طراحی جدید ثابت خورشیدی با استفاده از بطری‌های زباله شفاف
با افزایش فشار انتشار گازهای ناشی از سوخت‌های فسیلی بر شرایط اقلیمی جهان، ضرورت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر به سرعت روبه افزایش است. این مطالعه یک سیستم جدید آب شیرین کن خورشیدی را با استفاده از بطری‌های ضایعاتی شفاف باهدف تولید آب شیرین مورد بررسی قرار داده است. از دو بطری شفاف متحدالمرکز استفاده شده است. بطری داخلی در جهات طولی و افقی روبه بالا برش داده شد و با فتیله پنبه‌ای سیاه آغشته به آب شور پر شد. لوله شفاف بیرونی به صورت شعاعی برش داده شد تا بطری کوچکتر داخل آن قرار گیرد و سپس با استفاده از یک درپوش شفاف دوباره مونتاژ شد. دستگاه پیشنهادی درمعرض تابش خورشید قرار گرفت که به فتیله سیاه می‌تابید و انرژی جذب شده را به آب شور منتقل می‌کرد. پس از مدت کوتاهی، آب تبخیر شده و شروع به متراکم شدن در سطح داخلی بطری شفاف بیرونی می‌کند؛ و با فشار نیروی جاذبه در ته بطری جمع می‌شود. این دستگاه پیشنهادی عملکرد متوسطی با راندمان حرارتی 30.28 درصد و تولید روزانه آب شیرین 2.95 لیتر در مترمربع را در شرایط آب و هوایی ماه اوت در شهر قاهره، مصر نشان داد. این دستگاه همچنین هزینه تولید آب شیرین در هر لیتر را حدود 66.2 درصد کاهش داده و به سطح بسیار رقابتی 0.0042 دلار در لیتر رساند. این دستگاه پیشنهادی می‌تواند نیازهای ضروری آب شیرین برای هر نفر در سال را نه تنها با کاهش 21.3 تن CO₂ در سال، بلکه با بازاستفاده از 117 کیلوگرم ضایعات بطری‌های پلاستیکی در سال تامین کند.
تغییرات اقلیمی خطرناک شده و جهان اخیرا به درک این واقعیت پی برده است. امروزه روی آوردن به منابع انرژی تجدیدپذیر به یک نیاز نهایی تبدیل شده است. در سال 2023 شاهد تغییرات شدید آب و هوایی با افزایش بیش از حد دما و آتش سوزی جنگل‌ها در سراسر جهان بودیم. هزینه سوخت فسیلی به دلیل نادیده گرفته شدن لایحه تغییرات آب و هوایی در طولانی مدت بسیار بیشتر از آنچه انتظار می‌رفت تغییر کرد. تابش انرژی خورشیدی در مصر با میانگین سالانه بالاتر از 2200 کیلووات ساعت بر مترمربع است. ثابت خورشیدی یک تکنیک آب شیرین کن توسط انرژی خورشیدی است. دو نوع ثابت خورشیدی وجود دارد: ثابت خورشیدی حوضچه‌ای (BSS) و ثابت خورشیدی لوله‌ای (TSS). توسعه BSS به دلیل اندازه بزرگ حوضچه آن درمقایسه با منطقه تراکم راحت تر است که آن را قادر می‌سازد تا مواد حاوی گرما را ذخیره کرده و از آن برای برداشت آب جوّی (AWH) استفاده کند. BSS همچنین به دلیل بهره وری نسبتا پایین، به توسعه قابل توجهی نیاز دارد که آن هم به بهینه سازی پارامتریک ازجمله مواد حوضچه، زاویه شیب پوشش شیشه‌ای BSS، خنک سازی پوشش شیشه‌ای BSS، BSS فتیله‌ای، تبخیرکننده شناور، BSS با بازتابنده‌های صفحه تخت، BSS با مواد تغییر فاز (PCM) و BSS با فناوری نیاز دارد. هندسه BSS نیز نقش مهمی در افزایش عملکرد BSS دارد. در اینجا با تکیه بر هندسه BSS به بررسی پارامترهایی مانند جاذب معکوس با BSS چند مرحله‌ای، BSS عمودی و ثابت خورشیدی مایل پرداخته‌ایم. مواد فتیله و ساختار بافت آنها به دلیل قابلیت جذب آب در داخل حفره‌های بافت خود با اثربخشی بالا موجب افزایش عملکرد ثابت خورشیدی می‌شوند. پراکندگی آب در داخل فتیله باعث افزایش سطح تماس بین فتیله و آب شده و درنتیجه، منجر به افزایش قابل ملاحظه‌ای در انتقال حرارت می‌شود. علاوه بر توانایی بالا در جذب حرارت باتوجه به نوع مواد و ساختار آن، فتیله این گرمای جذب شده را در آب شور به عنوان یک ماده ذخیره حرارت معقول (SHSM) آزاد می‌کند. بسیاری از مطالعات به مطالعه نقش مواد فتیله در طراحی ثابت خورشیدی با عملکرد اثبات شده پرداخته‌اند.
موروگاول و سریتار عملکرد BSS را با مواد مختلف فتیله همچون پارچه نخی، ورق اسفنجی و نوارهای نخی ضایعاتی مورد بررسی قرار دادند. BSS دارای باله‌های مستطیلی است که به حوضچه متصل شده‌اند. نتایج به دست آمده نشان داد که پارچه پنبه‌ای درمقایسه با سایر انواع فتیله بهترین نوع مواد برای فتیله است. در اکثر مطالعات از فتیله پنبه‌ای سیاه به عنوان بهترین ماده نام برده شده است که می‌تواند از پشم گوسفند، پارچه‌های پشمی و جوت تهیه شود. پالا و همکارانش اثرات استفاده از چند فتیله را بر عملکرد ثابت خورشیدیِ تک حوضچه دو شیب بررسی کرده و به این نتیجه رسیدند که فتیله پنبه‌ای سیاه عملکرد بهتری (روزانه 4.5 لیتر در مترمربع) درمقایسه با فتیله جوت (روزانه 3.52 لیتر در مترمربع) دارد. تکنیک فتیله متحرک نیز توسط حداد و همکارانش مطالعه شد. در این مطالعه از روش فتیله چرخان عمودی (VRW) برای بهره گرفتن از دیواره پشتی BSS باهدف قرار گرفتن بیشتر درمعرض تابش نور خورشید استفاده شد. نتایج به دست آمده نشان داد که استفاده از VRW موجب افزایش 51.1 درصدی تولید آب می‌شود.
پیشنهادات و بررسی نهایی
این مطالعه بر استفاده مجدد از بطری‌های زباله شفاف باهدف کاهش هزینه آب شیرین کن خورشیدی در هر لیتر (CPL) متمرکز است. به همین منظور، از دو بطری زباله شفاف استفاده شد؛ بطری با قطر کوچکتر در داخل بطری با قطر بزرگتر قرار داده شد. بطری داخلی از سمت بالا به صورت افقی بریده شد و با فتیله پنبه‌ای سیاه به عنوان جاذب نور خورشید که به آب شور آغشته شده بود، پر شد. هدف از این مطالعه ارزیابی امکان سنجی و پتانسیل استفاده از بطری‌های پلاستیکی زباله شفاف باهدف اصلی کاهش هزینه‌های بالای تولید آب با ثابت خورشیدی و درعین حال، کاهش آلودگی بطری‌های پلاستیکی زباله است. علاوه براین، این روش را می‌توان برای کاربردهای تجاری بیشتر توسعه داد. استفاده از بطری‌های آماده زباله در آب شیرین کن خورشیدی به دلیل عدم بهینه سازی مواد آماده و ساختار آنها دشوار است. با این حال، این دستگاه پیشنهادی با کاهش شدید CPL عملکرد خوبی دارد. مقدار آب تولید شده را می‌توان به راحتی با تکرار واحد به هر تعداد باتوجه به تقاضا کنترل و ایمن سازی کرد. چالش اصلی درمورد ماهیت جداره نازک بطری‌های زبالۀ آماده بود که ممکن است در اثر حرارت اعمال شده در فرایند آب شیرین کن خورشیدی تغییر شکل دهند. به طور کلی، این مطالعه هندسه پایدار را پس از آزمایش نشان داد که به سطوح دمای پایین ثابت خورشیدی غیرفعال پیشنهادی نسبت داده می‌شوند که برای بطری کوچکتر (تبخیرکننده) و بطری بزرگتر (کندانسور) به ترتیب حداکثر تا 53.5 و 49 درجه سانتیگراد محدود شدند. این محدوده‌های دمایی ایمنی کمتری از حداکثر دمای عملیاتی بطری‌هایی با مقاومت خوب مواد در برابر اشعه ماوراء بنفش تا دمای 70 درجه سانتیگراد داشتند. نکات مهم زیر از این مطالعه استخراج شد:
1.دستگاه پیشنهادی توانست با استفاده از یک ساختار بسیار ساده و بطری‌های زباله آماده مقدار مناسبی آب شیرین تولید کند.
2. این دستگاه پیشنهادی با کمک 516 ولت/مترمربع نور خورشید در ماه اوت، در شهر قاهره مصر توانست روزانه 2.95 لیتر در هر مترمربع آب شیرین تولید کند.
3. عملکرد حرارتی روزانه این دستگاه به 30.28 درصد رسید که نشان دهنده فرصت پیشرفت بیشتر در آینده است.
4. استفاده از بطری‌های زباله با فتیله پنبه‌ای سیاه موجب کاهش قابل توجهی در CPL تا یک سطح بسیار رقابتی شده و به 0.0042 دلار رسید.
5. دستاورد اصلی این مطالعه کاهش هزینه‌های CPL درمقایسه با سایر سیستم‌های آب شیرین کن خورشیدی است؛ با میانگین کاهش 66.2 درصدی نسبت به دیگر هزینه‌های برآورد شده در سایر مطالعات.
6. انتظار می‌رود ثابت خورشیدی پیشنهادی انتشار CO₂ را تا 21.3 تن در سال به ازای نیاز هر یک نفر به آب شیرین کاهش دهد.
7. همچنین انتظار می‌رود ثابت خورشیدی پیشنهادی حجم ضایعات بطری‌های پلاستیکی را به ازای نیاز هر یک نفر به آب شیرین تا 117 کیلوگرم در سال کاهش دهد.
