بهینه‌سازی عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب، دوشیبه و حوضچه‌ای پله‌ای برای نمک‌زدایی پایدار آب

منبع: Kavitha Senthil Jeyaprakash, Joe Patrick Gnanaraj Sundararaj, Vanthana Jeyasingh, Yuvaperiyasamy Mayilsamy. «Performance Optimization of Single Slope, Double Slope, and Stepped Basin Solar Stills for Sustainable Water Desalination». Journal of Renewable Energy and Environment، ایران، 2025. doi.org/10.30501/jree.2025.514519.2330

این متن ترجمه‌ی فارسی کامل این مقاله است که با مجوز Creative Commons Attribution (CC BY) منتشر شده است. ترجمه با کمک هوش مصنوعی انجام و ویرایش شده؛ فهرست منابع حذف شده و شکل‌ها و جدول‌های کامل در مقاله‌ی اصلی در دسترس‌اند. در صورت هرگونه اختلاف، متن انگلیسی ملاک است. تصویر شاخص: Bert Niehaus، CC BY-SA 4.0، ویکی‌مدیا کامنز.

چکیده

این مقاله بهینه‌سازی عملکرد و ارزیابی مقایسه‌ای آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی (solar stills) تک‌شیب (single slope solar still - SSSS)، دو‌شیب (double slope solar still - DSSS) و حوضچه‌ای پله‌ای (stepped basin solar still - SBSS) را به‌منظور دستیابی به نمک‌زدایی پایدار آب (sustainable water desalination) و پاسخ به چالش فزاینده کمبود جهانی آب (global water scarcity) ارائه می‌دهد. مطالعات تجربی در شرایط اقلیمی یکسان در کالج مهندسی سنت مادر ترزا (St. Mother Theresa Engineering College) در تامیل نادو، هند انجام شد. شاخص‌های اصلی عملکرد شامل بازده حرارتی (thermal efficiency)، بازده اگزرژی (exergy efficiency)، بازدهی آب شیرین (freshwater yield) و دوره بازگشت سرمایه اقتصادی (economic payback period) مورد ارزیابی قرار گرفتند. در میان پیکربندی‌های بررسی‌شده، SBSS بهترین عملکرد را با بازده حرارتی ۳۹.۳ درصد، بازده اگزرژی ۲.۹ درصد، تولید روزانه آب ۵.۸ لیتر بر متر مربع در روز (5.8 L/m²/day) و کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه برابر با ۱۸ روز نشان داد که مؤید توجیه اقتصادی و مقرون‌به‌صرفه بودن برتر (cost-effectiveness) آن است. تلفیق تحلیل‌های اگزرژی و اقتصادی، رویکردی جامع را برای شناسایی امکان‌پذیرترین سیستم تقطیر خورشیدی (solar distillation system) جهت تولید پایدار آب شیرین فراهم می‌سازد. تحقیقات آتی بر بهینه‌سازی با استفاده از هوش مصنوعی (artificial intelligence) و سیستم‌های ترکیبی فتوولتائیک-حرارتی نانومقیاس (nanoscale PV/thermal hybrid systems) جهت ارتقای بهره‌وری و مقیاس‌پذیری برای مناطق دارای کمبود آب متمرکز خواهد بود.

واژگان کلیدی: تقطیر خورشیدی (Solar Distillation)، تحلیل اگزرژی (Exergy Analysis)، بازده حرارتی (Thermal Efficiency)، ارزیابی اقتصادی (Economic Evaluation)، آب‌شیرین‌کن خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای (Stepped Basin Solar Still)، تأمین آب شیرین (Freshwater Supply).

1. مقدمه

کمبود آب یکی از چالش‌های عمده پیش‌روی جهان است که در اثر افزایش تقاضای ناشی از رشد جمعیت، تغییرات اقلیمی و صنعتی‌سازی تشدید شده است. کاهش منابع تأمین آب شیرین، به‌ویژه در مناطق خشک و نیمه‌خشک (arid and semi-arid areas)، نیاز به توسعه روش‌های نوین و پایدار تصفیه آب را ایجاد کرده است. یکی از روش‌های برجسته نمک‌زدایی، تقطیر خورشیدی است که در تضمین دسترسی به آب آشامیدنی (potable water)، راهکاری تجدیدپذیر، اقتصادی و از نظر زیست‌محیطی پایدار به‌شمار می‌رود. این سیستم از انرژی خورشیدی برای تبخیر آب لب‌شور (brackish water) یا شور (saline water) استفاده می‌کند و بخار چگالش‌یافته به‌منظور تولید آب پاک جمع‌آوری می‌گردد (Kumaravel et al., 2024).

طراحی، ویژگی‌های مواد و شرایط اقلیمی حاکم، نقش‌های تعیین‌کننده‌ای در ارزیابی بازدهی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دارند. توسعه مداوم به مجموعه‌ای از طرح‌ها با هدف بهبود بازدهی و عملکرد حرارتی (thermal performance) در تولید آب انجامیده است. این مقاله سه طرح مختلف شامل آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب، دو‌شیب و حوضچه‌ای پله‌ای را مورد تحلیل قرار می‌دهد. این پیکربندی‌ها رفتار متفاوتی در دریافت گرما (heat uptake)، تبخیر (evaporation) و میعان (condensation) نشان می‌دهند که بر اثربخشی کلی تقطیر آن‌ها تأثیر می‌گذارد. آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب به دلیل سادگی، سهولت ساخت و هزینه پایین متداول هستند. این سیستم شامل یک پوشش شفاف شیب‌دار است که چگالش و جمع‌آوری آب مقطر را تسهیل می‌کند. با وجود این، عملکرد آن‌ها غالباً به دلیل جذب محدودتر انرژی خورشیدی در هر متر مربع و گردش محدود بخار با محدودیت مواجه است (Yuvaperiyasamy et al., 2024).

آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دو‌شیب نسخه ارتقایافته سیستم‌های تک‌شیب محسوب می‌شوند؛ چرا که از دو پوشش شیشه‌ای شیب‌دار بهره می‌برند که هم میزان جذب انرژی خورشیدی توسط سیستم را افزایش می‌دهد و هم سطح در دسترس برای میعان را گسترش می‌بخشد. این طراحی با به‌کارگیری هر دو شیب برای چگالش بخار، تولید آب را به‌طور چشمگیری بهبود بخشیده و عملکرد حرارتی کلی را ارتقا می‌دهد. آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای پیشرفت جدیدتری هستند که با بهره‌گیری از پله‌های آبی متعدد در حوضچه، سطح تبخیر را افزایش داده و توزیع حرارتی را بهبود می‌بخشند. این طراحی موجب تشدید تبخیر، کاهش اتلاف‌های حرارتی و دستیابی به محصول آب شیرین بیشتری نسبت به دستگاه‌های متداول می‌شود (Sangeetha et al., 2023). ادغام مواد جدید، اجزای ذخیره‌سازی حرارتی و فنون پیشرفته میعان، افق‌های گسترده‌تری را برای بهبود عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی گشوده است. به‌کارگیری مواد تغییر فاز (phase change materials - PCMs)، نانوپوشش‌ها (nano-coatings) و راهبردهای سرمایش غیرفعال (passive cooling strategies) می‌تواند نرخ تولید آب را به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش دهد (Kumaravel et al., 2023a). پژوهش‌های کنونی نشان می‌دهند که گرچه آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی بر پایه اصول سنتی بنا شده‌اند، اما در صورت همراهی با نوآوری‌های طراحی مدرن، پتانسیل چشمگیری ارائه می‌دهند. عمق حوضچه، عایق‌کاری، زاویه شیب (tilt angle) و تغییرات دمای محیط (ambient temperature)، همگی تأثیر قابل‌توجهی بر بازده حرارتی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دارند.

...آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی (solar stills). اثر متقابل میان این پارامترها بر نرخ تبخیر (evaporation rate)، راندمان چگالش (condensation efficiency) و عملکرد کلی سیستم تأثیر می‌گذارد. روش‌های سنتی نمک‌زدایی (desalination)، نظیر اسمز معکوس (reverse osmosis) و تقطیر ناگهانی چندمرحله‌ای (multi-stage flash distillation)، نیازمند انرژی ورودی قابل‌توجه و تأسیسات پیچیده‌ای هستند (Senthilkumar et al., 2024).

این پژوهش به دلیل ارزیابی عملکرد حرارتی (thermal performance)، بهره‌وری آب و بازدهی انرژی-اگزرژی (energy-exergy efficiency)، اهمیت ویژه‌ای در نمک‌زدایی پایدار آب دارد. همچنین با بررسی نوآوری‌های مربوط به انتخاب مواد، فناوری‌های ذخیره‌سازی حرارتی (thermal storage technologies) و راهبردهای بازیافت حرارت (heat recovery strategies)، از توسعه سیستم‌های تقطیر خورشیدی با عملکرد بالا پشتیبانی می‌کند (Kumaravel et al., 2023b). چالش فزاینده کمبود آب، پژوهش‌ها در زمینه روش‌های پایدار نمک‌زدایی را شدت بخشیده است و آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی به دلیل هزینه پایین و اتکا به منابع انرژی تجدیدپذیر، به عنوان گزینه‌ای قابل‌قبول شناخته شده‌اند (Bayoumi et al., 2024). پیکربندی‌های طراحی، انتخاب مواد و شرایط محیطی از جمله عواملی هستند که تأثیر بسزایی بر اثربخشی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دارند (El-Dessouky et al., 2002).

1.1. فناوری‌های تقطیر خورشیدی

در تقطیر خورشیدی (solar distillation)، از انرژی خورشیدی برای تبخیر آب لب‌شور (brackish water) استفاده می‌شود که سپس چگالیده شده و به آب آشامیدنی تبدیل می‌گردد (Elazab et al., 2023). تغییرات و اصلاحات گسترده‌ای صورت گرفته است که شامل دگرگونی‌هایی در طراحی حوضچه (basin)، فرآیند چگالش و انرژی حرارتی است (Moharram et al., 2024). کاربرد آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب (single slope solar stills - SSSS) غالباً به دلیل سادگی سیستم و مقرون‌به‌صرفه بودن آن توجیه می‌شود، اما این آب‌شیرین‌کن‌ها به دلیل اتلاف حرارتی و نبود جریان بخار بالا، ظرفیت عملیاتی محدودی دارند (Jones et al., 2019). آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دو شیب (double slope solar stills - DSSS) با بهره‌گیری از دو پوشش شیشه‌ای شیب‌دار، نرخ چگالش را افزایش داده و در نتیجه تولید را ارتقا می‌دهند (Elazab et al., 2023). آب‌شیرین‌کن خورشیدی با حوضچه پله‌ای (stepped basin solar still - SBSS) نیز از طریق افزایش مساحت سطح تبخیر و توزیع و پراکندگی مناسب حرارت، خروجی آب را به شکل چشمگیری افزایش می‌دهد (Harris Samuel et al., 2016).

1.2. تکنیک‌های بهبود بازدهی

مواد تغییر فاز دهنده (Phase Change Materials - PCMs) به طور دقیق از نظر توانایی‌شان در افزایش ماندگاری و ذخیره حرارت در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی بررسی شده‌اند؛ این امر امکان تداوم تولید آب را حتی در زمان عدم دسترسی به انرژی خورشیدی فراهم می‌آورد (Attia et al., 2022). حوضچه‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی همچنین با نانوذراتی نظیر CuO و TiO₂ ارتقا یافته‌اند که موجب بهبود جذب تابش خورشیدی و نرخ تبخیر می‌شوند (Attia et al., 2021). هدف از توسعه آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی لوله‌ای (tube-based solar stills)، افزایش راندمان حرارتی از طریق ارتقای جذب حرارت و کاهش تلفات حرارتی ناشی از همرفت (convection) است (Yadav et al., 1998). برای سرمایش نیز سیستم‌های خارجی نظیر گردش لایه نازک آب (water film circulation) به منظور تقویت چگالش و کاهش اتلاف بیش از حد گرما پیشنهاد شده‌اند (Dev et al., (2012)).

1.3. سیستم‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی هیبریدی و پیشرفته

آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی هیبریدی مبتنی بر سامانه‌های فتوولتائیک (Photovoltaic - PV) نیز توانایی تولید هم‌زمان برق و تصفیه آب را به اثبات رسانده‌اند و بدین ترتیب راندمان کلی سیستم را ارتقا می‌بخشند (El-Said et al., 2020). پژوهش‌ها نشان داده‌اند که سیستم‌های بازیافت حرارت اتلافی (waste heat recovery) می‌توانند بازده حرارتی را افزایش داده و میزان تولید آب شیرین را تقویت کنند (Kabeel et al., 2019). در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی از بهینه‌سازی زاویه شیب (tilt-angle optimization) استفاده می‌شود که موجب دریافت بهتر تابش خورشید و ارتقای راندمان تبخیر می‌گردد (Subramanian et al., 2021). تابش فرودی را می‌توان با بهره‌گیری از بازتابنده‌ها (reflectors) و چگالنده‌های خارجی (external condensers) که سطوح چگالش را توسعه می‌دهند، افزایش داد (Taamneh et al., 2012). آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی مجهز به سیستم‌های سرمایش ترموالکتریک (thermoelectric cooling) با کاهش دمای پوشش‌های شیشه‌ای، راندمان چگالش را ارتقا می‌دهند (Nayi et al., 2018). حوضچه‌های با پوشش مشکی (black-coated basins) نیز در دستیابی به حداکثر جذب حرارت و افزایش نرخ تبخیر نقش داشته و به سطوح بالاتری از تولید آب شیرین منتهی می‌شوند (Kabeel et al., 2024).

1.4. تحلیل‌های محاسباتی و اقتصادی

آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی از طریق مدل‌سازی عددی و شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (Computational Fluid Dynamics - CFD) بهینه‌سازی شده‌اند که این امر پیش‌بینی‌های بهره‌وری را بهبود بخشیده است (Kabeel et al., 2023). مدل‌های پیش‌بینی مبتنی بر یادگیری ماشین (machine learning) نیز به ابزارهایی کارآمد برای بهینه‌سازی عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تبدیل شده‌اند (Kabeel et al., 2023). ارزیابی‌های اقتصادی حاکی از آن است که آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی هزینه‌های عملیاتی پایین‌تری نسبت به سیستم‌های نمک‌زدایی متداول دارند و قابلیت به‌کارگیری در مناطق دورافتاده و خارج از شبکه سراسری (off-grid) را دارا هستند (El Hadi Attia et al., 2023). پایداری و حداقل اثرات زیست‌محیطی، استفاده از آن‌ها را کاربردی و امکان‌پذیر ساخته است؛ امری که با مطالعات چرخه عمر (life cycle) اثبات گردیده است (Attia et al., 2024).

1.5. تحقیقات و توسعه در آینده

روش‌های نوآورانه هیبریداسیونِ ارائه‌شده نظیر استفاده از سیستم‌های رطوبت‌زنی-رطوبت‌زدایی (humidification-dehumidification - HDH) با هدف ارتقای بازدهی کلی فرآیند نمک‌زدایی مطرح شده‌اند (Elazab et al., 2024). تلفیق آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با تقطیر غشایی (membrane distillation) نشان داده است که پتانسیل افزایش بازده آب تولیدی و عملکرد حرارتی را دارد (Kabeel et al., 2022). مطالعات بر روی جاذب‌های شناور (floating absorbers) و سطوح فتیله‌ای متخلخل (porous wick surfaces) نشان می‌دهد که این موارد پتانسیل تقویت انتقال حرارت ناشی از مویینگی (capillary-driven heat transfer) و در نتیجه شتاب بخشیدن به نرخ تبخیر را دارند (El Hadi Attia et al., 2024). پیشرفت‌های اخیر در زمینه سیالات عامل ارتقایافته با نانوسیال (nanofluid-enhanced working fluids) نشان‌دهنده بهبودهای چشمگیر در رسانندگی حرارتی (thermal conductivity) و بهره‌وری آب است (Methre et al., 2013). مطالعات تطبیقی نشان می‌دهند که آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی مخروطی و هرمی‌شکل در چگالش آب نسبت به طرح‌های تخت سنتی، کارآمدتر و سریع‌تر عمل می‌کنند (Sivakumar et al., 2017). بر اساس تحلیل‌های امکان‌سنجی اقتصادی، استفاده از سیستم‌های بازیافت حرارت موجب افزایش نرخ بازگشت سرمایه در سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی می‌گردد (Shalaby et al., 2016). مطالعه Gnanaraj et al. (2025) به بررسی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با حوضچه پله‌ای مجهز به اینترنت اشیاء (IoT) پرداخت که در آن‌ها از الگوریتم‌های بهینه‌سازی ازدحام ذرات (Particle Swarm Optimization - PSO) و کلونی زنبور عسل مصنوعی (Artificial Bee Colony - ABC) برای بهبود چشمگیر بازده آب و راندمان انرژی استفاده شده بود. مطالعات محاسباتی بر روی دینامیک قطرات ریز در سیستم‌های نمک‌زدایی مجهز به انژکتور گردابی (swirl injector) توسط Gnanaraj et al. (2022) اهمیت بهینه‌سازی رفتار قطرات را برای دستیابی به عملکرد بهتر سیستم برجسته ساخت. در بررسی نمک‌زدایی خورشیدی، Maheswari et al. (2024) استفاده از لوله‌های خلاء (evacuated tubes)، پره‌های موج‌دار (corrugated fins) و سنگ‌های متال آبی (blue metal stones) را برای تقویت جذب گرما و تبخیر پیشنهاد کردند که این پیکربندی‌ها را برای عملکرد نمک‌زدایی خورشیدی بسیار سودمند می‌سازد. علاوه بر این، Gnanaraj et al. (2022) نشان دادند که بهره‌وری آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی را می‌توان با کنترل پارامترهای عملیاتی از جمله دما، عمق آب و عایق‌بندی به طور قابل‌توجهی افزایش داد. یکپارچه‌سازی‌های هیبریدی به طور گسترده‌ای برای ارتقای عملکرد نمک‌زدایی مورد بررسی قرار گرفته‌اند. Gnanaraj et al. (2017) یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب را با یک حوضچه خورشیدی (solar pond) با بهره‌گیری از روش تاگوچی (Taguchi method) بهینه‌سازی کردند و از طریق بهینه‌سازی تجربی پارامترها به راندمان بالاتری دست یافتند. پژوهش‌های بیشتر در این حوزه باید بر مواد مقرون‌به‌صرفه‌تر، اتوماسیون (automation) و سیستم‌های کنترل هوشمند متمرکز شوند که می‌توانند راندمان و مقیاس‌پذیری را ارتقا دهند (Rajasekhar et al., 2015). تکنیک‌های بهینه‌سازی مبتنی بر هوش مصنوعی (AI) که هنوز کمتر توسعه یافته‌اند نیز پتانسیل اثرگذاری بر تکامل آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی در آینده را دارا هستند (Kabeel et al, 2019). همچنین Essa et al. (2021) آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی سینی‌دار (tray-type solar stills) را با ایجاد شکاف‌ها (cracks) و بازتابنده‌ها به صورت تجربی مورد بررسی قرار دادند که این امر موجب افزایش بازده حرارتی شد. Manoj Kumar et al. (2021) به بررسی تأثیر نانوفاز (nano-phase)...

...مواد تغییر فاز (phase change materials) را در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی (solar stills) تک‌شیب بررسی کرده و بر نقش آن‌ها در بهبود حفظ گرما و تولید آب تأکید نمودند. Panchal et al. (2017) یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌حوضچه‌ای را با پره‌های متخلخل (porous fins) به‌صورت تجربی آزمایش کردند و نشان دادند که با افزایش راندمان انتقال حرارت، بازده تولید آب مقطر (distillate yield) تا ۴۲ درصد افزایش می‌یابد. مطالعات اخیر انجام‌شده توسط Pradeep et al. (2025) ارزیابی دقیق عملکرد و بهینه‌سازی انواع مختلف پوشش‌های سقفی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی را ارائه داد که بر اثرات هندسه بر بازده کلی متمرکز بود. Jacqueline et al. (2025) آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌حوضچه‌ای را به‌صورت تجربی و با بهره‌گیری از اینترنت اشیاء (IoT) بهینه‌سازی کردند و افزایش تولید آب شیرین را با اتکا به پایش برخط (real-time monitoring) و کنترل بازخوردی گزارش نمودند. Kumar et al. (2025) مدیریت حرارتی لایه‌ای را در حوضچه‌های خورشیدی (solar ponds) متصل به استخر مورد مطالعه قرار دادند و دریافتند که این سامانه‌ها نگه‌داشت حرارت و راندمان تصفیه بالاتری فراهم می‌سازند. Maheswari et al. (2025) سیستم‌های تقطیر خورشیدی مبتنی بر غشا (membrane-aided) را پیشنهاد کردند که راندمان تصفیه آب را بهبود می‌بخشند. همچنین، پیکربندی‌های چندحوضچه‌ای پایدار توسط Pradeep et al. (2025) برای مقابله با چالش‌های جهانی کمبود آب بررسی شد. بهینه‌سازی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی مبتنی بر حوضچه خورشیدی توسط Pradeep et al. (2025) با استفاده از روش تاگوچی (Taguchi methodology) به انجام رسید و گزارش شد که با تنظیم پارامترها و اعتبارسنجی تجربی می‌توان به عملکرد بالایی دست یافت. Kumar et al. (2024) یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب متصل به حوضچه خورشیدی را بررسی کرده و عملکرد آن را در شرایط آب‌وهوایی آفتابی، نیمه‌ابری و ابری ارزیابی کردند. یافته‌ها حاکی از آن بود که بیشترین بهره‌وری در روزهای آفتابی حاصل شده است؛ علاوه بر این، تحلیل اقتصادی کارایی هزینه‌ایِ ترکیب حوضچه خورشیدی با آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌حوضچه‌ای را به اثبات رساند. Gnanaraj et al. (2018) بهبودهای یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب تک‌حوضچه‌ای را از طریق اصلاحات داخلی و خارجی، از جمله پره‌های بلند در حوضچه و بازتابنده‌های خارجی جهت ارتقای جذب حرارت و تبخیر بررسی کردند. نتایج به‌دست‌آمده افزایش چشمگیر بازده آب را نشان داد که بیانگر اثربخشی این تمهیدات در ارتقای راندمان نمک‌زدایی (desalination efficiency) است. Panchal et al. (2012) آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با صفحات جاذب شناور را بررسی کرده و نتیجه گرفتند که صفحات آلومینیومی در مقایسه با ساختارهای سنتی آب بیشتری تولید می‌کنند. Panchal et al. (2015) آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی دارای سنگ‌های بلو متال (blue-metal stones) و قالب‌های فشرده تپاله گاو (cow-dung cakes) را مقایسه کردند و افزایش بازده آب را تا ۳۵ درصد به‌دلیل ظرفیت بالاتر ذخیره‌سازی حرارت در آن‌ها به ثبت رساندند. Sundaram et al. (2017) شبیه‌سازی‌های حرارتی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی اصلاح‌شده را انجام دادند و مشخص کردند که طرح‌های هرمی‌شکل به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای میعان (تراکم) و بهره‌وری را ارتقا می‌دهند. El-Dessouky et al. (2022) تحلیل‌های عملکردی و اقتصادی مبتنی بر اگزرژی (exergy) را در دستگاه‌های تقطیر خورشیدی هیبریدی ارائه دادند که حاکی از مصرف بهینه‌تر انرژی بود. Rajasekhar et al. (2019) آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی پیشرفته مجهز به مواد تغییر فاز (PCMs) را ارزیابی نموده و به گسترش دامنه دمای عملیاتی و افزایش بازده اشاره کردند. مقاله Harris Samuel et al. (2022) نیز اصول سیستم‌های تقطیر خورشیدی چندمرحله‌ای را تبیین کرده و بر بهبود پایداری و کاهش هزینه به ازای هر لیتر در مقایسه با فناوری‌های متداول تأکید دارد.

اگرچه Attia et al. (2024) و Elazab et al. (2023) پیشرفت‌های چشمگیری را در نمک‌زدایی خورشیدی هیبریدی، ارتقای عملکرد از طریق مواد تغییر فاز و نانوسیال‌ها (nanofluids) گزارش کرده‌اند، اما مطالعات مقایسه‌ای اندکی به تلفیق تحلیل انرژی-اگزرژی با توجیه اقتصادی در پیکربندی‌های مختلف آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تحت شرایط اقلیمی یکسان پرداخته‌اند. پژوهش حاضر با مقایسه تجربی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب (SSSS)، دو شیب (DSSS) و حوضچه پلکانی (SBSS) از منظر راندمان‌های حرارتی و اگزرژی، بازده تولید آب شیرین و دوره بازگشت سرمایه (payback period)، این شکاف پژوهشی را پوشش می‌دهد. نوآوری این مطالعه در چارچوب بهینه‌سازی جامع آن نهفته است که تحلیل ترمودینامیکی را با ارزیابی اقتصادی پیوند می‌زند تا معیاری کامل برای سنجش عملکرد سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی پایدار به وجود آورد. اهداف اصلی این پژوهش عبارت‌اند از:

1. طراحی و ساخت سه مدل آب‌شیرین‌کن خورشیدی (SSSS، DSSS و SBSS) تحت شرایط اقلیمی یکسان.
2. ارزیابی تجربی راندمان‌های حرارتی و اگزرژی و بازده تولید آب شیرین آن‌ها.
3. مقایسه پارامترهای عملکردی به‌منظور تعیین کارآمدترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین پیکربندی.
4. پیشنهاد یک سیستم بهینه‌شده آب‌شیرین‌کن خورشیدی بر اساس هندسه بهبودیافته، عایق‌کاری حرارتی و روش‌های میعان.
5. ارائه راهکارهایی برای ادغام آینده هوش مصنوعی (AI) و یادگیری ماشین (machine learning) جهت مدل‌سازی پیش‌بینانه و ارتقای عملکرد.

2. مواد و روش‌ها

2.1. مشخصات طراحی آب‌شیرین‌کن خورشیدی

آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که از انرژی خورشیدی جهت تبخیر آب شور یا لب‌شور (brackish water) و سپس میعان بخار حاصل برای تولید آب آشامیدنی استفاده نمایند. بهینه‌سازی هندسه حوضچه، میزان جذب انرژی تابشی، به حداقل رساندن اتلاف حرارت و بهبود سطح میعان، پارامترهای تعیین‌کننده راندمان یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی به شمار می‌روند. در این پژوهش سه طرح گوناگون از آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند: آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب (Single Slope Solar Still - SSSS)، آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (Double Slope Solar Still - DSSS) و آب‌شیرین‌کن خورشیدی با حوضچه پلکانی (Stepped Basin Solar Still - SBSS).

2.1.1. آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب (SSSS): مشخصات طراحی و جزئیات ساخت

• ابعاد حوضچه: طول: 0.7 متر؛ عرض: 0.7 متر؛ ارتفاع: 0.381 متر (بخش پشتی)؛ 0.11684 متر (بخش جلویی).
• پوشش شیشه‌ای: شیشه با ضخامت 3 میلی‌متر، با شیب 25 درجه نسبت به افق بر اساس عرض جغرافیایی محل نصب.
• عمق آب: در ارتفاع 4 سانتی‌متر ثابت نگه داشته شده است.

شکل 1. آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب با طراحی جدید

همان‌طور که در شکل 1 مشخص است، حوضچه از ورق‌های آهن گالوانیزه (galvanized iron - GI) ساخته شده و سطح داخلی آن به‌منظور تسهیل جذب بالاتر تابش خورشیدی با رنگ سیاه پوشانده شده است. پوشش شیشه‌ای شفاف برای جلوگیری از نشت بخار درزگیری گردیده و شیب‌دار تعبیه شده است تا جریان آب چگالیده‌شده به‌سمت ناودان جمع‌آوری هدایت شود. همچنین برای کاهش اتلاف گرما از عایق حرارتی استفاده شده است.

2.1.2. آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (DSSS): مشخصات طراحی و جزئیات ساخت

• ابعاد حوضچه: طول: 1.4 متر؛ عرض: 1.0 متر.
• پوشش‌های شیشه‌ای: دو صفحه شیشه‌ای شفاف با ضخامت 4 میلی‌متر، هر یک با زاویه 30 درجه برای تشکیل یک ساختار A-شکل (A-shaped).
• عمق آب: در هر حوضچه در سطح 1 سانتی‌متر تثبیت شده است.

شکل 2. آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب با طراحی جدید

دستگاه DSSS به‌عنوان یک سیستم دوحوضچه‌ای متشکل از یک حوضچه بالایی و یک حوضچه پایینی ساخته شده است. همان‌طور که در شکل 2 نشان داده شده است، مساحت حوضچه بالایی 1.0 متر مربع و مساحت حوضچه پایینی 1.4 متر مربع است. هر دو حوضچه از ورق‌های فولاد نرم (mild steel) ساخته شده و برای ارتقای جذب انرژی خورشیدی با رنگ سیاه پوشانده شده‌اند. پیکربندی دو شیب سطح میعان در دسترس را وسعت می‌بخشد که این امر موجب افزایش بازده آب مقطر تولیدی می‌گردد.

2.1.3. آب‌شیرین‌کن خورشیدی با حوضچه پلکانی (SBSS): مشخصات طراحی و جزئیات ساخت

• ابعاد کلی: طول: 1.0 متر؛ عرض: 1.0 متر.
• ابعاد پله‌ها: هر پله دارای عرض 0.19 متر و عمق 0.07 متر است.
• تعداد پله‌ها: پنج پله با چیدمان آبشاری (cascading).
• پوشش شیشه‌ای: شیشه شفاف با ضخامت 4 میلی‌متر و زاویه تمایل 30 درجه.

شکل 3. آب‌شیرین‌کن خورشیدی با حوضچه پلکانی (SBSS) با طراحی جدید

دستگاه SBSS همان‌گونه که در شکل 3 به تصویر کشیده شده است، از مجموعه‌ای از سینی‌های کم‌عمق با آرایش پلکانی تشکیل گردیده است. این چیدمان، مساحت سطح مؤثر تبخیر را افزایش می‌دهد. سینی‌ها از ورق‌های آهن گالوانیزه ساخته شده و برای افزایش جذب گرما با رنگ مشکی پوشش داده شده‌اند. طراحی پلکانی علاوه بر بهبود راندمان بهره‌برداری از انرژی خورشیدی، توزیع یکنواخت آب را تضمین می‌نماید.

در این پژوهش، تمامی ابزارها به‌منظور اطمینان از صحت و تکرارپذیری اندازه‌گیری‌ها کالیبره شدند. ترموکوپل‌های نوع K با استفاده از کالیبراتور بلوک خشک (dry-block calibrator) با دقت (0.5 ± درجه سانتی‌گراد) کالیبره شدند و پیرانومتر (TES-1333R) در برابر یک پیرهلیومتر مرجع دارای گواهی NIS با دقت (5 ± وات بر متر مربع) مورد ارزیابی و تطبیق قرار گرفت. برای کالیبراسیون بادسنج دیجیتال (anemometer) و رطوبت‌سنج (hygrometer) به‌ترتیب از تونل باد و محلول نمک بهره گرفته شد. بازده تقطیر به‌وسیله یک استوانه مدرج شیشه‌ای اندازه‌گیری شده و با بالن ژوژه (volumetric flask) کنترل گردید. با بهره‌گیری از روش جذر مجموع مربعات (root-sum-square - RSS)، عدم قطعیت تجربی کل برای اندازه‌گیری دما 2.5 درصد و برای تابش خورشیدی 3 درصد محاسبه شد. جزئیات مراحل کالیبراسیون و تحلیل عدم قطعیت در جدول 1 خلاصه شده است. پیش از آغاز آزمایش‌ها، از تجهیزات مرجع استاندارد جهت کالیبراسیون حسگرهای دما (دقت 0.5 ± درجه سانتی‌گراد)، دستگاه سنجش تابش خورشیدی (دقت 5 ± وات بر متر مربع) و کلیه ادوات دیگر استفاده به عمل آمد.

جدول 1. جزئیات کالیبراسیون و عدم قطعیت ابزارهای اندازه‌گیری

ردیف	ابزار / حسگر	پارامتر اندازه‌گیری‌شده	روش کالیبراسیون	عدم قطعیت (±)
1	ترموکوپل نوع K	دما	کالیبراتور بلوک خشک	0.5 °C
2	پیرانومتر (TES-1333R)	تابش خورشیدی	پیرهلیومتر مرجع	5 W/m²
3	بادسنج دیجیتال	سرعت باد	کالیبراسیون در تونل باد	0.1 m/s
4	رطوبت‌سنج دیجیتال	رطوبت نسبی	کالیبراسیون با محلول نمک	1.5% RH
5	استوانه مدرج	حجم آب مقطر	اعتبارسنجی متقابل حجمی	2 mL

2.1.4. تحلیل مقایسه‌ای طرح‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی

ارزیابی مقایسه‌ای دقیقی از سه پیکربندی آب‌شیرین‌کن خورشیدی (solar still)، یعنی تک‌شیب (SSSS)، دو شیب (DSSS) و حوضچه‌ای پله‌ای (SBSS) تحت شرایط تجربی یکسان در جدول 2 ارائه شده است. این مقایسه تفاوت‌ها را در بازده حرارتی (thermal efficiency)، بازده اگزرژی (exergy efficiency)، بازده تولید آب شیرین (freshwater yield) و عملکرد اقتصادی (economic performance) برجسته می‌سازد. نتایج نشان می‌دهد که آب‌شیرین‌کن خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای (SBSS) عمدتاً به دلیل بهره‌برداری ارتقایافته از حرارت و کاهش تلفات حرارتی، به بالاترین بازده و کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه (payback period) دست می‌یابد. آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (DSSS) عملکرد متوسطی را نشان می‌دهد، در حالی که آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب (SSSS) کمترین میزان خروجی را ثبت می‌کند. به‌طور کلی، داده‌های جدول 2 تأکید می‌کنند که بهینه‌سازی هندسه و طراحی حوضچه (basin) نقش بسزایی در بهبود بازده نمک‌زدایی (desalination efficiency) ایفا می‌کند.

عملکرد نسبی خلاصه‌شده در جدول 2 به‌روشنی تفاوت‌های میان سه پیکربندی آب‌شیرین‌کن خورشیدی را نشان می‌دهد. آب‌شیرین‌کن خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای (SBSS) به دلیل مساحت تبخیر بزرگ و توزیع یکنواخت گرما در میان سینی‌های پله‌ای، بالاترین بازده‌های حرارتی و اگزرژی را به‌ترتیب با 39.3% و 2.9% به نمایش می‌گذارد. هندسه پله‌ای لایه‌بندی حرارتی (thermal stratification) را کاهش داده و جذب انرژی خورشیدی را بهبود می‌بخشد که این امر موجب افزایش دمای آب حوضچه و تسریع در تولید بخار می‌گردد.

آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (DSSS) بازده‌های متوسطی را با مقادیر حرارتی و اگزرژی به‌ترتیب 35.3% و 2.1% نشان می‌دهد. دو سطح میعان (condensation surfaces) شیب‌دار آن نرخ میعان را بهبود بخشیده و رکود بخار را کاهش می‌دهند. با این حال، تلفات حرارتی همرفتی (convective heat losses) جزئی از طریق پوشش شیشه‌ای (glass cover)، بهره‌برداری مؤثر از انرژی را کاهش می‌دهد.

کمترین بازده‌ها در آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک‌شیب (SSSS) با مقادیر حرارتی و اگزرژی 25% و 1.1% به ثبت رسیده است. این مقادیر کاهش‌یافته به مساحت کوچک‌تر سطح میعان و تلفات حرارتی بیشتر از حوضچه نسبت داده می‌شود. نتایج تأیید می‌کنند که اصلاحات ساختاری، به‌ویژه افزایش مساحت سطح تبخیر و بهبود مدیریت حرارت، تأثیر مستقیمی بر عملکرد سیستم دارند. این یافته‌ها با مطالعات پیشین توسط Panchal et al. (2017) و Harris Samuel et al. (2022) که بهبودهای مشابهی را از طریق بهینه‌سازی طراحی و ادغام ذخیره‌سازی حرارت (heat storage) گزارش کرده بودند، مطابقت دارد.

جدول 2. تحلیل مقایسه‌ای جامع عملکرد پیکربندی‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی

شماره	پارامتر	تک‌شیب (SSSS)	دو شیب (DSSS)	حوضچه‌ای پله‌ای (SBSS)	ملاحظات
1	بازده حرارتی (%)	25	35.3	39.3	SBSS به دلیل جذب ارتقایافته حرارت، بیشترین عملکرد حرارتی را نشان می‌دهد.
2	بازده اگزرژی (%)	1.1	2.1	2.9	در SBSS به دلیل کاهش تولید آنتروپی بالاتر است.
3	بازده تولید آب (L/m²/day)	3.3	5.1	5.8	SBSS به دلیل افزایش مساحت سطح تبخیر به بالاترین بازده دست می‌یابد.
4	هزینه ساخت	کم	متوسط	زیاد	DSSS و SBSS به سرمایه‌گذاری اولیه بیشتری نیاز دارند.
5	دوره بازگشت سرمایه (روز)	-	-	کوتاه‌ترین	SBSS کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه را دارد که نشان‌دهنده امکان‌پذیری اقتصادی بهتر آن است.
6	تلفات حرارتی (W/m²)	-	-	حداقل	تلفات حرارتی در SBSS به دلیل عایق‌بندی مؤثر و عمق کم آب به حداقل رسیده است.
7	امکان‌پذیری اقتصادی	متوسط	زیاد	بسیار زیاد	SBSS بازدهی بلندمدت بهتری را فراهم می‌کند.
8	نرخ تبخیر	متوسط	زیاد	بسیار زیاد	در SBSS توسط طراحی چندطبقه ارتقا یافته است.
9	سطح میعان	تک‌شیب	دو شیب	تک‌شیب (مساحت بزرگ)	DSSS و SBSS میعان کارآمدی را فراهم می‌کنند.
10	رتبه عملکرد کلی	سوم	دوم	اول	SBSS بهترین رتبه را در میان سه پیکربندی داراست.

2.1.5. معیارهای انتخاب طرح آب‌شیرین‌کن خورشیدی

عملکرد عملیاتی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی با موقعیت جغرافیایی، شدت تابش خورشیدی، محدودیت‌های بودجه و سطح مطلوب تولید آب تغییر می‌کند.

• آب‌شیرین‌کن‌های تک‌شیب برای کاربردهای مقیاس کوچک که در آن‌ها هزینه پایین دغدغه اصلی است، توصیه می‌شوند.
• برای بودجه‌های متوسط که نیازمند بازدهی ارتقایافته هستند، آب‌شیرین‌کن‌های دو شیب گزینه‌ای متعادل به شمار می‌روند.
• طرح‌های حوضچه‌ای پله‌ای برای سیستم‌های با بازده بالا که قادر به تأمین سطوح سرمایه‌گذاری بیشتر هستند، مناسب‌ترین گزینه می‌باشند.

3. ارزیابی عملکرد حرارتی و اگزرژی

اثربخشی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی بر اساس ظرفیت آن‌ها در تبدیل تابش خورشیدی به انرژی حرارتی قابل استفاده و متعاقباً تقطیر آب شیرین تعیین می‌شود. این مقاله بازده حرارتی، بازده اگزرژی و بهره‌وری روزانه آب را در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب، دو شیب و حوضچه‌ای پله‌ای مقایسه می‌کند.

3.1. بازده تبدیل انرژی

بازده انرژی معیاری است برای ارزیابی این‌که یک آب‌شیرین‌کن خورشیدی تا چه حد تابش ورودی خورشید را برای تبخیر آب به‌طور مؤثر مورد استفاده قرار می‌دهد. این بازده به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

η_sys = (ṁ_fw λ_fg / (A_sc I)) × 100 (1)

که در آن:

• (ṁ_fw) = دبی جرمی آب مقطر (kg/s)
• (λ_fg) = گرمای نهان تبخیر (latent heat of vaporization) (J/kg)
• (A_sc) = مساحت گردآورنده خورشیدی (solar collector area) (m²)
• (I) = تابش خورشیدی تابیده (incident solar radiation) (W/m²)

افزایش بازده حرارتی نشان‌دهنده استفاده بهتر از گرما در تبخیر آب است. آب‌شیرین‌کن خورشیدی می‌تواند با نرخ عملکرد حرارتی بالایی ارتقا یابد، زیرا آب‌شیرین‌کن خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای دارای سطح تبخیر بزرگ‌تر و توزیع گرمای بهتری است.

3.2. تحلیل اگزرژی

بازده اگزرژی، پتانسیل کار قابل استفاده آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی را با در نظر گرفتن تولید آنتروپی (entropy generation) و تلفات حرارتی کمّی‌سازی می‌کند. معادله تعادل اگزرژی به‌صورت زیر است:

∑ Ėx_in − ∑ Ėx_out = ∑ Ėx_dest (2)

Ėx_sun − (Ėx_evap + Ėx_work) = Ėx_dest (3)

که در آن:

• Ėx_in = اگزرژی ورودی تابش خورشیدی
• Ėx_out = اگزرژی بازیافت‌شده به‌صورت تولید آب شیرین
• Ėx_dest = برگشت‌ناپذیری‌های ناشی از تلفات حرارتی

3.3. بهره‌وری آب و بازده تولید

بازده تولید آب بر حسب L/m²/day اندازه‌گیری می‌شود و بیانگر مقدار آب شیرین جمع‌آوری‌شده در واحد سطح است. این پارامتر تحت تأثیر موارد زیر قرار دارد:

• شدت تابش خورشیدی
• تلفات حرارتی
• مساحت سطح تبخیر
• بازده میعان

آب‌شیرین‌کن حوضچه‌ای پله‌ای به دلیل طراحی چندطبقه خود که نرخ تبخیر را افزایش می‌دهد، بیشترین بازده تولید را به همراه دارد.

3.4. امکان‌پذیری اقتصادی و پایداری

کارآمدی آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی در صورت به‌کارگیری در مقیاس بزرگ، برای توجیه‌پذیری اقتصادی امری حیاتی است. گرچه نصب اولیه طرح حوضچه‌ای پله‌ای گران‌تر است، اما از آنجا که آب شیرین بیشتری در روز تولید می‌کند، بازدهی بلندمدت بهتری را به دنبال دارد. دوره بازگشت سرمایه اقتصادی به‌صورت زیر تعیین می‌شود:

Payback Period = Total Investment Cost / Daily Revenue from Freshwater (4)

که در آن، درآمد بر اساس قیمت محلی آب مقطر در بازار محاسبه می‌شود.

4. نتایج و بحث

آزمایش‌ها در کالج مهندسی سنت مادر ترزا (St. Mother Theresa Engineering College) در توتیکورین، تامیل نادو، هند تحت شرایط اقلیمی کنترل‌شده برای مقایسه عملکرد آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی تک‌شیب، دو شیب و حوضچه‌ای پله‌ای به اجرا درآمد. یافته‌ها نشان می‌دهد که آب‌شیرین‌کن‌های حوضچه‌ای پله‌ای به دلیل افزایش جذب حرارت و تبخیر چندسطحی، بهترین بازده تولید آب شیرین را به ثبت رساندند. بازده متوسط آب‌شیرین‌کن‌های دو شیب ناشی از دو سطح میعان آن‌ها بود، در حالی که طرح‌های تک‌شیب به دلیل حفظ محدود حرارت، کمترین بهره‌وری را ثبت کردند. این نتایج تأکید دارند که اصلاحات ساختاری بهینه به فرآیند نمک‌زدایی مؤثری منجر می‌شود که راهکاری بلندمدت برای تولید آب آشامیدنی فراهم می‌آورد.

4.1. روش‌شناسی تجربی و شرایط آزمون عادلانه

دمای محیط در طول آزمایش بین 28°C تا 40°C و تابش خورشیدی بین 600 تا 950 W/m² متغیر بود، همان‌طور که در شکل 4 نشان داده شده است. این مطالعه تجربی در کالج مهندسی سنت مادر ترزا در توتوکودی (Thoothukudi)، هند، تحت شرایط اقلیمی متغیر طبیعی که به‌صورت پیوسته پایش می‌شدند، انجام گرفت. در طول دوره مشاهده، دمای محیط بین 28°C تا 40°C تغییر می‌کرد و تابش خورشیدی تابیده بین 600 W/m² تا 950 W/m² متغیر بود. سرعت باد برای اطمینان از عملکرد یکنواخت میعان بین 3 تا 5 m/s حفظ شد.

سه پیکربندی آب‌شیرین‌کن خورشیدی، شامل آب‌شیرین‌کن تک‌شیب (SSSS)، دو شیب (DSSS) و حوضچه‌ای پله‌ای (SBSS)، به‌صورت موازی در یک محیط باز و بدون سایه مورد بهره‌برداری قرار گرفتند. تمامی آب‌شیرین‌کن‌ها با استفاده از مصالح، عایق‌بندی و پوشش‌های شیشه‌ای یکسان ساخته شدند تا برابری شرایط آزمایش تضمین گردد و تمامی واحدها در معرض شرایط محیطی یکسانی قرار گیرند.

تمامی چیدمان‌ها با حسگرهای دمایی که در آب حوضچه، روی پوشش شیشه‌ای و در هوای محیط قرار داده شده بودند کالیبره شدند تا از اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای دقیق اطمینان حاصل شود. تابش خورشیدی، دمای آب و بازده تقطیر به‌صورت ساعتی با استفاده از یک دیتالاگر (data logger) ثبت گردیدند. این روش یکنواختی را در طول آزمایش‌ها تضمین کرد و هرگونه سوگیری احتمالی را در ارزیابی تفاوت‌های عملکردی میان طرح‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی از میان برد.

شکل 4. تغییرات تابش خورشیدی و دمای محیط در طول دوره آزمایش (600–950 W/m²؛ 28–40 °C؛ 8:00 صبح تا 5:00 بعدازظهر)

4.2. روندهای بازده آب مقطر و بهره‌وری

بیشترین مقدار آب شیرین از آب‌شیرین‌کن خورشیدی لگنچه پله‌ای (stepped basin solar still - SBSS) با میانگین بازده آب مقطر (distillate yield) معادل 5.8 L/m²/day به دست آمد که همان‌طور که در شکل 5 نشان داده شده است، به مساحت تبخیر بزرگ‌تر و جذب حرارت بالاتر آن نسبت داده می‌شود. بازده بالای بعدی توسط آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (double slope solar still - DSSS) با مقدار 5.1 L/m²/day ثبت شد که از دو سطح چگالش (condensation surfaces) شیب‌دار خود که بازده جمع‌آوری آب را افزایش می‌داد، بهره می‌برد. آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک شیب (single slope solar still - SSSS) به دلیل نگه‌داشت گرما (heat retention) محدود خود، کمترین بازده را به میزان 3.3 L/m²/day تولید کرد. طرح لگنچه پله‌ای از نظر توزیع گرما در سراسر ساختار چندسطحی خود همچنان کارآمدترین باقی ماند که منجر به تبخیر سریع‌تر و مؤثرتر شد.

در این مطالعه، بازده آب مقطر به عنوان مقدار آب شیرین تولیدشده در واحد سطح لگنچه در روز (L/m²/day) تعریف می‌شود که نشان‌دهنده کل آب جمع‌آوری‌شده است. از سوی دیگر، بهره‌وری (productivity) به خروجی تقطیر در واحد سطح در هر ساعت (L/m²·h) اشاره دارد که عملکرد را در یک زمان مشخص نشان می‌دهد. بنابراین، بازده نشان‌دهنده عملکرد تجمعی است، در حالی که بهره‌وری بازده عملیاتی را در یک بازه زمانی معین اندازه‌گیری می‌کند.

شکل 5. تغییرات ساعتی بازده آب مقطر برای SSSS، DSSS و SBSS تحت شرایط یکسان (شدت تابش خورشیدی: 600–950 W/m²؛ دمای محیط: 28–40 °C)

4.3. تأثیر تابش خورشیدی بر عملکرد سیستم

تابش خورشیدی (solar radiation) نقشی تعیین‌کننده در تنظیم فرآیندهای تبخیر و چگالش در سیستم‌های تقطیر خورشیدی ایفا می‌کند. شکل 6 نشان می‌دهد که حداکثر بازده آب مقطر بین ساعت‌های 12:00 ظهر و 3:00 بعدازظهر ثبت شده است که هم‌زمان با دوره اوج شدت تابش خورشیدی (850–950 W/m²) است. آب‌شیرین‌کن خورشیدی لگنچه پله‌ای (SBSS) در طول این دوره به دلیل توزیع یکنواخت گرما در لایه‌های پله‌ای خود، نرخ تبخیر تقریباً ثابتی را حفظ کرد که به سیستم اجازه می‌داد مقدار ثابتی از بخار را تولید کند.

در مقابل، آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک شیب (SSSS) در دوره‌های شدت بالای تابش خورشیدی بازده کمتری نشان داد، زیرا گرمایش بیش از حد پوشش شیشه‌ای باعث پس‌آمیزی بخار (vapor back-mixing) شد که بازده چگالش را کاهش داد. آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (DSSS) به بهره‌وری نسبتاً پایداری دست یافت، زیرا دو سطح شیشه‌ای شیب‌دار آن چگالش موازی را در هر دو طرف تسهیل کرده و راکد ماندن بخار (vapor stagnation) را به حداقل رساند.

به‌طور کلی، تجزیه‌وتحلیل نشان می‌دهد که افزایش تابش خورشیدی تأثیر مثبتی بر بازده حرارتی (thermal efficiency) و تولید آب مقطر دارد، اما طراحی هندسی بهینه برای جلوگیری از تجمع بیش از حد گرما ضروری است. این یافته‌ها با نتایج گزارش‌شده توسط Panchal et al. (2017) و Kabeel et al. (2024) مطابقت دارد که بر تأثیر شدت تابش خورشیدی و هندسه طراحی بر تعادل تبخیر-چگالش در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی غیرفعال (passive solar distillers) تأکید کرده‌اند.

شکل 6. تأثیر تابش خورشیدی بر عملکرد سیستم SSSS، DSSS و SBSS در طول عملکرد روزانه (8:00 ق.ظ تا 5:00 ب.ظ)

4.4. بازده اگزرژی و بهره‌برداری از انرژی

بازده اگزرژی (exergy efficiency) نشان می‌دهد که چه مقدار از انرژی خورشیدی ورودی به کار مفید (useful work) تبدیل شده است و برگشت‌ناپذیری (irreversibility) سیستم را در نظر می‌گیرد. شکل 7 نشان می‌دهد که آب‌شیرین‌کن خورشیدی لگنچه پله‌ای (SBSS) بالاترین بازده اگزرژی را با 2.9% داشت و پس از آن آب‌شیرین‌کن خورشیدی دو شیب (DSSS) با 2.1% و آب‌شیرین‌کن خورشیدی تک شیب (SSSS) با کمترین بازده اگزرژی برابر با 1.1% قرار گرفتند.

دستگاه SBSS عملکرد برتر خود را به دلیل ساختار لگنچه چندسطحی حفظ می‌کند که تولید آنتروپی (entropic generation) را کاهش داده و با قرار دادن مساحت سطحی بزرگ‌تر در معرض تبخیر، استفاده از انرژی را بهینه‌سازی می‌کند. دستگاه DSSS سازوکار چگالش کارآمدتری دارد اما اتلاف‌های همرفتی (convective losses) متوسطی را از طریق پوشش شیشه‌ای تجربه می‌کند. دستگاه SSSS نیز به نوبه خود از اتلاف‌های حرارتی بیشتر و توزیع نامتقارن گرما رنج می‌برد و در نتیجه انرژی مفید کمتری را تبدیل می‌نماید.

این یافته‌ها تأیید می‌کنند که بازده اگزرژی در مقایسه با بازده حرارتی به‌تنهایی، تجزیه‌وتحلیل دقیق‌تری از عملکرد سیستم ارائه می‌دهد، زیرا هم کیفیت انرژی و هم سازوکارهای اتلاف را در نظر می‌گیرد. این روند با نتایج گزارش‌شده توسط El-Dessouky et al. (2022) و Rajasekhar et al. (2019) مطابقت دارد، که در آن نویسندگان نشان می‌دهند اصلاحات طراحی می‌تواند عملکرد کلی انرژی و اگزرژی سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی را به‌طور چشمگیری بهبود بخشد.

شکل 7. مقایسه بازده اگزرژی پیکربندی‌های آب‌شیرین‌کن خورشیدی تحت شرایط اقلیمی اندازه‌گیری‌شده

4.5. تأثیر طراحی لگنچه بر عملکرد حرارتی

عملکرد آب‌شیرین‌کن خورشیدی به‌شدت تحت تأثیر طراحی و هندسه لگنچه قرار دارد که به‌طور قابل‌توجهی بر توزیع دمای آب و بازده کلی تبخیر تأثیر می‌گذارد. لگنچه پله‌ای با چندین سینی کم‌عمق پر شده بود که امکان توزیع یکنواخت گرما و دستیابی به نرخ‌های تبخیر بالاتر را، همان‌طور که در شکل 8 نشان داده شده است، فراهم می‌کرد. طرح دو شیب به بهبود چگالش ادامه داد؛ با این حال، نرخ تبخیر آن کمتر از SBSS بود زیرا آب تنها در یک سطح در معرض هوا قرار داشت. طرح تک شیب از جذب نامتوازن گرما رنج می‌برد که منجر به لایه‌بندی حرارتی (thermal stratification) و تبخیر کندتر می‌شد. همچنین بهینه‌سازی عمق و هندسه لگنچه برای به حداکثر رساندن بهره‌وری آب حائز اهمیت است، زیرا لگنچه‌های عمیق‌تر اتلاف‌های حرارتی بیشتری را تجربه کرده و بازده کلی را کاهش می‌دهند. طرح پله‌ای بیشترین قرارگیری در معرض گرما را فراهم کرد و بنابراین از نظر بهره‌برداری حرارتی کارآمدترین بود.

شکل 8. تأثیر هندسه لگنچه بر عملکرد حرارتی در شدت تابش خورشیدی بین 600–950 W/m²

4.6. توجیه‌پذیری اقتصادی و دوره بازگشت سرمایه

این امر مستلزم تحلیل اقتصادی به عنوان ابزاری برای ارزیابی مقرون‌به‌صرفه بودن و توجیه‌پذیری مالی سیستم‌های نمک‌زدایی خورشیدی است. لگنچه پله‌ای، علی‌رغم هزینه‌های ساخت بالاتر، کوتاه‌ترین دوره بازگشت سرمایه (payback period) یعنی 18 روز را داشت که آن را از نظر اقتصادی به توجیه‌پذیرترین گزینه تبدیل می‌کند. طرح دو شیب دارای دوره بازگشت سرمایه 21 روز بود، در حالی که طرح تک شیب برای سربه‌سر شدن (break even) سرمایه‌گذاری خود به 29 روز زمان نیاز داشت. دستگاه SBSS به خروجی آب روزانه بیشتری دست می‌یابد که هزینه اولیه بالاتر آن را به دلیل بازده‌های بلندمدت بیشتر توجیه می‌کند. اگرچه ساخت SSSS کم‌هزینه‌ترین است، اما بازده کمتری دارد و بنابراین هزینه عملیاتی بالاتری را به ازای هر لیتر آب تولیدشده متحمل می‌شود. تحلیل دوره بازگشت سرمایه نشان می‌دهد که افزایش بازده منجر به بازده مالی بالاتری می‌شود و طرح‌های پیشرفته سودآورتر هستند، همان‌طور که در شکل 9 نشان داده شده است.

شکل 9. توجیه‌پذیری اقتصادی و دوره بازگشت سرمایه SSSS، DSSS و SBSS بر اساس بهره‌وری روزانه

4.7. تأثیر اتلاف‌های حرارتی و راهبردهای بهینه‌سازی

اتلاف‌های حرارتی بازده کلی آب‌شیرین‌کن خورشیدی را کاهش می‌دهند و ممکن است از طریق رسانش (conduction)، همرفت (convection) و تابش (radiation) رخ دهند. کمترین میزان اتلاف حرارت در لگنچه پله‌ای مشاهده شد، زیرا لایه‌های کم‌عمق آب در آن امکان انتقال حرارت سریع‌تر را فراهم کرده و اتلاف حرارت را به حداقل رساندند. طرح دو شیب اتلاف حرارتی متوسطی را تجربه کرد، در حالی که طرح تک شیب به دلیل عایق‌بندی ضعیف و سطوح در معرض، بیشترین اتلاف را متحمل شد. اتلاف‌های حرارتی را می‌توان از طریق عایق‌بندی مناسب، پوشش‌های بازتابنده و تهویه کنترل‌شده کاهش داد و عملکرد کلی سیستم را ارتقا بخشید. نگه‌داشت انرژی در آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی می‌تواند در آینده با اعمال تغییراتی مانند مواد تغییر فاز (phase change materials - PCMs) و چگالنده‌های خارجی (external condensers) بهبود بیشتری یابد.

4.8. ارزیابی مقایسه‌ای عملکرد

تحلیل مقایسه‌ای سه پیکربندی آب‌شیرین‌کن خورشیدی، تفاوت‌های معناداری را در بازده، میزان تولید و توجیه‌پذیری برجسته می‌سازد، همان‌طور که در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول 3 در مقالهی اصلی آمده است.

4.9. مزایای زیست‌محیطی تقطیر خورشیدی

نمک‌زدایی خورشیدی یک فناوری مناسب برای تصفیه آب است، زیرا از انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌کند. آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی برخلاف سیستم‌های سنتی نمک‌زدایی که به سوخت‌های فسیلی متکی هستند، بدون انتشار کربن کار می‌کنند و کمترین اثر زیست‌محیطی را دارند، همان‌طور که در شکل 10 نشان داده شده است. علاوه بر این، ساخت آب‌شیرین‌کن‌های خورشیدی از مواد سازگار با محیط زیست، پایداری را بیش از پیش ارتقا داده و ضایعات را کاهش می‌دهد.

شکل 10. اثرات زیست‌محیطی و راهبردهای بهینه‌سازی اتلاف حرارتی ارزیابی‌شده تحت میانگین شدت تابش خورشیدی 800 W/m²

4.10. پیشرفت‌های آینده در تقطیر خورشیدی

جدول‌های 4 و 5 طرح‌های ترکیبی (هیبریدی) پیشنهادشده برای استفاده در آینده را نشان می‌دهند که نانوسیال‌ها (nanofluids)، مواد تغییر فاز (phase change materials - PCM) و سامانه‌های بازیافت حرارت (heat recovery systems) را برای دستیابی به بازده‌های بالاتر ترکیب می‌کنند. مدل‌های یادگیری ماشین (machine learning) مبتنی بر هوش مصنوعی (AI) می‌توانند پارامترهای طراحی و شرایط عملیاتی را بهینه‌سازی کرده و دستگاه‌های تقطیر خورشیدی (solar stills) را هوشمندتر و چندمنظوره‌تر سازند. به‌کارگیری سامانه‌های ردیاب خورشیدی (solar tracking systems) و فناوری‌های بهبودیافته میعان (condensation technologies) می‌تواند تولید آب و بهره‌برداری کلی از انرژی را بیش از پیش ارتقا دهد.

4.10.1. مقایسه نتایج با مطالعات پیشین و کار حاضر

دستگاه تقطیر خورشیدی حوضچه‌ای پله‌ای (stepped basin solar still - SBSS) حاضر در مقایسه با مطالعات قبلی (Kabeel et al., 2023)، (Elazab et al., 2024) و (Attia et al., 2024)، تا 15٪ بازده حرارتی (thermal efficiency) بالاتر، 16٪ بازده اگزرژی (exergy efficiency) بالاتر و 18٪ بازده تولید آب شیرین (freshwater yield) بیشتری را نشان داد. علاوه بر این، دوره بازگشت سرمایه (payback period) نزدیک به 20٪ کاهش یافت که نشان‌دهنده بهبود توجیه‌پذیری اقتصادی (cost-effectiveness) است. این مزایا عمدتاً ناشی از هندسه حوضچه‌ای چندطبقه (multi-tier basin geometry) است که توزیع حرارت را بهبود بخشیده و تلفات حرارتی را به حداقل می‌رساند. مقایسه ارائه‌شده برتری عملکرد این پیکربندی را به‌صورت کمی تأیید می‌کند و SBSS را به راهکاری عملی و کارآمد برای سامانه‌های نمک‌زدایی خورشیدی تبدیل می‌سازد.

جدول 4. تحلیل مقایسه‌ای پیشرفت‌های آینده در تقطیر خورشیدی

شماره	پیشرفت	شرح	مزایای مورد انتظار	بهبود بازده (%)
1	پوشش‌های شیشه‌ای با پوشش نانو (Nano-coated Glass Covers)	پوشش‌های ویژه تلفات حرارتی را کاهش داده و میعان را افزایش می‌دهند	بازده بالاتر آب و حفظ بهتر حرارت	10-15%
2	مواد تغییر فاز (PCMs)	ذخیره حرارت مازاد برای استفاده در ساعات بدون تابش نور خورشید	تولید مداوم آب در طول شب	20-25%
3	سامانه‌های ترکیبی فتوولتائیک-حرارتی (Hybrid PV-Thermal Systems)	ادغام دستگاه‌های تقطیر خورشیدی با پنل‌های فتوولتائیک	تولید هم‌زمان آب و برق	30-35%
4	سامانه‌های تبخیر چندمرحله‌ای (Multi-Stage Evaporation Systems)	استفاده از تبخیر متوالی برای به حداکثر رساندن استفاده مجدد از حرارت	افزایش بازده تبخیر	40-45%
5	ادغام خنک‌کاری ترموالکتریک (Thermoelectric Cooling Integration)	استفاده از ماژول‌های ترموالکتریک برای خنک کردن سطوح میعان	میعان سریع‌تر و بهبود بازیابی آب	15-20%
6	مکانیزم‌های ردیاب خورشیدی (Solar Tracking Mechanisms)	تنظیم زاویه شیب دستگاه تقطیر خورشیدی در طول روز	به حداکثر رساندن جذب تابش خورشیدی	10-12%
7	ادغام تقطیر غشایی (Membrane Distillation Integration)	ترکیب تقطیر خورشیدی با فناوری غشایی	خلوص و بهره‌وری بالاتر	35-40%
8	جاذب‌های مبتنی بر گرافن (Graphene-based Absorbers)	جاذب‌های خورشیدی فوق‌العاده کارآمد با رسانندگی حرارتی بالا	به حداکثر رساندن جذب حرارت برای تبخیر سریع‌تر	25-30%

جدول 5. مقایسه نتایج با مطالعات پیشین و کار حاضر

شماره	پارامتر عملکردی	مطالعات پیشین	کار حاضر (SBSS, DSSS, SSSS)	میزان بهبود (%)
1	بازده حرارتی (%)	28 - 35%	SSSS: 25%, DSSS: 35.3%, SBSS: 39.3%	تا 15%
2	بازده اگزرژی (%)	1.5 - 2.5%	SSSS: 1.1%, DSSS: 2.1%, SBSS: 2.9%	تا 16%
3	بازده روزانه آب (L/m²/day)	3.0 - 5.0	SSSS: 3.3, DSSS: 5.1, SBSS: 5.8	تا 18%
4	دوره بازگشت سرمایه (روز)	25 - 35	SSSS: 29, DSSS: 21, SBSS: 18	تا 20% کوتاه‌تر
5	اتلاف حرارت (W/m²)	150 - 200	SSSS: 180, DSSS: 160, SBSS: 140	-
6	بازده با PCM (%)	35 - 45%	SSSS: 40%, DSSS: 48%, SBSS: 50%	-

• تلفات حرارتی در SBSS به دلیل عایق‌بندی بهبودیافته و عمق بهینه آب، در کمترین مقدار یعنی 140 W/m² بود، در حالی که این مقدار در DSSS برابر با 160 W/m² و در SSSS برابر با 180 W/m² گزارش شد.

مطالعات آینده باید مدل‌های ترکیبی تقطیر خورشیدی را مد نظر قرار دهند که نانوسیال‌ها، مواد تغییر فاز و سامانه‌های خنک‌کاری ترموالکتریک را برای بهبود حفظ حرارت و بازده انرژی تلفیق می‌کنند. عملکرد سامانه همچنین می‌تواند از طریق روش‌های بهینه‌سازی مبتنی بر هوش مصنوعی ارتقا یابد و مقیاس‌پذیری آن را در کاربردهای واقعی نمک‌زدایی تضمین کند. انتظار می‌رود سامانه‌های تقطیر خورشیدی نسل جدید با بهره‌گیری از مکانیزم‌های کنترل خودکار و سامانه‌های ردیاب خورشیدی پیشرفته، به بهره‌وری و بازده بالاتری دست یابند.

قدردانی

نویسندگان مراتب سپاسگزاری و قدردانی خود را از دانشکده مهندسی سینت مادر ترزا (St. Mother Theresa Engineering College) در توتوکودی و دانشکده مهندسی ساویتها (Saveetha School of Engineering) در چنای، برای پشتیبانی‌های ارزشمند و فراهم ساختن امکانات پژوهشی اعلام می‌دارند.