دراسة تجريبية لتأثير الصفيحة الماصة على فعالية المقطر الشمسي البسيط ذو الميل الواحد في منطقة ورقلة

 قوارح مليكه، باباي سعاد، بوقطاية حمزة، بشكي جمال، بوغالي سليمان، بوشكيمة بشير 

 Department of Physics, Laboratory of New and Renewable Energy in Arid Zones (LENREZA),

 Ouargla University, 30000, Algeria.

 الملخص: التقطير الشمسي باستعمال مقطر بسيط ذو ميل واحد هو أحد الطرق الحديثة والبسيطة المستعملة بكثرة في تحلية المياه المالحة نظرا لاعتماده على الطاقة الشمسية وهي جاهزة وغير مكلفة من جهة، و تركيبته التجريبية مبسطة وسهلة الصيانة من جهة أخرى. والهدف من هذه الدارسة  هو المساهمة في  زيادة وتحسين المعدل اليومي للمقطر الشمسي وذلك باستعمال مقطرين متماثلين وإجراء مقارنة بينهما الأول بصفيحة ماصة مطلية بالأسود واعتبرناه كشاهد، و الثاني( المدروس ) أجرينا عــليه  عدة تحسينات باستعمال الرمل على مستوى الحوض لما له من مميزات في زيادة مساحة التقاط الإشعاع الشمسي من جهة ومضاعفة فترة تخزين الطاقة الحرارية من جهة أخرى . وقد تمت الدراسة على مستوى مخبر الطاقات الجديدة و المتجددة للمناطق الصحراوية (LENREZA) بقسم علوم المادة جامعة ورقلـة، على مدار خمسة أشهر (فيفري - جوان 2009 ) . و انطلاقا من مجموعة السلاسل التجريبية المنجزة على المقطر الشمسي ذو ميل واحد نستنتج أنه كلما كان قطر حبيبات الرمل أصغر كانت كمية الماء المقطر المنتجة أكبر. وأن باستعمال طبقتين من الرمل على الحوض (مع طلاء الحوض بالأسود) تحصلنا على نسبة تحسين تقدر ب 10.98% في حالة حبيبات الرمل 0.3 mm( .

 الكلمات الدالة: الطاقة الشمسية، التقطير الشمسي، المقطر الشمسي بميل واحد، الصفيحة الماصة، الرمل.

 1.المقدمة:  كان الماء و لازالا لوسيطبين الإنسان والطبيعة فهو عصب الحياة، لقوله تعالى : ﴿وجعلنا من الماء كل شيء حيِّ أفلا يؤمنون﴾الأنبياء: 30 .  ازدهرت الحضارات المعـروفة حيثما كانت مصادرالمـاء وفيرة، لكن أغلبية الناس يجهلون أنّ هذه المـاد ةنادرة جــدّا، فـ % 97.5  من ماءالعالممالحا   أماالماء العذب فلا يمثّل سوى%2.5 الباقية،والجزءالهاممنهاغير مستعمل ،لأن % 70 من هذاالماءمتراكمفي أكوامثلجيةفيالقطبين.

 يمثّل نقص المياه المعضلةا لأولى للقرن الواحد والعشرين. فمنذ قرن تزايد استهلاك الماء بوتيرة تفوق مرّتين زيادةالسكان، فمن المتوقع أن يرتفع عدد السكان في العالم بحلول سنة  2025 من09 ×6.7  الآنإلى109× 8 ،وستكونأحدىالتحديات الرئيسيةفيضوءهذاالنموالسكانيهيالقدرة على  تحسين كفاءة استخدام المياه وإنتاجيتها، وكفالة الوصول المنصف إلى موارد المياه.  تشير تقديرات منظمة الأمم المتحدة و اليونسكو إلى أن أكثرمن hab109 ×  1.4 لايتمتعونبالماءالصالحللشراب،هذا العدد سيبلغ hab   109 ×  2.5 سنة 2025  أي ثلث سكان العالم. وهذه التقديراتتخلص إلى أن هفيسنة 2025 سيعيش hab  109 × 1 حالة منندرة المياه( أقل من 1000 m3 بالنسبة للشخصالواحد) وسيعيش hab   106 ×  450 فيبلدان ستستغل كامـل قدراته االمائية (عوضا عن hab  106 ×  32  اليوم) لقدارتفعا ستهلاك المياه منذ بداية القرن العشرين بـ6 أضعاف. فبينم اكانتكمية المياه المتوفرةب النسبة للفرد الواحد  m3103×18 سنة  1950أصبحت  m3103×  7.5سنة 1995  لتنخفضإلى103× 5سنة 2025   ويقدرالخبراء أن الطلب على الماء سيفوق العرض فالمسألة لا تتوقف على كميات الماء المتوفرةبلتتعداها إلى تلوث المياه السطحية والجوفيةعلى حدّسواء وإلى الاستعمال الجائر لمصادر المياه. بالنسبة للبلدان العربية فإن الفجوة المائية العربية بينها و بين بلدان العالم في اتساع مستمر فإذاكانت بلدان الشرقا لأوسط و بلدان الخليج تعاني منشحّ المياه فإن بلدان أخرىكالعراق ومصر تعتمدعلى مياه أنهارلاتنبع من بلادها. معظم الدول العربية  تقع تحت خطّ الفقرالمائيف هناك   hab  106 × 50 محرومون من الماء الصالح للشربو hab   106 ×  70 محرومون من الصرف الصحي   والجزائر مثلها مثل باقي دول العالم مهددة بالجفاف في السنوات القادمة بسبب الخصائص المناخية التي تتراوح بين الجاف والشبه الجاف على معظم أراضيها. فهي غير وفيرة للأمطار في وقت يزداد فيه الطلب على المياه بسبب تنامي القطاعات المستهلكة كالصناعة والزراعـة، بالإضافة إلى التزايد السكاني المستمر.عرفت الجزائر زيادة في معدل النمو السكاني منذ الاستقلال حيث قدر عدد سكان الجزائر بـhab  106 ×23  سنة 1987 ، ويتوقع أن يصل إلى hab  106 × 46 سنة 2020 . وقد عرفت في السنوات الأخيرة تراجعا تدريجيا في حجم المياه العذبة حيث انخفض نصيب الفرد الجزائري من الماء من / an  m31500عام 1962 إلى حـوالي / an  m3  500 حاليا ويتوقع خبراء أن يتراجع المعـدل إلى أدنى من / an  m3430 عام 2020 [5] . وبسبب الحاجة إلى الماء تطلع العالم مليًا عبر التاريخ إلى مياه البحار والمحيطات، هذا المعين الذي لا ينضب. ويعتقد حاليًا أكثر من أي وقت مضى أن تحلية المياه المالحـة بطـرقها المختلفة تعدخيارًافنيًالمواجـهة الاحتياجالمتـزايد للمـاء العـذب. ويعتبر التقطير الشمسي أحد التقنيات البسيطة المستعملة في تحلية المياه،  إذ تعتبر الشمس المحرك الأساسي لهذه العملية ، و هذا ما سندرسه في هذا العمل باستعمال مقطر شمسي بسيط ذو ميل واحد . يعتبر المقطر الشمسي ذو ميل واحد من أكثر المقطرات الشمسية استعمال في العالم، وقد أجــريت علـيه عـدة أبحـاث نظـرية وتجــريبية نذكـــر منـها:

 M.A.Samee أجريت التجارب على مقطر الشمسي ذو ميل واحد (33.3°) ، و وجد أن فعالية المقطر تصل إلى 30.65 % .   A .El-Sebaii et al  لوحظ تأثير كل من ميل الزجاج و عمق الماء في الحوض في فترة النهار و الليل ، و تم استنتاج أن إنتاج المقطر يقل إذا كان عمق الماء كبير خلال النهار والعكس خلال الليل،  وأن ميل الزجاج يكون 10° و50° خلال فصلي الصيف والشتاء على التوالي . الفعالية اليومية للمقطر هي حوالي 27% . الدراسة  النظرية والتجريبية التي أجريت على المقطر الشمسي ذو ميل واحد تمت من طرف A.Safwat Nafey و H.N.Singh et al لدراسة تأثير كل من الإشعاع الشمسي و سرعة الرياح و درجة حرارة الهواء المحيط و ميل الزجاج و عمق الماء في الحوض. M.A. Mohamad et al   استعملوا عدة عوازل لدراسة تأثير العازل على الإنتاج للمقطر، و أثبتت النتائج أن إنتاج المقطر يزداد بـ 35% إذا زادت درجة حرارة الهواء المحيط من17°   إلى 30° ، وأن نشارة الخشب من أحسن المواد التي تستعمل في عزل المقطر.

Bassam et alقاموابدراسة تجريبية على مقطر شمسي يحتوي على مكعبات إسفنج في الحوض.R.Tripathi et al

قاموا بتقييم أداء المقطر الشمسي باستعمال مفهوم الانكسار الشمسي. R.Tripathi et al درسوا تأثير عمق الماء على انتقال الحرارة و الكتلة الداخلية للتقطير الشمسي النشيط .  et al A.Tiwari درسوا تأثير ميل غطاء التكثيف على انتقال الحرارة و الكتلة الداخلية في التقطير(محاكاة داخلية) . المرجع  Bilal A et al   يمثل التقييم التجريبي للمقطر الشمسي باستعمال مواد مختلفة لامتصاص اكبر قدر من الطاقة الشمسية. 

 2.الدراسة التجريبية:

تهدف هذه الدارسة إلى زيادة كمية الماء المقطر المنتجة خلال اليوم من طرف المقطر الشمسي. اعتمدنا في هذه الدارسة على مقطرين متماثلين لهما نفس الأبعاد ومكونات الصنع الشكل (1):

·         الحامل الخشبي: وهو بمثابة عازل للمقطر الشمسي مصنوع من خشب سمكه 0.04 m .

·         الغطاء الزجاجي: تتم على مستواه عملية التكثيف له الأبعاد: 0.49m × 0.36m    وسمكه 0.003m  يميل على الأفق بزاوية  13° .

·    الحوض المعدني: تتم على مستـواه عميلة التبخر، له الأبعاد التالية : 0.48 m × 0.37 m × 0.03 m مصنوع من الغالفنيز (galvanise)  ذو السمك 0.003 m. 

·         قناة تجميع الماء المقطر: وتوجد على مستوى الغطاء الخشبي موصولة بأنبوب بلاستكي لتجميع الماء المقطر خارج المقطر الشمسي.

·    قناة تزويـد المقطر بالماء المالح: موصولة بأحد جوانب الحوض المعدني، مصنوعة من أنبوب نحاسي (0.01m) مربوطة بأنبوب بلاستيكي يصل مباشرة إلى خزان التغذية بالماء المالح.

·         العازل :  وهو من مادة بولستيران موضوع تحت الحوض المعدني للتقليل من الضياع في الطاقة الحرارية سمكه 0.03 m .

·         طبقة الماء المالحة في الحوض:  يتراوح سمكها ما بين 0.01 m - 0.015 m.

 

ومن أجل إجراء مقارنة بين أداء المقطرين قمنا بطلاء الحوض المعدني للأول بلون أسود غير براق حتى يحدث الامتصاص الأعظمي للإشعاع  الشمسي واعتبرناه كشاهد (A)، و أجرينا عــدة تحسينات في الثاني( المدروس ) (B) بوضع الرمل على مستوى الحوض بدل الطلاء الأسود.

الرمل المستعمل في التحسينات ذو أقطار مختلفة (  0.3 mm ،  0.4 mm  ،0.5 mm) تم غسله بحمض HCl و تسخينه في درجة حرارة تصل إلى 900°C لتنقيته من الأملاح والشوائب.

1.2. العمل التجريبي:

 .1.1.2السلسلة الأولى من التجارب:

في هذه السلسلة قمنا بإجراء مقارنة بين المقطر الشمسي ذو الصفيحة السوداء ( الشاهد )(A) والمقطر المدروس(B) بوضع الرمل في الحوض

  1. وضـع طبقـة رمل سمكـها يســاوي قطـر حبيبات الرمـل المستعمل:

-        حبيبات الرمـل ذات قطر 0.5 mm .

 -        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.4 mm.

 -        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.3 mm.

  1. وضـع طبقـة رمل سمكـها يعادل مرتين  قطـر حبيبات الرمل المستعمل :

-        حبيبات الرمـل ذات قطر 0.5 mm .

-        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.4 mm.

-        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.3 mm.

 .2.1.2السلسلة الثانية من التجارب :

في هذه السلسلة  أجـرينا تغيير على مستـوى المقطر المدروس(B) وذلك بطلاء الحوض المعدني بالأسود مع وضع طبقة رمل سمكها يعادل مرتين قطر حبة الرمل المستعمل :

-        حبيبات الرمـل ذات قطر 0.5 mm .

 -        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.4 mm.

 -        حبيبات الرمـل ذات قطر  0.3 mm.

 تم خــــلال التجـارب أخـذ القياسات التــالية وذلك كل نصف سـاعة على مـدار 12 ساعة وذلك من الساعة8h  إلى غاية الساعة   18h:

 s         شدة الإشعاع الشمسي . 

 s         درجات الحرارة لكل من السطح الداخليللحوض المعدني .و الماء المالح في الحوض .

 s         كمية الماء  المقطر الناتج .

 3. النتائج :

 التجارب السابقة سمحت لنا بتمثيل تغيرات درجات الحرارة و الإشعاع الشمسي بدلالة الزمن، و معرفة كمية الماء المقطر المنتجة من طرف كلا المقطرين خلال اليوم.

 النتائج الخاصة بحبيبات الرمل ذات القطر 0.3 mm كانت أحسن من حبيبات الرمل ذات القطر 0.4 mm و 0.5 mm من حيث كمية الماء المقطر المنتجة خلال كل السلاسل [ الشكل (4)،(7)،(10) ] بحيث كلما كان قطر حبة الرمل أصغر كان المردود اليومي أكبر.

 وفيما يلي النتائج الخاصة بالمقطرين الشاهد والمدروس الذي استعملنا فيه حبيبات الرمـل ذات القطر0.3 mm.

 1.3. السلسلة الأولى :

 ·         استعمال طبقة رمل سمكها يســاوي قطـر حبيبات الرمـل المستعمل:

 

 من المنحنيات نستنتج أن عملية التقطير الشمسي تتأثر بشكل مباشر بعـدة عوامـل كالإشعـاع الشمسي الــذي يبلغ أقصى قيمــة له في الفتــرة الممتـدة ما بين ( 13h30 – 12h30 ) والذي  بدوره يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الماء في الحوض ، وبالتالي زيادة عملية التبخير .

 - درجة حرارة الرمل في المقطر المدروس لم تتجاوز(62 °C) في حين وصلت درجة حرارة السطح الأسود في المقطر الشاهد إلى (64 °C) ( خلال السلسلة الأولى).

- تكون درجة حرارة الرمل أقل من درجة حرارة السطح الأسود بدرجة أو درجتين ماعدا في الفترة ما بين ( 18h00 – 16h00 ) فتكون درجة حرارة الرمل أكبر، وهذا راجع إلى تخزين حبيبات الرمل للطاقة الحرارية لمـدة أطول، في حين يفقد السطح الأسود حرارته بسرعة اكبر.

 - وجود فارق بين درجـة حرارة الرمل ودرجة حـرارة الماء المالح في المقطر المـدروس يقدر بـ (3°C) في حين يقل هذا الفارق بين درجة حرارة السطح الأسود ودرجة حرارة الماء المالح في المقطر الشاهد والذي يقدر بـ (1 °C) .    

 - تكون كمية الماء المقطر المنتجة من المقطر المدروس أقل من كمية الماء المقطر المنتجة من المقطر الشاهد بفارق (0.03L/m2 ) في الساعات الأولى من عملية التقطير ليقل الفـرق إلى (0.015L/m2 ) في الفترة مابين  16h00 – 10h00 ) ) ، و ابتداء من 16h00 تصبح كمية الماء المقطر المنتجة من المقطر المدروس أكبر من كمية الماء المقطر المنتجة من المقطر الشاهد بفـارق (0.1 L/m2 ) .

 - لم نتحصل على أي تحسينات في هذا الجزء من السلسلة بحيث كانت كمية الماء المقطر الناتجة من المقطر الشاهد تساوي إلى3.64 L/m2.j  أما المقطر المدروس فأنتج حوالي3.58 L/m2. j  .

    وضـع طبقـة رمل سمكـها يعادل مرتين قطـر حبيبات الرمل المستعمل:

من خـلال الجزء الأول من السلسلة الأولى لاحظنا أن الرمـل يكـون فعـال أكثر من السطح الأسـود في الفتـــرة ( 18h00 – 16h00 ) وهذا راجع إلى تخزين حبيبات الرمل للطاقة الحرارية ، فقمنا في هذا الجزء الثاني من السلسلة الأولى بإضافة طبقة ثانية من الرمل لزيادة فترة التخزين ، وتحصلنا على النتائج التالية

 بالإضافة إلى الملاحظات التي لوحظت في الجزء الأول من هده السلسلة لاحظنا ما يلي:

 - زيادة الفترة التي تكون فيها درجة حرارة الرمل أكبر من درجة حرارة السطح الأسود من ساعتين إلى 3 ساعات- 15h00 – 18h00  وبالتالي زيادة الكمية المنتجة بالنسبة للمقطر المدروس.

 - في الجزء الأول من السلسلة تكون درجة حرارة الرمل أكبر من درجة حرارة السطح الأسود بفارق يقدر بـ (1 - 2 °C) من بداية التجربة حتى الساعة  (16h)ويزداد بمرور الوقت ليصل إلى(6 °C) على الساعة ((18h ،أما في هدا الجزء فإن الفارق يكون بمقدار (10 °C) عند الساعة ((18h .

 - بالنسبة لكمية الماء المقطر المنتجة نلاحظ أنه تقريبا هناك تساوي في الكمية، ماعدا في الفترة ما بين 18h00 – 14h00 . فنلاحظ زيادة في الكمية المنتجة من طرف المقطر المدروس مقارنة بالمقطر الشاهد. و تحصلنا ،  فتحصلنا خلال يوم على كمية ماء مقطر تقدر بـ :

 * 3.45 L/m2.j  بالنسبة للمقطر المدروس

 * 3.31 L/m2.j  بالنسبة للمقطر الشاهد

 هذه النتيجة دفعتنا إلى إضافة طبقة ثالثة ثم رابعة من الرمل فتحصلنا على نفس النتيجة السابقة من حيث كمية الماء المقطر المنتجة.

 2.3. السلسلة الثانية: وضـعنا طبقـة رمل سمكـها يعادل مرتين قطـر حبيبات الرمل المستعمل مع طلاء حوض المقطر المدروس بالأسود، فتحصلنا على النتائج التالية:

- درجة حـرارة الرمل في المقطر المدروس تجاوزت76 °C  في حين وصلت درجة حرارة السطح الأسود في مقطر الشاهد إلى 74 °C  ، ويزداد الفارق بين حوضي المقطرين بمـرور الوقت إلى أن يصل إلى (10 °C) عند نهاية التجربة  .

 - زيادة كمية الماء المقطر المنتجة من طرف المقطر المدروس(4.75 L/m2.j) مقارنة بالمقطر الشاهد(4.28 L /m2.j) .

 تحصلنا في هذه السلسلة على تحسين في المردود اليومي للمقطر مهما كان نوع الحبيبات الرمل المستعملة:

 ·         2.41% في حالة استعمال حبيبات رمل ذات قطر 0.5 mm

 ·          5.85 %في حالة استعمال حبيبات رمل ذات قطر0.4 mm

 ·          10.98%في حالة استعمال حبيبات رمل ذات قطر 0.3 mm

 4. الخلاصـــــة :

         من خلال العمل التجريبي الذي أجري على المقطر الشمسي البسيط ذو ميل واحد والذي يهدف أساسا إلى تحسين المردود اليومي للمقطر باستعمال مقطرين شاهد ومدروس استنتجنا ما يلي:

         كان لقطر حبيبات الرمل (المستعملة في حوض الامتصاص) تأثير على عملية التقطير حيث كلما كان قطر حبيبات الرمل أصغر كانت كمية الماء المقطر المنتجة أكبر بحيث تحصلنا في السلسلة الأولى على المقادير التالية: 

 ·         لحبيبات الرمل ذات نصف القطر 0.5 mm تراجع معدل التقطير بـ 11.5%.

 ·         لحبيبات الرمل ذات نصف القطر 0.4 mm تراجع معدل التقطير بـ 3.3% .

 ·         لحبيبات الرمل ذات نصف القطر 0.3 mm ارتفع معدل التقطير قليلا 3.25%  .

         أردنا تحسين آداء المبخر فاستعضنا عن السطح الأسود بطبقة من الرمل، ذات حبيبات ذي قطر 0.3 mm، فلم تعط أية نتيجة معتبرة. لما ضاعفنا طبقة الرمل هذه مرتين كان المردود كما لو كان سطح المبخر أسودَ؛ إذْ كان معدل تقطير المقطر (B) المدروس  3.45 L/m2.j، في حين كان معدل المقطر (A) الشاهد   3.31 L/m2.j، كل هذا عند استخدام رمل ذي قطر 0.3 mm .

         عند طلاء حوض المقطر المدروس بالأسود و استخدام طبقتين من الرمل زاد معدل التقطير بنسبة تقارب %11.

 يمكن تفسير ذلك باعتبار الرمل وسطا مساميا يخزن كمية إضافية من طاقة الشمس، يلفظها لاحقا، مما يؤدي إلى تبخر كمية أكبر من الماء. كل ذلك موضح في منحنيات تغير درجة الحرارة و كمية الماء المقطر مع الزمن، في الفترة الممتدة من الساعة 14h إلى الساعة 18h .

 المراجع :

  • J.R.Vaillant ; "Les problèmes du dessalement de l'eau de mer et des eaux saumâtres" ; France (1970). 
  • J.R.Miller; "Review of Water Resources and Desalination Technologies"; SAND 2003-0800 Unlimited Release, Printed March (2003).
  • الموارد الطبيعية " تحدياتالندرةوتغيرالمناخ " المنظمة العالمية للتغذيةCette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer le JavaScript pour la visualiser.
  • " ندرةالمياهوالمخاطروالتعرضللضرر" تقرير التنمية البشرية2006
  • A. Kettab ; "Les ressources en eau en Algérie : stratégies, enjeux et vision" ; Desalination, 136, 25-33 (2001).
  • M.A. Samee, U.K. Mirza, T. Majeed and N. Ahmad;"Design and performance of a simple single basin solar still»; Renewable and Sustainable Energy Reviews, 42, 1–8 (2005).
  • A.A .EL-Sebaii, S.Aboul-Enien and E.EL-Bialy; «Investigation of a single-basin solar still with deep basins”; PII: S0960-1481(98)00081-0.
  • A.S. Nafey, M. Abdelkader, A. Abdelmotalib and A.A. Mabrouk; Parameters affecting solar still productivity; Energy Conversion & Management 41 (2000). 1797-1809.
  • H.N. Singh and G.N. Tiwari; "Monthly performance of passive and active solar stills for different Indian climatic conditions”; Desalination 168, 145-150 (2004).
  • M.A. Mohamad, S.H. Soliman, M.S. Abdl-Salam and H.M.S. Hussein; Experimental and Financial Investigation of Asymmetrical Solar Stills With Different Insulation; Applied Energy 52 (1995) 265-271.
  • A. Bassam, A. Hamzeh and M. Rababah; "Experimental study of a solar still with sponge cubes in basin”; Energy Conversion and Management 44, 1411–1418 (2003).
  • R. Tripathi and G.N. Tiwari; "Performance evaluation of a solar still by using the concept of solar fractionation "; Desalination 169, 69-80 (2004).
  • R. Tripathi and G.N. Tiwari; "Effect of water depth on internal heat and mass transfer for active solar distillation”; Desalination 173, 187-200 (2005).
  • Anil Kr. Tiwari and G.N. Tiwari; "Effect of the condensing cover's slope on internal heat and mass transfer in distillation: an indoor simulation; Desalination 180, 73-88 (2005).
  • B.A. Akash, M.S. Mohsen, O. Osta and Y. Elayan; "Experimental evaluation of a single basin solar still using different absorbing materials”;Renewable Energy, Vol. 14, pp.307-310 (1998).

  • M. Gouareh; “Etude de l’influence de différentes variantes d’absorbeurs sur l’efficacité d’un distillateur solaire serre” ; Mémoire de magister ; Université de Ouargla (2010).