DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35137-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606071
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Amr Elbrashy وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
تقدم البحث مجفف شمسي هجين مبتكر يعمل بالطاقة الشمسية الكهروضوئية/الحرارية (PV/T) مدمج مع وحدة استعادة المياه، يهدف إلى تلبية الاحتياجات الأساسية للطاقة والغذاء والمياه في معالجة الزراعة. يستخدم هذا النظام المبتكر جامع هواء PV/T لتوليد كل من الكهرباء والهواء الساخن، بينما تقوم وحدة التبريد الكهروحرارية (TEC) بتكثيف بخار الماء من العادم الجاف. يبرز الدراسة النهج الفريد للاستفادة من الحرارة المهدرة من TEC لتعزيز معدلات التبخر داخل غرفة التجفيف، مما يسهل عملية التجفيف إلى الشرب (D2D) التي تقلل من فقدان الطاقة والكتلة. ومن الجدير بالذكر أن تجفيف 1 كجم من الطماطم أسفر عن إنتاج حوالي 3.9 لترات من الماء المكثف خلال دورة مدتها 8 ساعات، مما يعالج بشكل فعال تحديات حفظ الغذاء ونقص المياه.
تشير النتائج التجريبية إلى أن مجفف الشمس الهجين PV/T حقق كفاءة حرارية قصوى بلغت 53.29%، وكفاءة كهربائية بلغت 17%، وكفاءة إجمالية تجاوزت 70%، وذلك اعتمادًا على ظروف الطقس. كانت وحدة استعادة المياه تنتج باستمرار مياه نظيفة، مما يعزز من إمكانية النظام في معالجة الزراعة المستدامة. لم تؤدي دمج مسارات الطاقة الكهروضوئية والحرارية إلى تقليل خسائر الطاقة فحسب، بل أيضًا إلى تحسين أداء النظام بشكل عام مقارنة بأساليب التجفيف التقليدية. يبرز هذا البحث قدرة النظام على تقديم منتجات مجففة عالية الجودة، وتعزيز الحفاظ على الطاقة، وتعزيز أمان المياه، مما يجعله حلاً قابلاً للتوسع وفعالاً بيئيًا للمجتمعات الريفية وصناعات الغذاء بما يتماشى مع أهداف التنمية المستدامة العالمية.
طرق
يتكامل النظام المقترح مع أربعة مكونات أساسية لتقديم وظائف متنوعة تعمل بالطاقة الشمسية، بما في ذلك التبريد الكهروضوئي/الحراري (PV/T) من خلال الهواء القسري لتعزيز الكفاءة الكهربائية وتقليل الضغط الحراري، وتجفيف الفواكه باستخدام الهواء الساخن، واستخراج الرطوبة عبر التبريد الكهروحراري (TEC). يوضح الإعداد التجريبي، كما هو موضح في الشكل 1، المكونات الرئيسية للنظام، بينما يقدم الشكل 2 تمثيلًا تخطيطيًا لتكوين وأبعاد النظام المدمج.
يعمل هذا النظام المستقل مع مروحة نفخ تعمل بالطاقة الكهربائية المستمرة (DC) المولدة من لوحين كهروضوئيين، كل منهما بقدرة 280 واط. تم إجراء التجارب في مدينة دمياط الجديدة، مصر، الواقعة عند خط عرض 31.4213° شمالًا وخط طول 31.8144° شرقًا، وهي منطقة معروفة بإشعاعها الشمسي المعتدل، ورطوبتها العالية، وتقلبات درجات الحرارة الموسمية. ستتناول الفقرة التالية كل مكون من مكونات النظام والأدوات القياسية المستخدمة في الدراسة.
نتائج
تشير النتائج إلى أن جامع الهواء الكهروضوئي/الحراري (PV/T) المدمج يجمع بشكل فعال بين توليد الطاقة وعمليات تجفيف الزراعة. يعرض هذا النظام المبتكر تقدمًا كبيرًا في تكنولوجيا الطاقة المتجددة الهجينة، مما يبرز إمكانيته لوظائف مزدوجة. تشير النتائج إلى أن مثل هذه الأنظمة يمكن أن تعزز كفاءة الطاقة بينما تلبي الاحتياجات الزراعية، وبالتالي تساهم في الممارسات المستدامة في كل من إنتاج الطاقة ومعالجة الغذاء.
مناقشة
يقدم البحث مجفف شمسي هجين يعمل بالطاقة الكهروضوئية/الحرارية (PV/T) مصمم لمعالجة الزراعة المستدامة، وخاصة لتجفيف الطماطم. يتكون النظام من جامع هواء PV/T مع لوحين شمسيين، وغرفة تجفيف معزولة حراريًا، ووحدة تكثيف تستخدم وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC). تسخن الألواح الشمسية، التي تبلغ قدرتها 295 واط وكفاءتها تتراوح بين 16.5% إلى 18.0%، الهواء الذي يمر عبر غرفة التجفيف، والتي تم تجهيزها بصواني من البولي إيثيلين عالي الكثافة لتسهيل التجفيف المتساوي. تعمل وحدات TEC على تكثيف الرطوبة من الهواء بشكل فعال، مما يعزز من استعادة المياه.
تشير النتائج التجريبية إلى أن النظام نجح في تقليل محتوى الرطوبة في الطماطم من أكثر من 900 جرام/كجم إلى حوالي 100 جرام/كجم خلال فترة تجفيف مدتها 8 ساعات، محققًا كفاءة حرارية قصوى بلغت 53.29% وكفاءة إجمالية تجاوزت 70%. قامت وحدة استعادة المياه بتكثيف متوسط 3.9 لترات من المياه النظيفة، مما يظهر قدرة النظام على دمج استعادة الطاقة والمياه بكفاءة. تؤكد النتائج على إمكانيات هذا النظام الهجين في تقديم منتجات مجففة عالية الجودة بينما تعزز من الحفاظ على الطاقة وتقلل من الاعتماد على الوقود الأحفوري، مما يساهم في تحقيق أهداف التنمية المستدامة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35137-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41606071
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Amr Elbrashy et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
The research presents a novel hybrid solar photovoltaic/thermal (PV/T) solar dryer integrated with a water recovery unit, aimed at addressing the essential demands of energy, food, and water in agricultural processing. This innovative system utilizes a PV/T air collector to generate both electricity and hot air, while a thermoelectric cooling (TEC) unit condenses water vapor from the drying exhaust. The study highlights the unique approach of leveraging waste heat from the TEC to enhance evaporation rates within the drying chamber, facilitating a drying-to-drinking (D2D) process that minimizes energy and mass loss. Notably, drying 1 kg of tomatoes resulted in the production of approximately 3.9 liters of condensed water over an 8-hour cycle, effectively tackling food preservation and water scarcity challenges.
Experimental results indicate that the hybrid PV/T solar dryer achieved a maximum thermal efficiency of 53.29%, electrical efficiency of 17%, and an overall efficiency exceeding 70%, contingent on weather conditions. The water recovery unit consistently produced clean water, reinforcing the system’s potential for sustainable agricultural processing. The integration of photovoltaic and thermal energy pathways not only reduced energy losses but also improved overall system performance compared to traditional drying methods. This research underscores the system’s capability to deliver high-quality dried products, enhance energy conservation, and bolster water security, positioning it as a scalable and environmentally efficient solution for rural communities and food industries in alignment with global sustainable development goals.
Methods
The proposed system integrates four essential components to deliver various solar-powered functionalities, including photovoltaic/thermal (PV/T) cooling through forced air to enhance electrical efficiency and mitigate thermal stress, fruit drying using heated air, and moisture extraction via thermoelectric cooling (TEC). The experimental setup, depicted in Figure 1, showcases the main components of the system, while Figure 2 presents a schematic representation of the configuration and dimensions of the integrated system.
This autonomous system operates with a blower fan powered by direct current (DC) electricity generated from two photovoltaic panels, each rated at 280 W. The experiments were conducted in New Damietta City, Egypt, located at latitude 31.4213° N and longitude 31.8144° E, an area noted for its moderate solar radiation, high humidity, and seasonal temperature fluctuations. The following subsection will elaborate on each component of the system and the measuring instruments employed in the study.
Results
The results indicate that the integrated photovoltaic/thermal (PV/T) air collector effectively combines power generation with agricultural drying processes. This innovative system showcases a significant advancement in hybrid renewable energy technology, highlighting its potential for dual functionality. The findings suggest that such systems can enhance energy efficiency while addressing agricultural needs, thereby contributing to sustainable practices in both energy production and food processing.
Discussion
The research presents a hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) solar dryer designed for sustainable agricultural processing, particularly for drying tomatoes. The system comprises a PV/T air collector with two solar panels, a thermally insulated drying chamber, and a condensation unit utilizing thermoelectric (TEC) modules. The PV panels, rated at 295 W with an efficiency of 16.5% to 18.0%, heat air that passes through the drying chamber, which is equipped with high-density polyethylene trays to facilitate even drying. The TEC modules effectively condense moisture from the air, enhancing water recovery.
Experimental results indicate that the system successfully reduced the moisture content of tomatoes from over 900 g/kg to approximately 100 g/kg within an 8-hour drying period, achieving a maximum thermal efficiency of 53.29% and an overall efficiency exceeding 70%. The water recovery unit condensed an average of 3.9 liters of clean water, demonstrating the system’s capability to integrate energy and water recovery efficiently. The findings underscore the potential of this hybrid system to provide high-quality dried products while promoting energy conservation and reducing reliance on fossil fuels, thus contributing to sustainable development goals.