تحلية المياه بالترطيب وإزالة الرطوبة المُغذاة بمركز فرينل الخطي: تحليل تجريبي وعددي لنظام صغير الحجم

يمثل الوصول إلى المياه العذبة أحد أكبر التحديات العالمية، مدفوعًا بالنمو السكاني والتنمية الصناعية وتغير المناخ وتزايد الإجهاد المائي ولا سيما في المناطق المقيدة اقتصاديًا، وتبرز في هذا السياق أنظمة التحلية الشمسية اللامركزية صغيرة الحجم بوصفها حلًا ملائمًا للمجتمعات النائية الغنية بالإشعاع الشمسي، شرط أن تثبت جدواها التقنية والاقتصادية بالتجربة والمحاكاة معًا لا بالتصميم النظري وحده

وتكتسب هذه الدراسة أهمية للباحثين في هندسة الطاقة المتجددة وتقنيات المياه، لأنها تجمع بين البناء الفعلي والتجريب تحت ظروف مناخية حقيقية والنمذجة الرياضية والمحاكاة الحاسوبية في مسار تحقق متكامل، كما تفيد طلاب الدراسات العليا بوصفها نموذجًا لمنهجية التحقق من الأنظمة الحرارية بمقارنة القياسات الميدانية بنتائج المحاكاة عبر أخطاء مطلقة ونسبية قبل الحكم على الجدوى الاقتصادية

أولًا: أهداف الدراسة ومنهجيتها

هدفت الدراسة إلى تصميم نظام تحلية شمسي بالتركيز غير المباشر وبنائه وتقييمه تجريبيًا وعدديًا، ويتكون النظام من منظومة فرعية للترطيب وإزالة الرطوبة تعمل حراريًا بمركز فرينل خطي ضمن نموذج التقنية الملائمة، ودمجت المنهجية حملة تجريبية أجريت تحت ظروف مناخية حقيقية في مدينة بوكارامانغا بكولومبيا، ونمذجة رياضية قائمة على موازنات الكتلة والطاقة، وتنفيذ نموذج محاكاة ببرنامج ترانسيس جرى التحقق منه بتحليلات نوعية وكمية باستخدام الأخطاء المطلقة والنسبية

ثانيًا: أبرز النتائج

أظهرت النتائج توافقًا وثيقًا بين البيانات التجريبية والمحاكاة وأداء تشغيليًا مشجعًا، ويمكن تلخيص أبرزها في النقاط الآتية

1، تقاربت نتائج التجربة والمحاكاة بانحرافات في إنتاج المياه العذبة اليومي بلغت 0.53 و0.65 لتر في الاختبارين الرابع والخامس على الترتيب، وبقيت الأخطاء النسبية المتوسطة دون 5 في المئة للمتغيرات الحرارية والإنتاجية الرئيسة

2، تحقق إنتاج متوسط للمياه العذبة قدره 1.13 لتر في الساعة بنسبة كسب إنتاج قدرها 0.32 ونسبة استرداد قدرها 0.021، مع بقاء الأملاح الذائبة الكلية دون 500 مليغرام لكل لتر بما يلائم متطلبات مياه الشرب

3، قدرت كلفة الإنتاج بنحو 0.065 دولار لكل لتر، وهو ما يثبت الجدوى التقنية والاقتصادية للنظام في التطبيقات اللامركزية صغيرة الحجم في المناطق ذات الإشعاع الشمسي المرتفع طوال العام

ثالثًا: دلالات الدراسة وتطبيقاتها

تدل هذه النتائج على أن الجمع بين الترطيب وإزالة الرطوبة والتركيز الشمسي الخطي يمكن أن يوفر حلًا واقعيًا لإنتاج المياه العذبة على نطاق صغير خارج الشبكات المركزية، وتفيد الجهات التنموية والبلديات في المناطق الجافة عند تقييم خيارات التحلية الشمسية للمجتمعات المعزولة، كما يقدم نموذج المحاكاة المتحقق منه أداة تصميم تسمح باختبار تغييرات الأبعاد وظروف التشغيل قبل الاستثمار في البناء، وتنسجم هذه المقاربة مع احتياجات مناطق عربية مشمسة تعاني شح المياه وتبحث عن حلول لامركزية منخفضة الكلفة التشغيلية تعتمد مصادر طاقة محلية متجددة

وتندرج هذه التقنية ضمن عائلة أنظمة التحلية الحرارية منخفضة درجات الحرارة التي تستطيع استثمار حرارة الشمس أو الحرارة المهدرة من العمليات الصناعية، ما يوسع مجالات تطبيقها في المناطق النائية والمزارع والمنشآت الصغيرة، ويستطيع الباحثون تطوير النظام لاحقًا بتحسين مواد أغشية الترطيب ودمج تخزين حراري يطيل ساعات التشغيل بعد الغروب ورفع نسبة الاسترداد التي ما تزال منخفضة، فضلًا عن دراسة أثر تقلب الإشعاع الموسمي في استقرار الإنتاج على مدار العام وتكييف التصميم معه، كما أن نموذج المحاكاة المتحقق منه يختصر زمن التطوير وكلفته، إذ يسمح باختبار بدائل التصميم حسابيًا قبل تصنيعها، وهي منهجية يحتاجها الباحثون العرب في مشاريع المياه والطاقة حيث تشح الموارد المخصصة للنماذج الأولية المتكررة وتتعاظم الحاجة إلى قرارات تصميم رشيدة منذ المحاولة الأولى

وخلاصة القول إن نظام التحلية المدروس أثبت بالتجربة والمحاكاة المتطابقتين قدرته على إنتاج مياه عذبة صالحة بكلفة تنافسية على نطاق صغير، ما يجعله خيارًا تقنيًا واقتصاديًا مجديًا للمجتمعات اللامركزية في المناطق عالية الإشعاع الشمسي، ونموذجًا قابلًا للتطوير والتوسع في بحوث تحلية المياه بالطاقة الشمسية