تحقیقات نوین در طراحی سامانه تبخیر خورشیدی با الهام از طبیعت

به گزارش انرژی خبر؛ به گزارش روز شنبه گروه علمی از بنیاد ملی علم ایران (INSF)، سیدامید حقانی پیوندی در رساله دکتری خود با راهنمایی محمدمهدی هیهات پژوهشی تحت عنوان «طراحی، ساخت و بررسی عملکرد یک سامانه تبخیر سطحی خورشیدی الهام‌گرفته از طبیعت با در نظر گرفتن خواص ترشوندگی سطح و جریان باد» انجام داده است.

حقانی پیوندی با اشاره به اهمیت توسعه روش‌های پایدار برای تولید آب شیرین گفت: سامانه‌های تبخیر خورشیدی بین‌سطحی به‌عنوان روشی کم‌هزینه، پایدار و دوستدار محیط‌زیست، یکی از راهکارهای نوین برای تولید آب شیرین از منابع آب شور محسوب می‌شود. اما نرخ پایین تبخیر و تجمع نمک روی مواد فوتوترمال از محدودیت‌های این فناوری برای نمک‌زدایی آب شور است.

در این پژوهش، با تغییراتی در ساختار هندسی سامانه و کنترل ویژگی‌های ترمودینامیکی و ترشوندگی سطح، عملکرد آرایه‌های مختلف تبخیر خورشیدی به‌صورت تجربی و عددی بررسی شد.

حقانی پیوندی در توضیح مرحله نخست مطالعه اظهار کرد: برای دستیابی به نرخ تبخیر مناسب، عملکرد یک اِلِمان تبخیر خورشیدی بین‌سطحی استوانه‌ای توخالی در آب شیرین بررسی شد. این ساختار با دیواره‌های آبدوست، ضمن حفظ جریان سیال در سطح تبخیر، امکان جذب مؤثر نور خورشید و کاهش تلفات حرارتی تابشی را فراهم می‌کند.

نتایج نشان داد این ساختار می‌تواند به نرخ تبخیر بالایی دست یابد و بازده تولید بخار آن از آب شیرین حدود ۱۱۱.۲۱ درصد محاسبه شد. همچنین استفاده از جریان باد با سرعت یک متر بر ثانیه، نرخ تولید بخار را حدود ۱۱۸ درصد افزایش داد.

حقانی پیوندی با اشاره به نتایج شبیه‌سازی عددی گفت: نتایج شبیه‌سازی با حداکثر خطای حدود ۱۰.۵۲ درصد، تطابق مناسبی با داده‌های تجربی داشت. بررسی‌های عددی نشان داد که در شرایط وزش باد، دیواره‌های داخلی ساختار استوانه‌ای به‌دلیل ایجاد جریان‌های گردابی و افزایش رطوبت نسبی، نقش محدودتری در تولید بخار نسبت به دیواره‌های خارجی دارند.

در ادامه پژوهش، ساختار المان تبخیر خورشیدی با الهام از بادگیرها و شکل بدن ماهی اصلاح شد. نتایج نشان داد اصلاح هندسی این سامانه‌ها می‌تواند نرخ تولید بخار را تحت جریان همرفتی در آب شیرین، به‌ترتیب حدود ۲۴.۳۴ و ۶۰.۸۶ درصد نسبت به ساختار استوانه‌ای توخالی با مقطع دایره‌ای افزایش دهد.

حقانی پیوندی همچنین به بررسی آرایه‌های مختلف تبخیر پرداخت و نتایج شبیه‌سازی عددی نشان داد که استفاده از آرایه‌های تبخیر با چینش مثلثی عملکرد بهتری نسبت به چینش مستطیلی دارد. در این آرایش، نرخ تبخیر به حدود ۴.۸۸ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت رسید.

یکی از چالش‌های مهم در استفاده از سامانه‌های تبخیر خورشیدی برای آب شور، تجمع و تشکیل کریستال‌های نمک روی سطح جاذب نور است. برای حفظ پایداری عملکرد سامانه در آب شور، ساختار استوانه‌ای توخالی ژانوس با دیواره‌های داخلی آب‌گریز و دیواره‌های خارجی آب‌دوست معرفی و بررسی شد.

این ساختار به نرخ متوسط تولید بخار حدود ۴.۶۹ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت دست یافت. این نتیجه نشان داد کنترل هم‌زمان ویژگی‌های ترشوندگی سطوح داخلی و خارجی می‌تواند نقش مهمی در افزایش پایداری عملکرد سامانه‌های تبخیر خورشیدی در آب شور داشته باشد.

حقانی پیوندی همچنین به عملکرد ساختارهای الهام‌گرفته از طبیعت اشاره کرد و گفت: با ایجاد پوشش جاذب نور ژانوس در این ساختارها، نرخ تولید بخار در آب شور به‌ترتیب به حدود ۴.۵ و ۶.۵۸ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت رسید.

این پژوهشگر در ادامه اظهار کرد: استفاده از الگوهای طبیعی در طراحی هندسی سامانه، در کنار کنترل خواص ترشوندگی سطح و بهره‌گیری از جریان باد، امکان افزایش نرخ تولید بخار و بهبود عملکرد فرآیند نمک‌زدایی را فراهم می‌کند. این رویکرد می‌تواند به‌ویژه در مناطقی که دسترسی به منابع آب شیرین محدود است، مورد توجه قرار گیرد.

حقانی پیوندی با اشاره به نتایج تحلیل اقتصادی پژوهش گفت: بررسی اقتصادی سامانه‌ها نشان داد آرایه‌های الهام‌گرفته از ساختار بدن ماهی با هزینه تولید بخار حدود ۰.۸ دلار به‌ازای هر کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت، عملکرد اقتصادی مطلوب‌تری دارند.

این پژوهشگر در پایان خاطرنشان کرد: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد ترکیب طراحی الهام‌گرفته از طبیعت، کنترل ویژگی‌های ترشوندگی سطح و استفاده هدفمند از جریان باد می‌تواند راهکاری مؤثر برای افزایش نرخ تبخیر و جلوگیری از تجمع نمک در سامانه‌های تبخیر خورشیدی باشد. این دستاوردها می‌توانند زمینه را برای توسعه سامانه‌های پایدار، کم‌هزینه و کارآمد تولید آب شیرین از منابع آب شور فراهم کنند.