ניתוח יומי חולף של התהליך המשולב מונע-שמשית למיצוק ממברני במגע ישיר לצורך ייצור משותף של מים מתוקים וחשמל

הפיכת קרני השמש למי שתייה

בעבור קהילות רבות, שתי צרכים בסיסיים לעתים קרובות אינם מסופקים בו‑זמנית: מים בטוחים לשתייה וחשמל אמין. המחקר בוחן מכשיר קומפקטי המתמודד עם שתי הבעיות באמצעות קרינת השמש בלבד. על ידי שילוב לוחות סולאריים עם יחידת טיהור מים מיוחדת, המערכת יכולה לייצר בבת אחת חשמל ולספק מים מתוקים ממקורות מלוחים או מליחים — ללא דלק, מכניות מסובכת או חיבור לרשת.

מתקנים סולאריים יחיד — שתי תוצרות שימושיות

בלב התכנון עומד אוספן סולארי היברידי הידוע כפאנל פוטו-וולטאי-תרמי (PVT). שלא כמו פאנל סולארי סטנדרטי הממירה רק חלק מאנרגיית השמש לחשמל ומשאירה את היתר כחום מבוזבז, האוספן הזה לוכד את שניהם. השכבה הקדמית של הפאנל מייצרת חשמל, בעוד צלחת מתכת וערוצי מים מאחוריה סופגים את החום העודף. המים המחוממים נשלחים ישירות ליחידת התפלה הנקראת מיתוך ממברני במגע ישיר (DCMD). כך, משטח יחיד החשוף לשמש מתפקד כתחנת ייצור משולבת קטנה, המספקת גם כוח חשמלי וגם מים מטוהרים למשתמשים שאינם מחוברים לרשת.

כיצד המסנן הנסתר הופך מים לבטוחים

יחידת ה‑DCMD פועלת על רעיון פיזיקלי פשוט במקום לחץ גבוה או כימיקלים. מים מלוחים מחוממים זורמים בצד אחד של ממברנה דקה, נקבובית ודוחה מים, בעוד בצד השני זורם מים נקיים קרירים יותר (או מים מזוקקים קודמים). מכיוון שאחד הצדדים חם יותר, מולקולות המים נוטות להתאדות מהזרם החם, לעבור כאדי מים דרך הנקבים הזעירים של הממברנה ולהעבות בחזרה לנוזל בצד הקריר. המלח ושאר המזהמים גדולים מדי או אינם נוטים להתאדות מספיק כדי לעבור, ולכן נשארים במזין. התוצאה היא מזוקק בעל טוהר גבוה בצד הקר והתקשות תמיסת מלחים מרוכזת יותר בצד החם, הכל מונע על ידי הפרשי טמפרטורה שנוצרים מהשמש.

רודפים אחר הזוויות וטווחי הזרימה הטובים ביותר

החוקרים לא הסתפקו ברעיון בלבד; הם בנו מודל מחשב מפורט למעקב אחרי התנהגות המערכת שעה אחר שעה במהלך יום שמשי. באמצעות נתוני מזג אוויר אמיתיים הם בחנו כיצד שיפוע האוספן הסולארי וזוויות שני לוחות מתכת מבהירים משפיעים על סך הקרינה הנלכדת. שינוי הזוויות שינה כמה קרינה הוחזרה על פני שטח ה‑PVT, מה שהזיז את האיזון בין תפוקת החשמל לייצור המים. הם גם שונותו את שטח האוספן ואת קצב סירקולציית המים דרכו. אוסף אוספן גדול יותר חימם יותר את מי המזין והגביר באופן חד את תפוקת המים היומית — מכ־6.4 קילוגרם ליום ב־0.5 מ״ר ועד 54.1 ק״ג ליום ב־2 מ״ר — אך הדבר גם העלה את טמפרטורות ההפעלה ואת אובדני החום, שהורידו את היעילות הכוללת.

לאזן בין יותר מים לבין יעילות טובה יותר

קצב הזרימה של המים דרך האוספן סיפק בקרה חשובה נוספת. כאשר הזרימה נמוכה, המים נשארים בפאנל זמן רב יותר, מתחממים חזק יותר ומגבירים את כוח ההנעה לאידוי ביחידת ה‑DCMD, מה שמניב יותר מים מזוקקים. אולם תאי השמש עצמם התחממו יותר, ופגעו ביעילות החשמלית שלהם. בהעלאת הזרימה, המים הסירים חום מהתאים בצורה יעילה יותר, מה שעלה את היעילות החשמלית והתרמית אך סיפק מים קרים יותר ליחידת הממברנה והקטין את תפוקת המים. בעבור התכנון הספציפי שנחקר, המחברים מצאו ששטח אוספן סביב 1.0–1.5 מ״ר וזרימת מזין בין 0.003 ל־0.004 ק״ג לשנייה הציעו פשרה סבירה בין ייצור מים לביצועי האנרגיה.

מה משמעות הדבר לאזורים צמאים וללא רשת

בתנאי בסיס עם אוספן בגודל 1.5 מ״ר, המערכת ייצרה כ־18.7 קילוגרם מים מתוקים ביום והשיגה יעילות אנרגטית כוללת של בערך 36%, כאשר מקטע ה‑PVT לבדו הגיע לכ־43% יעילות תרמית. חשוב לציין שהערכים הללו התקבלו בתנאי שמש משתנה וריאליים ולא בתנאי מעבדה אידיאליים, וללא תלות בעדשות מרחיבות, מערכות עקיבה או משאבות ואקום מתוחכמות. עבור אנשים החיים באזורים שטופי שמש אך דלים בתשתיות, התקנה פשוטה ומודולרית כזו יכולה להיות מוגדלת על ידי הוספת יחידות נוספות כדי לענות על הביקוש המקומי. בעוד שעבודות עתידיות חייבות עדיין להתייחס לפסולת וריכוזיות ממברנות לטווח הארוך, עלויות והשפעות סביבתיות, המחקר ממחיש כי ייצור משולב סולארי מכוון היטב יכול להפוך אור שמש פשוט לשני משאבים חיוניים — מים נקיים וחשמל מהימן — באמצעות חומרה פשוטה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: התפלת מים סולארית, פוטו-וולטאי תרמי, מיתוך ממברני, ייצור משותף, מצוקת מי שתייה