ساخت سامانه تبخیر خورشیدی با الهام از طبیعت
سیدامید حقانی پیوندی در رساله دکتری خود با راهنمایی محمدمهدی هیهات در دانشگاه تربیت مدرس، پژوهشی با 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: استفاده از سامانه‌های تبخیر خورشیدی بین‌سطحی به‌عنوان روشی کم‌هزینه، پایدار و دوستدار محیط‌زیست، یکی از راهکارهای نوین برای تولید آب شیرین از منابع آب شور به شمار می‌رود. بااین‌حال، نرخ پایین تبخیر و تجمع نمک روی مواد فوتوترمال در طول فرآیند تبخیر، از مهم‌ترین محدودیت‌های این فناوری برای نمک‌زدایی آب شور است.
وی افزود: در این پژوهش، با اعمال تغییراتی در ساختار هندسی سامانه و همچنین کنترل ویژگی‌های ترمودینامیکی و ترشوندگی سطح، عملکرد آرایه‌های مختلف تبخیر خورشیدی به‌صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفت.
این پژوهشگر با تشریح مرحله نخست مطالعه اظهار کرد: برای دستیابی به نرخ تبخیر مناسب، ابتدا عملکرد یک المان تبخیر خورشیدی بین‌سطحی استوانه‌ای توخالی در آب شیرین بررسی شد. این ساختار با استفاده از دیواره‌های آبدوست، ضمن حفظ جریان سیال در سطح تبخیر، امکان جذب مؤثر نور خورشید و کاهش تلفات حرارتی تابشی را فراهم می‌کند.
وی ادامه داد: نتایج نشان داد این ساختار می‌تواند با بهره‌گیری از انرژی محیطی، 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 در مقایسه با شرایط بدون وزش باد 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.
وی افزود: بر همین اساس، در ادامه پژوهش تلاش شد ساختار المان تبخیر خورشیدی با الهام از ساختار بادگیرها و همچنین شکل بدن ماهی اصلاح شود. 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.
این پژوهشگر با اشاره به بررسی آرایه‌های مختلف تبخیر اظهار کرد: نتایج شبیه‌سازی عددی نشان داد استفاده از آرایه‌های تبخیر با چینش مثلثی عملکرد مناسب‌تری نسبت به چینش مستطیلی دارد. در این آرایش، نرخ تبخیر به حدود ۴.۸۸ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت رسید که نشان‌دهنده ظرفیت مناسب این ساختار برای افزایش تولید بخار است.
حقانی پیوندی ادامه داد: یکی از چالش‌های مهم در استفاده از سامانه‌های تبخیر خورشیدی برای آب شور، تجمع و تشکیل کریستال‌های نمک روی سطح جاذب نور است. به همین دلیل، برای حفظ پایداری عملکرد سامانه در آب شور، ساختار استوانه‌ای توخالی ژانوس با دیواره‌های داخلی آب‌گریز و دیواره‌های خارجی آبدوست معرفی و بررسی شد.
وی افزود: ساختار ژانوس با جلوگیری از تشکیل کریستال‌های نمک روی سطوح جاذب نور، توانست به نرخ متوسط تولید بخار حدود ۴.۶۹ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت دست یابد. 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.
این پژوهشگر با اشاره به عملکرد ساختارهای الهام‌گرفته از طبیعت گفت: با ایجاد پوشش جاذب نور ژانوس در ساختارهای الهام‌گرفته از بادگیر و بدن ماهی، نرخ تولید بخار در آب شور به‌ترتیب به حدود ۴.۵ و ۶.۵۸ کیلوگرم بر مترمربع‌ـ‌ساعت رسید. این نتایج نشان‌دهنده ظرفیت بالای طراحی‌های الهام‌گرفته از طبیعت برای بهبود عملکرد سامانه‌های تبخیر خورشیدی است.
حقانی پیوندی 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.
وی 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، در مقایسه با سایر آرایه‌های بررسی‌شده، عملکرد اقتصادی مطلوب‌تری دارند.
این پژوهشگر در پایان خاطرنشان کرد: نتایج این پژوهش نشان می‌دهد ترکیب طراحی الهام گرفته 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.