DOI: https://doi.org/10.3389/frwa.2026.1696452
تاريخ النشر: 2026-02-19
المؤلف: Ganesh Radhakrishnan وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في نظام تحلية مياه الشمسية ذو الميل الواحد السلبي المصمم للاستخدامات المنزلية، مستفيدة من الطاقة الشمسية لإنتاج المياه العذبة. أجريت الدراسة على مدى عشرة أيام متتالية في نزوى، عمان، حيث تم تقييم أداء النظام من خلال تحليلات الطاقة، والإكسي، والاقتصاد، مع الأخذ في الاعتبار عوامل مثل الظروف المحيطة، وتغيرات درجة الحرارة، وحركة الهواء. تشير النتائج إلى أن درجة حموضة المياه العذبة المنتجة كانت حوالي 6، مما يجعلها آمنة للاستهلاك. بلغت كفاءة الطاقة ذروتها عند 14% خلال الظروف المثلى، بينما أظهرت كفاءة الإكسي زيادة ملحوظة حتى 14 ساعة من التشغيل، بعد ذلك تأثرت كلتا الكفاءتين بانخفاض الإشعاع الشمسي وتقلبات البيئة.
تخلص الدراسة إلى أنه رغم أن المحطة الشمسية تظهر أداءً معقولاً، تم تحديد تحديات مثل تدمير الإكسي العالي وفقدان الطاقة. كانت التغيرات في الإنتاجية مرتبطة بشدة الشمس وفقدان الحرارة، مع ملاحظة معدلات تكثيف محسنة بعد 13 ساعة. تشمل التوصيات لتحسين الكفاءة تحسين العزل، واختيار المواد، واستخدام المرايا لتركيز الطاقة الشمسية. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية تأثير سمك الزجاج وعمق المياه على الأداء. يدعو المؤلفون إلى توسيع نطاق هذه الأنظمة تجارياً في عمان، مستفيدين من موارد الطاقة الشمسية الوفيرة في المنطقة لإنتاج مياه مستدامة.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الاهتمام المتزايد في الطاقة الشمسية لتحلية المياه، خاصة في إنتاج مياه الشرب من المصادر المالحة. مع ارتفاع تكاليف الوقود الأحفوري والحاجة إلى حلول مستدامة ومنخفضة التكلفة، اكتسبت تقنيات تحلية المياه الشمسية، مثل المحطات الشمسية، زخمًا. تسلط الورقة الضوء على دراسات مختلفة استكشفت تحسين أداء المحطات الشمسية من خلال معايير مثل عمق المياه وزاوية تغطية الزجاج. على سبيل المثال، وجد العزيزي وآخرون (2023) أن عمق المياه 4 سم يعظم الإنتاجية، بينما عززت إضافة المرايا الخارجية الكفاءة بشكل أكبر. تؤكد دراسات أخرى، بما في ذلك تلك التي أجراها الجبوري (2017) وحميد (2022)، على أهمية هذه المعايير في تحسين كفاءة جمع المياه.
يهدف المؤلفون إلى معالجة البحث المحدود حول تحلية المياه الشمسية في عمان، مع التركيز على الأداء والتحليل الاقتصادي للمحطات الشمسية ذات الميل الواحد المصممة لتناسب الظروف المناخية في المنطقة. تشمل أهداف الدراسة تقييم كفاءة الطاقة والإكسي، بالإضافة إلى الجدوى الاقتصادية بناءً على إنتاج المياه العذبة. من خلال الاستفادة من الطاقة الشمسية لتحلية المياه، تسعى الدراسة إلى تقديم حل مستدام لمشكلة ندرة المياه في المناطق الجافة، بما يتماشى مع رؤية عمان 2040 لتطوير الطاقة المتجددة. بشكل عام، تهدف هذه التحقيقات إلى تقديم رؤى قيمة حول تصميم وكفاءة أنظمة تحلية المياه الشمسية، وتعزيز إدارة موارد المياه المستدامة في عمان.
النتائج
تم تقييم نتائج أداء المحطة الشمسية من خلال تحليلات الطاقة، والإكسي، والاقتصاد. سجلت الدراسة الإشعاع الشمسي التراكمي بالساعة، كاشفة عن زيادة مستمرة من الساعة 9 إلى الساعة 15، مع أقصى كثافة لوحظت في اليوم السادس والتاسع والعاشر. تراوحت درجات الحرارة المحيطة بين 24 إلى 34 درجة مئوية، مع تقلبات بسبب الظروف الجوية، بينما تراوحت سرعات الرياح بين 0.5 إلى 2.5 م/ث، وبلغت ذروتها بعد 12 ساعة. بشكل ملحوظ، وصلت درجة الحرارة بين السطح الخارجي والداخلي للزجاج إلى حوالي 10 درجات مئوية بعد 13 ساعة، مدفوعة بعمليات التبخر داخل الحوض.
أشارت مقاييس الإنتاجية إلى إنتاج منخفض حوالي 0.25 لتر/م² حتى 12 ساعة، مع زيادة كبيرة بعد 14 ساعة، حيث بلغت ذروتها عند 7 لتر/م² في اليومين التاسع والعاشر. كانت جودة المياه العذبة المنتجة مرضية، مع قيم pH حوالي 6 ومجموع المواد الصلبة الذائبة (TDS) أقل مقارنة بالمياه المالحة. كانت كفاءة الطاقة ضئيلة حتى 12 ساعة، ثم زادت بشكل كبير، محققة كفاءات قصوى تبلغ حوالي 12% و14.5% في اليومين العاشر والأول، على التوالي. ومع ذلك، كانت الإنتاجية العامة والكفاءة أقل من تلك المبلغ عنها للأنظمة المماثلة، ويعزى ذلك إلى عوامل مثل مادة الحوض والظروف البيئية. أشار تحليل الإكسي إلى زيادة ثابتة في تدمير الإكسي مع مرور الوقت، حيث بلغت الكفاءة ذروتها بعد 12 ساعة ولكنها انخفضت بعد ذلك، مما يبرز تأثير التقلبات البيئية على أداء النظام.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تصنيع واختبار محطة شمسية محمولة ومنخفضة التكلفة ذات ميل واحد في نزوى، عمان، حيث مستويات الإشعاع الشمسي مرتفعة بشكل ملحوظ، بمتوسط يتراوح بين 2900 إلى 3600 ساعة من أشعة الشمس سنويًا. تم بناء المحطة باستخدام الفولاذ، والخشب، والحراري للعزل، مع تغطية زجاجية مائلة بزاوية 23° لتحسين التقاط الطاقة الشمسية. تم مراقبة الإعداد التجريبي بدقة على مدى 10 أيام، باستخدام ثنائيات حرارية، ومقياس شمسي، ومقياس سرعة الرياح لجمع البيانات حول درجة الحرارة، وكثافة الإشعاع الشمسي، وسرعة الرياح. ركز التحليل على كفاءات الطاقة والإكسي، كاشفًا عن فقدان كبير للطاقة بشكل رئيسي بسبب الحمل الحراري والإشعاع، مما أدى إلى كفاءة إكسي قصوى تبلغ حوالي 0.05%.
أشارت النتائج إلى أن المحطة الشمسية حققت كفاءة طاقة تتراوح بين 12-14%، وهو أمر مشجع نظرًا لعدم وجود مكثفات شمسية. تم أيضًا تقييم جودة المياه المقطرة، مع قيم pH ومتوسط المواد الصلبة الذائبة (TDS) تبلغ 6 و171 جزء في المليون، على التوالي، مما يشير إلى ملاءمتها للاستخدام المنزلي. سلطت الدراسة الضوء على إمكانية تحسين كفاءة المحطة من خلال تحسين العزل، واختيار المواد، وتعزيز التصميم. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية لاستكشاف تأثيرات اختلاف سمك الزجاج وعمق المياه، بالإضافة إلى توسيع نطاق التكنولوجيا للاستخدام التجاري في مناطق مثل عمان، التي تستفيد من موارد شمسية وفيرة.
DOI: https://doi.org/10.3389/frwa.2026.1696452
Publication Date: 2026-02-19
Author(s): Ganesh Radhakrishnan et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
The research investigates a passive single-slope solar desalination system designed for domestic applications, utilizing solar energy to produce fresh water. Conducted over ten consecutive days in Nizwa, Oman, the study evaluates the system’s performance through energy, exergy, and economic analyses, considering factors such as ambient conditions, temperature variations, and air movement. The results indicate that the pH of the produced fresh water averaged around 6, making it safe for consumption. Energy efficiency peaked at 14% during optimal conditions, while exergy efficiency showed a notable increase until 14 hours of operation, after which both efficiencies were affected by reduced solar radiation and ambient fluctuations.
The study concludes that while the solar still demonstrates reasonable performance, challenges such as high exergy destruction and energy losses were identified. Variations in productivity were linked to solar intensity and heat losses, with enhanced condensation rates observed after 13 hours. Recommendations for improving efficiency include better insulation, material selection, and the use of reflectors to concentrate solar energy. Future research should explore the impact of glazing thickness and water depth on performance. The authors advocate for scaling up such systems commercially in Oman, leveraging the region’s abundant solar resources for sustainable water production.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the increasing interest in solar energy for desalination, particularly in producing drinking water from saline sources. With rising fossil fuel costs and the need for sustainable, low-cost solutions, solar desalination techniques, such as solar stills, have gained traction. The paper highlights various studies that have explored optimizing solar still performance through parameters like water depth and glass cover inclination. For instance, Al-Mezeini et al. (2023) found that a water depth of 4 cm maximized productivity, while the addition of external mirrors further enhanced efficiency. Other studies, including those by Aljubouri (2017) and Hameed (2022), corroborate the significance of these parameters in improving water collection efficiency.
The authors aim to address the limited research on solar desalination in Oman, focusing on the performance and economic analysis of passive single-slope solar stills tailored to the region’s climatic conditions. The study’s objectives include evaluating energy and exergy efficiency, as well as economic viability based on freshwater yield. By leveraging solar energy for desalination, the research seeks to provide a sustainable solution to water scarcity in arid regions, aligning with Oman’s Vision 2040 for renewable energy development. Overall, this investigation aims to contribute valuable insights into the design and efficiency of solar desalination systems, promoting sustainable water resource management in Oman.
Results
The results of the solar still performance were evaluated through energy, exergy, and economic analyses. The study recorded hourly cumulative solar radiation, revealing a consistent increase from 9 h to 15 h, with maximum intensity observed on the 6th, 9th, and 10th days. Ambient temperatures ranged from 24 to 34 °C, showing fluctuations due to weather conditions, while wind speeds varied between 0.5 to 2.5 m/s, peaking after 12 h. Notably, the temperature difference between the outer and inner glass surfaces reached approximately 10 °C after 13 h, driven by evaporation processes within the basin.
Productivity metrics indicated low output of around 0.25 L/m² until 12 h, with a significant increase post-14 h, peaking at 7 L/m² on the 9th and 10th days. The quality of the produced freshwater was satisfactory, with pH values around 6 and lower Total Dissolved Solids (TDS) compared to saline water. Energy efficiency was minimal until 12 h, then increased significantly, achieving maximum efficiencies of approximately 12% and 14.5% on the 10th and 1st days, respectively. However, overall productivity and efficiency were lower than those reported for similar systems, attributed to factors such as basin material and environmental conditions. Exergy analysis indicated a steady increase in exergy destruction over time, with efficiency peaking after 12 h but declining thereafter, highlighting the impact of ambient fluctuations on system performance.
Discussion
In this study, a portable, low-cost single-slope solar still was fabricated and tested in Nizwa, Oman, where solar radiation levels are notably high, averaging between 2,900 to 3,600 hours of sunshine annually. The still was constructed using steel, wood, and thermocol for insulation, with a glass cover inclined at 23° to optimize solar energy capture. The experimental setup was rigorously monitored over a 10-day period, utilizing thermocouples, a solar meter, and an anemometer to collect data on temperature, solar radiation intensity, and wind speed. The analysis focused on energy and exergy efficiencies, revealing significant energy losses primarily due to convection and radiation, leading to a maximum exergy efficiency of approximately 0.05%.
The findings indicated that the solar still achieved an energy efficiency of 12-14%, which is commendable given the absence of solar concentrators. The quality of the distilled water was also assessed, with average pH and total dissolved solids (TDS) values of 6 and 171 ppm, respectively, indicating suitability for domestic use. The study highlighted the potential for improving the still’s efficiency through better insulation, material selection, and design enhancements. Future research is recommended to explore the effects of varying glazing thickness and water depth, as well as scaling up the technology for commercial applications in regions like Oman, which benefit from abundant solar resources.