تحلية المياه بالطاقة الشمسية

تحلية المياه بالطاقة الشمسية هي تقنية لتحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية. هناك طريقتان أساسيتان لتحقيق تحلية المياه باستخدام هذه التقنية. مباشر و غير مباشر.

الطرق

في الطريقة المباشرة, المجمع الشمسي solar collector)) مقرون بآلية التقطير ويتم تنفيذ العملية في دورة واحدة بسيطة
[1] Solar stills  من هذا النوع في أدلة البقاء على قيد الحياة، المنصوص عليها في مجموعات البقاء على قيد الحياة البحرية، وتستخدم في العديد من محطات التحلية الصغيرة وتقطير. إنتاج المياه بالطريقة المباشرة التقطير الشمسي يتناسب مع مساحة السطح الشمسي وزاوية حدوثه، ويقدر متوسط قيمته 3-4L / m2 / يوم. [2] وبسبب هذا التناسب والتكلفة المرتفعة نسبيا للممتلكات والمواد للبناء تقطير طريقة مباشرة يميل إلى تفضيل النباتات ذات القدرات الإنتاجية أقل من 200m3 / يوم
[2] وبسبب هذا التناسب والتكلفة المرتفعة نسبيا للممتلكات والمواد للبناء، فإن تقطير الطريقة المباشرة يميل إلى تفضيل النباتات ذات الطاقة الإنتاجية أقل من 200 م 3 / يوم.
وتستخدم التحلية الشمسية غير المباشرة نظامين منفصلين؛ مجموعة تجميع الطاقة الشمسية، تتكون من المجمعات الحرارية الضوئيةphotovoltaic   و / أو السوائل، ومحطة تحلية تقليدية منفصلة.
[1] ويعتمد الإنتاج بطرق غير مباشرة على كفاءة المصنع وتخفض تكلفة الوحدة المنتجة عموما بزيادة في الحجم. وقد تم تحليل العديد من الترتيبات النباتية المختلفة نظريا، واختبارها تجريبيا وفي بعض الحالات المثبتة. وهي تشمل، على سبيل المثال لا الحصر، الترطيب المتعدد التأثير (multiple-effect humidification (MEH
والتقطير بالوميض متعدد المراحل(multi-stage flash distillation (MSF
 والتقطير المتعدد التأثير multiple-effect distillation (MED) والغليان المتعدد التأثير (multiple-effect boiling (MEB
والترطيب والتجفيف (humidification–dehumidification HDH)                
 والأسموزية العكسية reverse osmosis)  RO)  وتجميد تأثير التقطير.
أما أنظمة التحلية الشمسية غير المباشرة باستخدام الألواح الكهروضوئية والتناضح العكسي فقد كانت متاحة تجاريا وتستخدم منذ عام 2009. ويصل الإنتاج بحلول عام 2013 إلى 1600 ليتر (420 US gal) في الساعة لكل نظام و 200 لتر في اليوم لكل متر مربع من لوحة
pv panel. [4] [5] ومن المخطط نظم البلدية. [6] تم تزويد  
Utirik    Atoll في المحيط الهادئ بالماء العذب بهذه الطريقة منذ عام 2010.

التاريخ

وقد استخدمت البشرية طرق التقطير الشمسي لآلاف السنين. من أوائل البحارة اليونانيين إلى الخيميائيين الفارسيين، تم استخدام هذه التقنية الأساسية لإنتاج المياه العذبة والمقطرات الطبية. وكانت اللقطات الشمسية هي في الواقع الطريقة الأولى المستخدمة على نطاق واسع لمعالجة المياه الملوثة وتحويلها إلى شكل قابل للشرب. [2]
في عام 1870 تم منح أول براءة اختراع أمريكية لجهاز التقطير الشمسي إلى نورمان ويلر والتون إيفانز
(Norman Wheeler and Walton Evans)
 [8] بعد عامين في لاس ساليناس Las Salinas, ، يلي، تشارلز ويلسون، مهندس سويدي، بدأ في بناء طريقة مباشرة محطة التقطير بالطاقة الشمسية لتوفير المياه العذبة للعمال في منقار الملح والفضة. عملت بشكل مستمر لمدة 40 عاما، وأنتجت ما متوسطه 22.7 م 3 من الماء المقطر يوميا باستخدام النفايات السائلة الناتجة عن عمليات التعدين كمياه تغذية. [9].
التحلية الشمسية لمياه البحر والمياه الجوفية المالحة في الولايات المتحدة الحديثة تمتد إلى أوائل 1950s عندما أصدر الكونغرس قانون تحويل المياه المالحة، مما أدى إلى إنشاء مكتب المياه المالحة في عام 1955. وكانت المهمة الرئيسية أوسو كان وإدارة الأموال لأغراض البحث والتطوير في مشاريع تحلية المياه [10]. واحدة من خمسة محطات مظاهرة شيدت يقع في دايتونا بيتش، فلوريدا وكرس لاستكشاف طرق التقطير الشمسية. وكان العديد من المشاريع يهدف إلى حل قضايا ندرة المياه في المجتمعات النائية والصحراوية النائية [9]. في الستينيات والسبعينيات تم بناء العديد من محطات التقطير الشمسي الحديثة على الجزر اليونانية مع قدرات تتراوح بين 2000 إلى 8500 م 3 / يوم. [2] في عام 1984 تم بناء مصنع ميد في أبو ظبي بسعة 120 متر مكعب في اليوم ولا يزال قيد التشغيل. [9].
ومن بين 22 مليون متر مكعب من المياه العذبة التي يتم إنتاجها يوميا من خلال عمليات تحلية المياه في جميع أنحاء العالم، يتم استخدام أقل من 1٪ باستخدام الطاقة الشمسية. [2] الأساليب السائدة لتحلية المياه، منظمة أطباء MSF , RO، هي مكثفة للطاقة وتعتمد بشكل كبير على الوقود الأحفوري. [3] وبسبب الطرق غير المكلفة لتسليم المياه العذبة وموارد طاقة منخفضة التكلفة وفيرة، فإن التقطير الشمسي قد اعتبر، حتى هذه النقطة، تكلفة باهظة وغير عملية [2]. وتشير التقديرات إلى أن محطات تحلية المياه التي تعمل بالوقود التقليدي تستهلك ما يعادل 203 ملايين طن من الوقود سنويا [2]. ومع اقتراب (أو مرور) إنتاج ذروة النفط، ستستمر أسعار الوقود الأحفوري في الازدياد مع هبوط تلك الموارد؛ ونتيجة لذلك ستصبح الطاقة الشمسية بديلا أكثر جاذبية لتحقيق احتياجات تحلية المياه في العالم [11].

أنواع تحلية المياه بالطاقة الشمسية

وهناك طريقتان رئيسيتان لتحقيق تحلية المياه باستخدام الطاقة الشمسية، من خلال تغيير المرحلة عن طريق المدخلات الحرارية، أو في مرحلة واحدة من خلال الفصل الميكانيكي. [12] ويمكن تحقيق تغير المرحلة (أو متعددة المراحل) إما عن طريق التقطير الشمسي المباشر أو غير المباشر. يتم إنجاز المرحلة الواحدة في الغالب باستخدام الخلايا الضوئية لإنتاج الكهرباء لدفع المضخات على الرغم من أن هناك طرق تجريبية يجري بحثها باستخدام جمع الطاقة الشمسية الحرارية لتوفير هذه الطاقة الميكانيكية [11].

تقطير فلاش متعدد المراحل (MSF)

Multi-stage flash distillation التقطير الفلاش متعدد المراحل هو أحد الطرق التقليدية السائدة لتغيير الطور لتحقيق تحلية المياه. وهو يمثل حوالي 45٪ من إجمالي طاقة التحلية العالمية و 93٪ من جميع الطرق الحرارية [2].
وقد تمت دراسة المشتقات الشمسية، وفي بعض الحالات نفذت في مصانع صغيرة ومتوسطة الحجم في جميع أنحاء العالم. وفي مارغريتا دي سافويا، يوجد في إيطاليا مصنع من (MSF)يتراوح عمره بين 50 و 60 مترا مكعبا في اليوم مع بركة شمسية تدرج الملوحة توفر الطاقة الحرارية وقدرة التخزين. في إل باسو، تكساس هناك مشروع مماثل في العملية التي تنتج 19 م 3 / يوم. وفي الكويت، تم بناء مرفق تابع (MSF) باستخدام جامعات الحوض الصغير المكافئ لتوفير الطاقة الحرارية الشمسية اللازمة لإنتاج 100 متر مكعب من المياه العذبة يوميا. [3] وفي شمال الصين هناك عملية تجريبية وتلقائية وغير مأهولة تستخدم 80 مترا مربعا من مجمعات الأنبوب الفراغي الشمسية إلى جانب توربينات الرياح كيلوواط (لدفع عدة مضخات صغيرة) لإنتاج 0.8 م 3 / يوم. [13]
وتظهر بيانات الإنتاج أن التقطير الشمسي التابع (MSF) لديها قدرة إنتاجية تتراوح ما بين 6-60 لتر / متر مربع / يوم مقابل الإنتاج القياسي
3 -4 لتر / متر مربع / يوم من الطاقة الشمسية. تعاني (MSF)من كفاءة ضعيفة جدا خلال فترات البدء أو انخفاض الطاقة. من أجل تحقيق أعلى مستوى من الكفاءة تتطلب (MSF) قطرات الضغط التي تسيطر عليها بعناية عبر كل مرحلة ومدخلات الطاقة ثابتة. ونتيجة لذلك، تتطلب التطبيقات الشمسية شكلا من أشكال تخزين الطاقة الحرارية للتعامل مع التداخلات السحابية، وأنماط الطاقة الشمسية المختلفة، والتشغيل الليلي، والتغيرات الموسمية في درجة حرارة الهواء المحيط. كما يزيد من قدرة تخزين الطاقة الحرارية يمكن تحقيق عملية أكثر استمرارا ومعدلات الإنتاج نهج أقصى قدر من الكفاءة [14].

محطة تحلية بئر بنيت في باكستان

وفي عام 1993، تم اختراع محطة لتحلية المياه في باكستان، تنتج 4 لترات من المياه للمتر المربع في اليوم الواحد، وهو ما لا يقل عن عشرة أضعاف إنتاجية من محطة تحلية شمسية أفقية تقليدية [15]. الهيكل هو برج رفع مصنوعة من الخرسانة، مع خزان في الأعلى. ويغطي النبات كله مع كوب من نفس الشكل، ولكن أكبر قليلا، مما يسمح للفجوة بين برج الاسمنت والزجاج.
يملأ الخزان بالماء المالح والماء من خزان خارجي، قطرة ماء قطرة يدخل الخزان الداخلي. المياه الزائدة من الخزان الداخلي يقطر على الجدران الاسمنتية من البرج، من أعلى إلى أسفل. من خلال الإشعاع الشمسي، تتبخر المياه على السطح الرطب وفي الخزان وتتكثف على السطح الداخلي للأسطوانة الزجاجية وتتدفق لأسفل على قناة استنزاف التجميع. وفي الوقت نفسه، تصب المياه المالحة المركزة من خلال استنزاف المياه المالحة [بحاجة لمصدر].
في هذه العملية يتم إضافة المياه المالحة الطازجة باستمرار إلى الجدران من أعلى البرج. وبعد التبخر، تسقط المياه المالحة المتبقية وتستنزف باستمرار. حركة المياه أيضا يزيد من طاقة الجزيئات ويزيد من عملية التبخر. الزيادة في ارتفاع البرج أيضا يزيد من الإنتاج [بحاجة لمصدر].
في حين أنه في النظام التقليدي المياه التي يتم شغلها تبقى في حالة توقف لمدة عدة أيام، يتم توفير مكثف في الجزء العلوي في مساحة معزولة، مما يسمح للمياه الباردة لتمرير من خلال المكثف. كما يتم طرح الأبخرة الساخنة المكثفة والماء الساخن من المكثف على جدار الإسمنت [بحاجة لمصدر].
وتبلغ قاعدة هذا النبات 3.5 و 1.5 و 10 أقدام (1.07 م × 0.46 م × 3.05 م)، وتعطي حوالي 12 لترا من المياه يوميا. بنيت أفقيا، مصنع منظم يتلقى الإشعاع الشمسي عند الظهر فقط. ولكن مصنع زوبيري هو برج عمودي ويتلقى الطاقة الشمسية من شروق الشمس حتى غروب الشمس. من الصباح الباكر، يتلقى الإشعاع عمودي على جانب واحد من النبات، في حين ظهر عند أعلى له الإشعاع يعادل النبات الأفقي. من الظهر حتى غروب الشمس، يتلقى الجانب الآخر أقصى قدر من الإشعاع. [بحاجة لمصدر]
من خلال زيادة الارتفاع، مصنع برج يتلقى المزيد من الطاقة الشمسية وزيادة درجة الحرارة الداخلية مع ارتفاع الارتفاع. في نهاية المطاف هذا يزيد من العائد المياه.
وقد شيدت عدة مصانع متتالية خلال الستينيات. وقد أجري عدد من التجارب وتم تطوير مصنع أكثر إنتاجية، مع مواصلة العمل.
ويمكن تنفيذ هذا المشروع في أي مكان هناك المياه الجوفية، محلول ملحي أو مياه البحر المتاحة مع الشمس مناسبة. خلال التجارب المختلفة يمكن أن يصل ارتفاع النبات 6 أقدام (1.8 م) إلى درجة حرارة 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت)، في حين أن النبات الذي يبلغ ارتفاعه 10 أقدام (3.0 م) يمكن أن يصل إلى درجة حرارة تصل إلى 86 درجة مئوية (187 درجة F).

Solar humidification–dehumidification

المادة الرئيسية: solar humidification
عملية (solar humidification–dehumidification HDH) (تسمى أيضا عملية
(multiple-effect humidification–dehumidification)
دورة التبخر الشمسية متعددة المراحل التكثيف
( SMCEC) or multiple-effect humidification (MEH), هي تقنية تحاكي دورة المياه الطبيعية على إطار زمني أقصر عن طريق التبخير والتكثيف المياه لفصلها عن غيرها من المواد، والقوة الدافعة في هذه العملية هي الطاقة الشمسية الحرارية لإنتاج بخار الماء الذي هو مكثف في وقت لاحق في غرفة منفصلة. في النظم المتطورة، يتم تقليل الحرارة النفايات عن طريق جمع الحرارة من بخار الماء التكثيف وقبل - تسخین مصدر المیاه الداخلة، وھذا النظام فعال لنظم التحلیة الصغیرة إلی المتوسطة في المواقع البعيدة بسبب عدم التکلفة النسبیة للجامع الحراري الشمسي. solar thermal collectors.

مشاكل في الأنظمة الحرارية

هناك نوعان من مشاكل التصميم الكامنة التي تواجه أي مشروع تحلية بالطاقة الشمسية الحرارية. أولا، يحكم كفاءة النظام من الأفضل نقل الحرارة والكتلة العالية أثناء التبخر والتكثيف. يجب تصميم الأسطح بشكل صحيح ضمن الأهداف المتناقضة لكفاءة نقل الحرارة والاقتصاد والموثوقية.
ثانيا، حرارة التكثيف قيمة لأنها تأخذ كميات كبيرة من الطاقة الشمسية لتتبخر المياه وتوليد الهواء الساخن المشبعة، المحملة بالبخار. يتم نقل هذه الطاقة، بحكم تعريفها، إلى سطح المكثف أثناء التكثيف. مع معظم أشكال اللقطات الشمسية، يتم إخراج هذه الحرارة من التكثيف من النظام كما حرارة النفايات. والتحدي الذي لا يزال قائما في الميدان اليوم هو تحقيق الفرق الأمثل في درجة الحرارة بين البخار المولود بالطاقة الشمسية والمكثف المبرد في مياه البحر، وإعادة استخدام الطاقة المكثفة إلى أقصى حد، والتقليل من استثمار الأصول [بحاجة لمصدر].

حلول للأنظمة الحرارية

أحد الحلول للحاجز الذي قدمه ارتفاع مستوى الطاقة الشمسية المطلوبة في جهود تحلية المياه الشمسية هو تقليل الضغط داخل الخزان. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مضخة فراغ، ويقلل بشكل كبير من درجة حرارة الطاقة الحرارية المطلوبة لتحلية المياه. على سبيل المثال، الماء عند ضغط 0.1 الغلاف الجوي يغلي عند 50 درجة مئوية (122 درجة فهرنهايت) بدلا من 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت) [17