛ بل بنوا نموذجًا حاسوبيًا مفصلًا لتتبّع سلوك النظام ساعة بساعة على مدار يوم مشمس. باستخدام بيانات الطقس الحقيقية، درسوا كيف يؤثر ميل المجمّع الشمسي وزوايا لوحين معدنيين عاكسين على إجمالي ضوء الشمس الملتقط. أدى تعديل هذه الزوايا إلى تغيير كمية الإشعاع المنعكسة على سطح PVT، ما غيّر التوازن بين إنتاج الطاقة وإنتاج المياه. كما نوّعوا في مساحة المجمّع الشمسي ومعدّل دوران المياه خلاله. جامع أكبر دفأ مياه التغذية أكثر وزاد بشكل حاد من إنتاج المياه العذبة اليومي — من نحو 6.4 كيلوجرام يوميًا عند 0.5 متر مربع إلى 54.1 كيلوجرام يوميًا عند 2 متر مربع — لكن ذلك رفع أيضًا درجات التشغيل وفقدان الحرارة، مما خفّض الكفاءة الإجمالية.

موازنة المزيد من الماء مقابل كفاءة أفضل

قدّم معدل تدفق المياه عبر المجمّع مقبض تحكّم مهمًا ثانيًا. عندما كان التدفق منخفضًا، بقي الماء داخل اللوحة لفترة أطول، فأصبح أكثر سخونة، وعزّز قوة الدافع للتبخر في وحدة DCMD، مما أفرز المزيد من الماء المقطر. ومع ذلك، عملت الخلايا الشمسية نفسها عند حرارة أعلى، مما أضر بكفاءتها الكهربائية. عند زيادة التدفق، برّدت المياه المتداولة الخلايا الشمسية بشكل أكثر فعالية، فارتفعت الكفاءات الكهربائية والحرارية لكنها قدّمت ماء تغذية أبرد لوحدة الغشاء، فقلّ إنتاج المياه العذبة. بالنسبة للتصميم المحدد الذي دُرِس، وجد المؤلفون أن مساحة مجمّع حول 1.0–1.5 متر مربع ومجرى تغذية بين 0.003 و0.004 كيلوجرام في الثانية قدّم توازنًا معقولًا بين إنتاج الماء وأداء الطاقة.

ماذا يعني هذا للمناطق العطشى خارج الشبكة

تحت الإعدادات الأساسية مع مجمّع مساحته 1.5 متر مربع، أنتج النظام نحو 18.7 كيلوجرامًا من الماء العذب يوميًا وحقق كفاءة طاقة إجمالية تقارب 36%، مع وصول قسم PVT وحده إلى نحو 43% كفاءة حرارية. والأهم أن هذه القيم أُحْصِيت تحت ضوء شمس واقعي متغير بدلاً من ظروف مخبرية مثالية، ودون الاعتماد على عدسات ضخمة أو أنظمة تتبع أو مضخات تفريغ. بالنسبة للأشخاص الذين يعيشون في مناطق مشمسة لكنها تفتقر للبنية التحتية، يمكن توسيع مثل هذا النظام البسيط والوحدي عن طريق إضافة وحدات أكثر لتلبية الطلب المحلي. وبينما يجب أن تتناول الأعمال المستقبلية التلوث التدريجي للأغشية والتكاليف والتأثيرات البيئية على المدى الطويل، تُظهر هذه الدراسة أن التوليد المشترك الشمسي المضبوط بعناية يمكنه تحويل ضوء الشمس العادي إلى مياه نقية وطاقة موثوقة باستخدام معدات بسيطة.

الاستشهاد: Salavat, A.K., Ziapour, B.M. Daily transient analysis of an integrated solar-driven direct contact membrane distillation for cogeneration production of freshwater and electricity. Sci Rep 16, 10564 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44630-1

الكلمات المفتاحية: تحلية بالطاقة الشمسية, حراري-كهرضوئي, تقطير بالغشاء, التوليد المشترك, ندرة المياه العذبة