Solar distillation/التقطير الشمسي

▼هذه صفحة موضوع .

يركز موقع Appropedia على الأبحاث الأصلية ، لكن هذه الصفحة توفر سياقًا مفيدًا وتساعد في تصفح الموقع. يمكنك مساعدة Appropedia من خلال تحسين هذه الصفحة .

التقطير الشمسي هو استخدام الطاقة الشمسية لتبخير الماء وجمع المكثفات الناتجة عنه داخل نظام مغلق. وعلى عكس طرق تنقية المياه الأخرى ، يمكنه تحويل المياه المالحة أو قليلة الملوحة إلى مياه شرب عذبة (مثل تحلية المياه ).

يُعرف الهيكل الذي يضم هذه العملية باسم جهاز التقطير الشمسي ، وعلى الرغم من اختلاف الحجم والأبعاد والمواد والتكوين، إلا أن جميعها تعتمد على الإجراء البسيط الذي يدخل فيه محلول وارد إلى النظام وتخرج المذيبات الأكثر تطايرًا في السائل الخارج تاركة وراءها المذاب الملحي. ^{[ 1 ]}

في أي جهاز تقطير شمسي، يتكون التصميم الأساسي من جهاز تجميع مياه الأمطار . في معظم الحالات، يُغطى هذا الجهاز بلوح من الزجاج أو البلاستيك الشفاف، مما يسمح بمرور الإشعاع الشمسي دون أن يتسرب. ثم يتكثف الماء المتبخر بفعل حرارة الشمس على سطح الغطاء البارد. يكون الماء المتكثف خاليًا من الشوائب، مثل الأملاح والمعادن الثقيلة، بالإضافة إلى الكائنات الحية الدقيقة التي قد تكون موجودة في مياه الشرب. والنتيجة النهائية هي توفير مياه عذبة ونظيفة. يمكن لأجهزة التقطير الشمسي إنتاج مياه شرب بكفاءة من مياه الآبار أو الخزانات، وخاصةً التصاميم عالية الكفاءة متعددة المراحل للترطيب، والتي تفصل بين المبخر والمكثف.

يختلف التقطير الشمسي عن أشكال تحلية المياه الأخرى التي تستهلك طاقة أكبر، مثل التناضح العكسي أو غلي الماء، وذلك لاستخدامه الطاقة المجانية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} إذا كانت معالجة المياه الملوثة هي الخيار الأمثل بدلاً من تحليتها، فإن الترشيح الرملي البطيء يُعد خيارًا جيدًا.

من الأكثر تطوراً إلى الأقل تطوراً، إليكم تكويناتها الأساسية الثلاثة:

• يشبه الصندوق
• مخروطي الشكل
• نوع الحفرة

لم تتغير الجوانب الأساسية لجهاز التقطير الشمسي منذ القدم، وتُعد بساطة التصميم إحدى أهم مزاياه. مع ذلك، توجد العديد من الاختلافات في تصميم جهاز التقطير ذي الحوض الواحد، ويمكن تصنيفها إلى فئتين: نشطة وسلبية. تُصنف هذه التصنيفات جهاز التقطير بناءً على طريقة الحصول على الطاقة اللازمة لتبخير الماء. أجهزة التقطير الشمسية السلبية، بطبيعة الحال، هي الأكثر شيوعًا، وقد اقتصر الحديث عنها حتى الآن. أما أجهزة التقطير النشطة، فتستطيع الحصول على الحرارة المهدرة من مصادر متعددة. يُعد استخدام عازل جيد ضروريًا لتقليل الفقد الحراري وإطالة عملية التبخير حتى في الليل. ^{[ 4 ] [ 5 ]} تشمل مواد العزل التي يمكن استخدامها موادًا مثل الستايروفوم المغطى بالبولي بروبيلين، أو الصوف (الذي يحتفظ ببعض خصائصه العازلة حتى وهو مبلل). ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تعتمد أجهزة التقطير الشمسية التقليدية كلياً على الشمس لتقطير الماء، إلا أن تعقيدها قد يصل إلى مستوى أجهزة التقطير النشطة، إن لم يكن إلى مستوى طرق تحلية المياه الأكثر تعقيداً. ولذلك، تتنوع أجهزة التقطير السلبية تنوعاً كبيراً بسبب هذا القيد، ويمكن تصنيفها إلى فئات فرعية. ومن أنواع أجهزة التقطير الشمسية السلبية الشائعة ما يلي:

• أجهزة التقطير أحادية التأثير - تُعدّ أجهزة التقطير أحادية التأثير أبسطها وأكثرها شيوعًا، إذ لا تتطلب سوى واجهة واحدة لنقل الطاقة وجمع المكثفات. ومن الأمثلة على التحديات التصميمية الحاسمة في جميع أجهزة التقطير الشمسية، ضمان إحكام إغلاق جهاز التقطير. فإذا لم يكن محكم الإغلاق، تنخفض الكفاءة بشكل كبير. غالبًا ما يُستخدم حوض ضحل مطلي باللون الأسود ومملوء بالماء. ويُغطى بلوح زجاجي مائل يسمح لبخار الماء المكثف بالانزلاق إلى قناة الإخراج. يُتوقع إنتاج جالون واحد يوميًا لكل متر مربع من الزجاج. وهناك نهج آخر يتمثل في استخدام البلاستيك المصبوب (مثل Watercone ). يتميز هذا النهج بسهولة إحكام إغلاقه، كما أن الإنتاج الضخم يجعله في متناول الجميع. وتبلغ الكفاءة النموذجية 25%. ويكون الإنتاج اليومي، كدالة للإشعاع الشمسي، في أعلى مستوياته في أوائل المساء عندما يكون ماء التغذية لا يزال ساخنًا ولكن مع انخفاض درجات الحرارة الخارجية. ويُعدّ اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية. ويمكن أن يكون الغطاء من الزجاج أو البلاستيك. يُعتبر الزجاج الخيار الأمثل لمعظم التطبيقات طويلة الأمد، بينما يُمكن استخدام البلاستيك (مثل البولي إيثيلين) للاستخدامات قصيرة الأمد. يُعدّ الخرسانة الرملية أو الخرسانة المقاومة للماء الخيار الأفضل لحوض جهاز التقطير طويل الأمد إذا كان سيتم تصنيعه في الموقع، أما بالنسبة لأجهزة التقطير المصنّعة في المصانع، فإن الخرسانة المسلحة مسبقة الصنع تُعدّ مادة مناسبة.
• أجهزة التقطير متعددة التأثير - تحتوي أجهزة التقطير متعددة التأثير على حجرتين أو أكثر. سطح التكثيف في الحجرة السفلية هو أرضية الحجرة العلوية. توفر الحرارة المنبعثة من البخار المتكثف الطاقة اللازمة لتبخير ماء التغذية في الأعلى. وبالتالي، تكون الكفاءة أعلى من كفاءة أجهزة التقطير أحادية الحوض، حيث تصل عادةً إلى 35% أو أكثر، ولكن التكلفة والتعقيد أعلى تبعًا لذلك، ويتطلب الأمر ضعف الجهد لضمان إحكام الإغلاق، وقد يكون تنظيفها أكثر صعوبة. ^{[ 10 ]} كما تختلف طريقة تخزين الماء خلال فترة وجوده في الحالة السائلة.
• أجهزة التقطير من نوع الحوض - تحتوي أجهزة التقطير من نوع الحوض على الماء في مادة غير منفذة تشكل جزءًا من الغلاف بأكمله وهي الأكثر انتشارًا.
• أجهزة التقطير بالفتيل - في جهاز التقطير بالفتيل، يتدفق الماء ببطء عبر وسادة مسامية ماصة للإشعاع (الفتيل). يتميز هذا النوع من أجهزة التقطير بميزتين عن أجهزة التقطير التقليدية. أولاً، يمكن إمالة الفتيل بحيث يُشكّل الماء زاوية أفضل مع الشمس (مما يقلل الانعكاس ويوفر مساحة فعالة أكبر). ثانياً، تكون كمية الماء الداخلة إلى جهاز التقطير أقل في أي وقت، وبالتالي يتم تسخين الماء بسرعة أكبر وإلى درجة حرارة أعلى. تستخدم أجهزة التقطير بالفتيل مواد شبيهة بالقماش تعتمد على الخاصية الشعرية لنقل الماء عبر النظام. عندما تكون الكفاءة والفعالية أساسيتين، تتفوق أجهزة التقطير بالفتيل على أجهزة التقطير التقليدية من حيث الإنتاج نظرًا لمساحة التبخر الأكبر، وانخفاض تكلفة الطاقة اللازمة لتسخين الماء، والقدرة على توفير مساحة فعالة أكبر بكثير لنقل الطاقة من الإشعاع الشمسي إلى الماء. ^{[ 11 ]} قد تكون تكلفة بعض تصاميم أجهزة التقطير بالفتيل أقل من تكلفة جهاز التقطير التقليدي ذي الإنتاجية نفسها.
• أجهزة التقطير متعددة الفتائل - من الواضح أن أجهزة التقطير متعددة الفتائل تعتمد على أجهزة التقطير التقليدية ذات الفتائل، ومثل فرضية التأثير المتعدد المذكورة أعلاه، فإنها تزيد الإنتاجية بشكل كبير من خلال زيادة مساحة السطح المتأثر بشكل كبير. ^{[ 12 ]}
• أجهزة التقطير من نوع الانتشار - تعتمد أجهزة التقطير من نوع الانتشار على الأفكار التي قدمتها أجهزة التقطير متعددة التأثير وأجهزة التقطير ذات الفتائل، وتُعدّ تطورًا إضافيًا لكليهما. ولعلّ تاناكا وناكاتاكي هما أفضل من يشرح تصميم هذه الأجهزة الفعّالة، إذ يقولان: "تتكون هذه الأجهزة من سلسلة من الحواجز المتوازية المتقاربة والمتصلة بفتائل مشبعة بمحلول ملحي، وتتمتع بإمكانيات هائلة نظرًا لإنتاجيتها العالية وبساطتها." ^{[ 13 ]}
• أجهزة التقطير في البيوت الزجاجية - اجمع بين مفهوم أجهزة التقطير الشمسية والبيوت الزجاجية.
• جهاز تقطير طوارئ - لتوفير مياه الشرب في حالات الطوارئ على اليابسة، يمكن صنع جهاز تقطير بسيط للغاية. يعتمد هذا الجهاز على رطوبة التربة. كل ما يلزم هو غطاء بلاستيكي، وعاء أو دلو، وحصاة.

تستخدم هذه المقطرة مصادر حرارة إضافية لتعزيز العمليات الحرارية القائمة. ^{[ 14 ]} وقد تم وضع أساس تصميم هذه المقطرة في القسم السابق، لذا سيتم مناقشة المصادر المتعلقة بهذا النوع من أجهزة التقطير الشمسي بإيجاز.

• أجهزة تركيز القطع المكافئ المركبة (CPCs)
• مجمعات الألواح المسطحة ^{[ 15 ]}
• سخان شمسي
• الحرارة المهدرة الجديدة - يمكن استخدام الحرارة المهدرة كمصدر إضافي للطاقة، على سبيل المثال من محرك أو مكثف ثلاجة أو مشعاع سيارة. ^{[ 16 ]}
• تجميع مياه الأمطار - من خلال إضافة ميزاب خارجي، يمكن استخدام غطاء جهاز التقطير لتجميع مياه الأمطار لتكملة إنتاج جهاز التقطير الشمسي.

تضيف أجهزة التقطير النشطة عنصرًا آخر من التعقيد إلى التصميم الأساسي غير المعقد، ولكن مرة أخرى يمكن لهذا التعديل أن يعزز توليد كميات أكبر من المياه العذبة بشكل أسرع.

تتشابه الخصائص الرئيسية للتشغيل في جميع أجهزة التقطير الشمسي. ينتقل الإشعاع الشمسي الساقط عبر الغطاء الزجاجي أو البلاستيكي، ويمتص على شكل حرارة بواسطة سطح أسود ملامس للماء المراد تقطيره. وبذلك، يسخن الماء وينتج عنه بخار ماء. يتكثف البخار على الغطاء، الذي يكون عند درجة حرارة أقل لملامسته الهواء المحيط، ثم ينساب إلى قناة تصريف، ومنها يُضخ إلى خزان التخزين.

للحصول على كفاءة عالية، يجب أن يحافظ جهاز التقطير الشمسي على ما يلي:

• درجة حرارة عالية للماء المغذي (غير المقطر)
• فرق كبير في درجة الحرارة بين ماء التغذية وسطح التكثيف
• تسرب منخفض للبخار

يمكن تحقيق درجة حرارة عالية لمياه التغذية إذا:

• يمتص الماء المغذي نسبة كبيرة من الإشعاع الوارد على شكل حرارة. لذا، يلزم استخدام زجاج منخفض الامتصاص وسطح جيد لامتصاص الإشعاع.
• يتم الحفاظ على انخفاض فقدان الحرارة من الأرضيات والجدران
• المياه ضحلة، لذا لا يوجد الكثير مما يجب تسخينه

يمكن تحقيق فرق كبير في درجة الحرارة إذا:

• لا يمتص السطح المكثف إلا القليل من الإشعاع الوارد أو لا يمتصه على الإطلاق
• يُبدد الماء المتكثف الحرارة التي يجب إزالتها بسرعة من سطح التكثف، على سبيل المثال، عن طريق تدفق ثانٍ من الماء أو الهواء، أو عن طريق التكثف ليلاً.

توجد العديد من الطرق المختلفة لبناء أجهزة التقطير الشمسي، وأبسطها تتضمن حفر حفرة، بينما الأكثر تعقيداً يأتي من خط إنتاج.

تشمل مواد البناء الشائعة ما يلي:

• العزل (عادةً ما يكون أسفل الحوض)
• مواد مانعة للتسرب
• الأنابيب والصمامات
• مرافق للتخزين
• عاكس لتركيز ضوء الشمس
• المكونات الهيكلية
• أقمشة ماصة للرطوبة
• خشب متفحم
• الجوت الأسود
• بولي إيثيلين أسود

تُفضل المواد المتوفرة محلياً بشكل عام، ولكن قد يكون من الضروري الحصول على العديد من الأشياء، مثل مواد منع التسرب، من موردين أجانب. ^{[ 12 ]}

بما أن أحد الأهداف الرئيسية للتقطير الشمسي هو توفير مصدر مياه نظيف، فإن التعقيم المناسب بعد التركيب أمر بالغ الأهمية. ومن طرق التنظيف الأقل كثافة استخدام الصابون أو مسحوق الغسيل. يُعد الغطاء الزجاجي أسهل في الصيانة من الغطاء البلاستيكي، نظرًا لخصائص البلاستيك الكهروستاتيكية التي تجعله جاذبًا للرواسب. ^{[ 17 ]} ويمكن استخلاص المحلول الملحي المتبقي بعد التقطير الكامل للحصول على ملح البحر، إذ أصبح سلعة قيّمة بحد ذاتها. ^{[ 18 ]}

على الرغم من انتشار أنواع جديدة، لا يزال تصميم الحوض الواحد هو التصميم الوحيد الذي أثبت فعاليته ميدانيًا. تم بناء ما لا يقل عن 40 جهاز تقطير بحوض واحد بمساحات تزيد عن 100 متر مربع (وتصل إلى 9000 متر مربع) بين عامي 1957 و1980. 27 منها بأغطية زجاجية و9 بأغطية بلاستيكية. لا يزال 24 جهازًا من أجهزة التقطير ذات الأغطية الزجاجية يعمل بشكله الأصلي، بينما لا يزال جهاز واحد فقط من الأجهزة ذات الأغطية البلاستيكية قيد التشغيل. وتعمل مئات من أجهزة التقطير الأصغر حجمًا، لا سيما في أفريقيا. وتعتمد تكلفة المياه النقية المنتجة على:

• تكلفة صنع جهاز التقطير
• تكلفة الأرض
• حياة السكون
• تكاليف التشغيل
• تكلفة مياه التغذية
• تم اعتماد معدل الخصم
• كمية المياه المنتجة

تتراوح تكلفة جهاز التقطير الشمسي عادةً بين 50 و70 جنيهًا إسترلينيًا للمتر المربع في المملكة المتحدة. عادةً ما يكون سعر الأرض جزءًا صغيرًا من هذه التكلفة في المناطق الريفية، ولكنه قد يكون باهظًا في المدن. يُقدّر العمر الافتراضي لجهاز التقطير الزجاجي عادةً بين 20 و30 عامًا، ولكن قد تكون تكاليف التشغيل مرتفعة، خاصةً لاستبدال الزجاج المكسور. يختلف الأداء بين المناطق الاستوائية، ولكن ليس بشكل كبير. يبلغ متوسط ​​الإنتاج النموذجي 2.5 إلى 3.0 لتر/م²/يوم، أي حوالي 1 متر مكعب/م²/سنة.

هناك حاجة ماسة إلى مياه شرب نظيفة ونقية في العديد من الدول النامية. فغالباً ما تكون مصادر المياه مالحة (أي تحتوي على أملاح ذائبة) و/أو تحتوي على بكتيريا ضارة، وبالتالي لا يمكن استخدامها للشرب. إضافةً إلى ذلك، توجد العديد من المناطق الساحلية التي تتوفر فيها مياه البحر بكثرة، ولكن لا تتوفر فيها مياه صالحة للشرب. كما أن الماء النقي مفيد للبطاريات وفي المستشفيات والمدارس. التقطير هو إحدى العمليات العديدة التي يمكن استخدامها لتنقية المياه. ويتطلب هذا العملية مدخلات طاقة، كالحرارة أو الإشعاع الشمسي. في هذه العملية، يتبخر الماء، مما يفصل بخار الماء عن المواد الذائبة، التي تتكثف لتشكل ماءً نقياً.

تُستخدم أجهزة التقطير الشمسي عمومًا في المناطق التي يصعب فيها الحصول على المياه عبر الأنابيب أو الآبار. تشمل هذه المناطق المواقع النائية أو تلك التي تعاني من انقطاعات متكررة للتيار الكهربائي تجعل المضخات غير موثوقة. في مثل هذه المناطق، يمكن لأجهزة التقطير الشمسي أن توفر مصدرًا بديلًا للمياه النظيفة. يُستخدم جهاز التقطير الشمسي الصغير بشكل رئيسي في الدول النامية التي لم تصل بعد إلى مرحلة تطوير تقنية تقطير كميات كبيرة من المياه بكفاءة على نطاق تجاري. لكن يعيبه أن كل جهاز ينتج كمية صغيرة نسبيًا من المياه النظيفة.

يُستخدم جهاز التقطير الشمسي أيضًا في حالات البقاء على قيد الحياة في المناطق النائية. يمكن صنع أجهزة تقطير شمسية بسيطة باستخدام معدات التخييم الأساسية والمواد المتوفرة في البيئة الطبيعية. عادةً ما تكون أجهزة التقطير المستخدمة لأغراض البقاء على قيد الحياة من النوع البسيط نسبيًا، نظرًا لسهولة صنعها. يمكن استخلاص الرطوبة من الأرض، ولكن يمكن تعويض الرطوبة المتوفرة محليًا بإضافة الماء داخل جهاز التقطير أو على حوافه. في حال عدم توفر مصادر مياه، يمكن استخدام البول أو بقايا النباتات المقطعة داخل الحفرة. على الرغم من أن أجهزة التقطير الشمسية المؤقتة غالبًا لا توفر كمية كافية من الماء للبقاء على قيد الحياة لفترات طويلة، إلا أنها قد تمنع الجفاف لفترات قصيرة.

تعتمد العديد من المجلات والباحثين وغيرهم بشكل مفرط على الجوانب التقنية للتقطير الشمسي لإثبات جدواه. ^{[ 19 ]} ولكي تكون هذه التقنيات مستدامة اجتماعيًا، يجب أن: ^{[ 19 ]}

• أن تكون مقبولاً من قبل المجتمع
• تلبية احتياجاتهم من المياه
• يجب أن يكون ذلك ضمن قدراتهم على التشغيل والصيانة

لم يتغير الوضع الراهن كثيرًا عما كان عليه قبل خمسين عامًا. لا تزال التقنيات كثيفة الاستهلاك للطاقة والتكلفة تتفوق على تحلية المياه في العالم الحديث. ^{[ 20 ]} ولهذا السبب، تلجأ العديد من الدول والمجتمعات النامية، على المستويين الكبير والصغير، إلى الوضع الراهن ، رغم وجود حلول أكثر ملاءمة. ^{[ 21 ]}

يحتاج الإنسان إلى لتر أو لترين من الماء يوميًا للبقاء على قيد الحياة. الحد الأدنى المطلوب للحياة الطبيعية في الدول النامية (بما في ذلك الطبخ والتنظيف وغسل الملابس) هو 20 لترًا يوميًا (بينما يتراوح الاستهلاك النموذجي في الدول الصناعية بين 200 و400 لتر يوميًا). مع ذلك، يمكن أداء بعض الوظائف باستخدام الماء المالح، ويبلغ الاستهلاك النموذجي للماء المقطر 5 لترات للشخص الواحد يوميًا. لذا، يلزم توفير مترين مربعين من الماء المقطر لكل شخص.

يُنصح عادةً باستخدام أجهزة التقطير الشمسي لإزالة الأملاح الذائبة من الماء فقط. في حال وجود خيار بين المياه الجوفية قليلة الملوحة أو المياه السطحية الملوثة، يكون استخدام مرشح رملي بطيء أو أي جهاز معالجة آخر عادةً أقل تكلفة. أما في حال عدم توفر المياه العذبة، فإن البدائل الرئيسية هي تحلية المياه، والنقل، وجمع مياه الأمطار.

على عكس تقنيات تحلية المياه الأخرى، تُعدّ أجهزة التقطير الشمسي أكثر جاذبية كلما قلّ الإنتاج المطلوب. تتناسب التكلفة الرأسمالية الأولية لهذه الأجهزة تقريبًا مع سعتها، بينما تتميز الطرق الأخرى بوفورات كبيرة في الإنتاج. لذا، يُعدّ جهاز التقطير الشمسي الخيار الأمثل اقتصاديًا للأسر. أما بالنسبة للإنتاج الذي يبلغ مترًا مكعبًا واحدًا يوميًا أو أكثر، فينبغي النظر في استخدام التناضح العكسي أو التحليل الكهربائي كبديل لأجهزة التقطير الشمسي. ويتوقف الكثير على مدى توفر الطاقة الكهربائية وسعرها.

بالنسبة للإنتاج الذي يبلغ 200 متر مكعب يوميًا أو أكثر، عادةً ما يكون ضغط البخار أو التبخير السريع أقل تكلفة. ويمكن تلبية جزء من احتياجات الطاقة لهذه التقنية الأخيرة باستخدام سخانات المياه الشمسية. في أجزاء كثيرة من العالم، تُنقل المياه العذبة من منطقة أو موقع آخر بواسطة القوارب أو القطارات أو الشاحنات أو خطوط الأنابيب. وتكون تكلفة المياه المنقولة بالمركبات عادةً مماثلة لتكلفة المياه المنتجة بواسطة أجهزة التقطير الشمسي. وقد يكون خط الأنابيب أقل تكلفة للكميات الكبيرة جدًا. يُعد تجميع مياه الأمطار تقنية أبسط من التقطير الشمسي في المناطق التي لا تعاني من ندرة الأمطار، ولكنه يتطلب مساحة أكبر وخزان تخزين أكبر عادةً. وإذا وُجدت أسطح تجميع جاهزة (مثل أسطح المنازل)، فقد تُوفر مصدرًا أقل تكلفة للحصول على المياه النظيفة.

يُعدّ دورة الماء الطبيعية التي تمر بها الأرض مثالاً شائعاً جداً، بل وأكبر مثال على التقطير الشمسي. وقد ورد في كتاب "فهم أجهزة التقطير الشمسي" ما يلي: ^{[ 22 ]}

يتطلب تبخير الماء كمية كبيرة من الطاقة. فبينما يلزم مقدار معين من الطاقة لرفع درجة حرارة كيلوغرام واحد من الماء من صفر إلى 100 درجة مئوية، يتطلب تحويله من ماء عند 100 درجة مئوية إلى بخار ماء عند 100 درجة مئوية خمسة أضعاف ونصف من هذه الطاقة. ومع ذلك، تُعاد كل هذه الطاقة تقريبًا عند تكثف بخار الماء. هكذا نحصل على الماء العذب في السحب من المحيطات، عن طريق التقطير الشمسي. فجميع المياه العذبة على الأرض ناتجة عن التقطير الشمسي.

تُعدّ رحلة جزيء الماء من الحالة المائية إلى الحالة الغازية رحلةً شاقة. ويُعدّ فرق درجة الحرارة بين سطح الماء وسطح التماس، سواءً كان زجاجًا أو بلاستيكًا، عاملًا بالغ الأهمية. ومن المعادلات ذات الصلة: ^{[ 23 ]}

• تصف المعادلة 1 الكفاءة الحرارية الآنية فيما يتعلق بمعدل انتقال الحرارة التبخيري من سطح الماء إلى الغطاء الزجاجي وشدة الإشعاع الشمسي.
• تمثل المعادلة 2 معدل انتقال الحرارة التبخيري من المعادلة (1) وعلاقته بحاصل ضرب معامل انتقال الحرارة بالحمل من سطح الماء إلى الزجاج والفرق بين الضغط الجزئي لبخار الماء والغاز.
• المعادلة 3 هي المعادلة المستخدمة لتحديد الإنتاج الشهري للمقطرات.
• تم تطوير المعادلة 4 لوصف فترة الاسترداد، n _p كدالة لـ Unacost، أو المبلغ السنوي الموحد في نهاية العام حيث P هي التكلفة الأولية و i هو معدل الفائدة.

الطاقة اللازمة لتبخير الماء هي الحرارة الكامنة لتبخير الماء، وقيمتها 2260 كيلوجول لكل كيلوغرام (كيلوجول/كيلوجرام). هذا يعني أن إنتاج لتر واحد (أي كيلوغرام واحد، لأن كثافة الماء كيلوغرام/لتر) من الماء النقي بتقطير الماء المالح يتطلب طاقة حرارية مقدارها 2260 كيلوجول. ولا يشمل هذا حساب كفاءة طريقة التسخين، التي ستكون أقل من 100%، أو استعادة أي حرارة كامنة تُفقد عند تكثف بخار الماء.

تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن تبخير الماء يتطلب 2260 كيلوجول/كيلوجرام من الطاقة، فإن ضخ كيلوغرام واحد من الماء عبر ارتفاع 20 مترًا لا يتطلب سوى 0.2 كيلوجول/كيلوجرام. ولذلك، يُلجأ إلى التقطير عادةً فقط في حال عدم وجود مصدر محلي للمياه العذبة يمكن ضخه أو رفعه بسهولة.

تُعطى طريقة تقريبية لتقدير إنتاج جهاز التقطير الشمسي بالصيغة التالية:

Q = (E x G x A) / 2.3

أين:

• Q = الإنتاج اليومي من المياه المقطرة (لتر/يوم)
• E = الكفاءة الإجمالية
• G = الإشعاع الشمسي العالمي اليومي (ميغا جول/م²)
• A = مساحة فتحة جهاز التقطير، أي مساحات المخطط لجهاز التقطير البسيط (²)

في بلد نموذجي، يبلغ متوسط ​​الإشعاع الشمسي العالمي اليومي 18.0 ميجا جول/م² (5 كيلوواط ساعة/م²). ومع ذلك، لا تزال كفاءة حوض بسيط تبلغ حوالي 30%. وبالتالي، فإن الناتج لكل متر مربع من المساحة هو:

الإنتاج اليومي = (0.30 × 18.0 × 1) / 2.3 = 2.3 لتر (لكل متر مربع)

لذلك، يُشار غالبًا إلى الإنتاج السنوي لجهاز التقطير الشمسي بأنه حوالي متر مكعب واحد لكل متر مربع.

يُعدّ تقطير المياه بالطاقة الشمسية تقنيةً شمسيةً عريقة، إذ بُنيت منشآتها منذ أكثر من ألفي عام، وإن كان ذلك لإنتاج الملح لا مياه الشرب. بدأ الاستخدام الموثق لأجهزة التقطير الشمسية في القرن السادس عشر. وفي عام ١٨٧٢، بُني أول جهاز تقطير شمسي كبير لتزويد مجتمع تعدين في تشيلي بمياه الشرب. وشهد الإنتاج الضخم أول مرة خلال الحرب العالمية الثانية، حيث صُنع ٢٠٠ ألف جهاز تقطير بلاستيكي قابل للنفخ ليُحفظ في قوارب النجاة التابعة للبحرية الأمريكية.

استُخدمت أجهزة التقطير الشمسي لمئات السنين. يعود تاريخ أقدم الأمثلة المعروفة إلى عام 1551 عندما استخدمها الكيميائيون العرب. في عام 1882، اخترع تشارلز ويلسون أول جهاز تقطير تقليدي حديث - محطة تقطير شمسي ضخمة استُخدمت لتزويد مجتمع تعدين في شمال تشيلي بالمياه العذبة. واليوم، بُنيت مئات من محطات التقطير الشمسي وآلاف من أجهزة التقطير الشمسي الفردية حول العالم.

يُنسب الفضل على نطاق واسع في استخدام الطاقة الشمسية لتحلية المياه إلى أرسطو خلال القرن الرابع قبل الميلاد ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 22 ]} وتشير الإسنادات السابقة إلى الكتاب المقدس واستخدام موسى لقطعة من الخشب لإزالة "المرارة" من الماء (خروج 15:25، النسخة الإنجليزية القياسية). أول توثيق لاستخدام التقطير الشمسي لتحلية المياه كان من قِبل جيوفاني باتيستا ديلا بورتا عام ١٩٥٨. ^{[ ٢٤ ]} ومع ذلك، لا يغفل أي منشور موثوق في مجال التقطير الشمسي ذكر كارلوس ويلسون، رائد هذه التقنية، ومُنشئ أول محطة حديثة لتحلية المياه تعمل بالطاقة الشمسية، والتي بُنيت في لاس ساليناس (الأملاح)، تشيلي عام ١٨٧٢. ^{[ ٢٤ ] [ ٢٢ ] [ ٢٧ ] [ ٢٨ ] [ ٢٩ ] [ ٣٠ ]} ويمكن اعتبار محطة التحلية هذه "أول منشأة صناعية لاستغلال الطاقة الشمسية". ^{[ ٣٠ ]} وقد صُممت محطة لاس ساليناس للاستفادة من مخلفات تعدين نترات البوتاسيوم القريبة لتزويد عمال المناجم وعائلاتهم بالمياه العذبة. ^{[ ٢٤ ]} كانت المحطة كبيرة جدًا في ذلك الوقت، وما زالت كذلك حتى الآن. ^{[ ٢٤ ]}

شُيّد المصنع من الخشب وهيكل خشبي مغطى بلوح زجاجي واحد. وتألف من 64 حوضًا بمساحة إجمالية قدرها 4450 مترًا ^مربعًا ، ومساحة أرضية إجمالية قدرها 7896 مترًا ^مربعًا . وكان ينتج 22.70 مترًا ^مكعبًا من المياه العذبة يوميًا. وظل المصنع يعمل لمدة 40 عامًا تقريبًا حتى نفدت المناجم.

تراجع الاهتمام بالتقطير الشمسي لفترة من الزمن، إلى أن حفزت أحداث تاريخية إجراء المزيد من البحوث والتطوير. شكلت الحرب العالمية الثانية حافزًا كبيرًا لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لتطوير أجهزة تقطير شمسية مناسبة للاستخدام في المناطق النائية من العالم أثناء حالات الطوارئ. صُممت هذه الأجهزة الصغيرة لتطفو على سطح الماء وتجمع مياه البحر لتحليتها أثناء طفوها بجانب قوارب النجاة والزوارق. ^{[ 24 ]} وفي عام 1952، أجرى مكتب المياه المالحة، التابع للحكومة الأمريكية، دراسات أكثر أهمية حول التقطير الشمسي. أُجريت العديد من التجارب على تصورات مختلفة لجهاز التقطير الشمسي، بما في ذلك الأحواض متعددة التأثير واستخدام المكثفات. ^{[ 24 ]} انتهى هذا التوجه في أوائل السبعينيات مع ظهور تقنيات تحلية مياه أكثر ربحية، مثل التناضح العكسي المذكور سابقًا أو التبخير متعدد المراحل، وهي تقنية تتضمن سلسلة من المراحل حيث يعتمد التبخر على خفض ضغط كل مرحلة لخفض درجة غليان الماء أو "تبخيره". ^{[ 31 ] [ 32 ]} اليوم، ينبع الحماس المتجدد للتقطير الشمسي من الأفراد والمجتمعات والمنظمات التي تسعى إلى تقنية مناسبة تكون رخيصة وبسيطة وقابلة للتطبيق في المناطق الريفية. ^{[ 17 ]}

جهاز تقطير المياه بالطاقة الشمسية سعة 55 جالونًا

مشروع أسومادا لتحلية المياه بالطاقة الشمسية

تحسين أجهزة التقطير الشمسي في الأحواض

سولار بورا: جهاز تقطير شمسي رأسي عالي الكفاءة

تقطير الكحول باستخدام الوقود الشمسي

نظام تنقية المياه بالطاقة الشمسية مع التسخين الشمسي

جهاز تقطير الطاقة الشمسية UTC

مخروط مائي

جهاز تحلية المياه الهرمي

• فهم أجهزة التقطير الشمسي (منشور فيتا)
• مُركِّزات القطع المكافئ المركبة
• التقطير الشمسي TB

• ويكيبيديا: جهاز التقطير الشمسي
• ويكيبيديا: هرم الماء - جهاز تقطير شمسي تجاري
• أجهزة التقطير الشمسية الكهروضوئية: تصميم أكثر كفاءة - يمكن تحسين فصل الحجرتين
• أكوافر WTS-40 - يمكنه استخدام الطاقة الحرارية/حرارة الشمس
• مياه عذبة باستخدام جهاز تقطير المياه المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد

• مالك وآخرون (1982) التقطير الشمسي ، دار بيرغامون للنشر - يقدم نصًا تقنيًا شاملًا
• تطوير التقنيات المناسبة في بيرو (1988) مجلة خطوط المياه، المجلد 7، العدد 2.