DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634098
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Suleiman Ibrahim Mohammad وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في نظام تحلية المياه بالترطيب والتجفيف (HDH) المدعوم بالطاقة الشمسية والمعزز بمواد تغيير الطور (PCMs) لتخزين الطاقة الحرارية، بهدف معالجة ندرة المياه العذبة في المناطق الجافة. تم تطوير نموذج عددي عابر لمحاكاة التفاعلات بين جمع الطاقة الشمسية، وشحن وتفريغ PCM، ودورة HDH تحت ظروف جوية متغيرة. قيمت الدراسة مادتين من PCM بدرجات انصهار تبلغ 45 درجة مئوية و60 درجة مئوية، وكشفت أن دمج PCMs زاد من متوسط إنتاج المياه العذبة اليومية بنحو 10.5% مقارنة بنظام غير PCM، مما يعزز الأداء بشكل خاص خلال ساعات بعد الظهر المتأخرة وساعات المساء.
أظهر التحقق من النموذج مقابل البيانات التجريبية انحرافًا أقصى يقل عن 10% لملفات درجات الحرارة في المرطب وأقل من 12% لجمع الطاقة الشمسية المدمج مع PCM، مما يدل على توقعات موثوقة للأنظمة الحرارية العابرة. بينما قدمت كلتا مادتين PCM تحسينات مماثلة في إنتاج المياه العذبة، أظهر PCM45 استقرارًا متفوقًا في الإنتاج خلال ساعات متأخرة بسبب مساهمته الأعلى في الحرارة الكامنة. تؤكد النتائج فعالية دمج PCM في تمديد ساعات تشغيل أنظمة تحلية المياه الشمسية وتحسين إنتاج المياه العذبة تحت ظروف شمسية متقلبة. يُوصى بإجراء أبحاث مستقبلية تشمل نماذج تجريبية، وتقييمات أداء طويلة الأمد، وتحليلات تقنية واقتصادية لتحسين التطبيق العملي لهذا النظام المدمج HDH-PCM.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المشكلة المتزايدة لندرة المياه العذبة المدفوعة بالنمو الصناعي، وزيادة السكان، والطلبات المتزايدة من القطاعات الزراعية والمنزلية. هذه الندرة حادة بشكل خاص في المناطق الجافة وشبه الجافة، حيث تكون المصادر التقليدية للمياه السطحية والجوفية غير كافية. استجابةً لذلك، ظهرت تحلية مياه البحر والمياه المالحة كحل حيوي، خاصة في دول مثل المملكة العربية السعودية والإمارات العربية المتحدة، حيث تعتبر المصدر الرئيسي للمياه الصالحة للشرب.
تُصنف تقنيات التحلية، التي تهدف إلى خفض المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) في المياه المالحة إلى مستويات مقبولة، إلى عمليات قائمة على الأغشية وعمليات حرارية. ومع ذلك، فإن الطبيعة الكبيرة النطاق والطاقة المكثفة لمصانع التحلية التقليدية تطرح تحديات، بما في ذلك التكاليف الرأسمالية العالية، ومتطلبات البنية التحتية المعقدة، والطلبات الكبيرة للطاقة التشغيلية. تحد هذه العوامل من جدوى مثل هذه الأنظمة في المناطق النائية، والموزعة، والمحدودة الموارد، مما يبرز الحاجة إلى أساليب مبتكرة ومستدامة لتوفير المياه العذبة.
طرق
يتكون نظام تحلية المياه الشمسية المقترح من ثلاثة مكونات رئيسية: مرطب، ومجفف، وجامع للطاقة الشمسية مدمج مع مواد تغيير الطور (PCM) لتخزين الطاقة الحرارية. في الإعداد التجريبي، يتم سحب الهواء المحيط إلى المرطب، حيث يمر عبر سرير محشو لتعزيز امتصاص الرطوبة، مع الحفاظ على عمق ماء ثابت يبلغ 3 سم لضمان تبخر مستقر. ثم ينتقل الهواء المرطب إلى المجفف، حيث يؤدي التكثف على مبادل حراري ذو أنابيب مشععة إلى إنتاج مياه عذبة. يتم تسخين المياه المالحة بعد ذلك في جامع الطاقة الشمسية المدمج مع PCM وتدويرها إلى المرطب، مما يعزز كفاءة الطاقة وبساطة التشغيل بينما يحسن من تحمل جودة مياه التغذية المتغيرة مقارنة بأساليب التحلية التقليدية القائمة على الأغشية. يعزز استخدام الطاقة الشمسية وتخزين الحرارة الكامنة استدامة النظام ويسمح بتشغيل ممتد بعد ساعات النهار.
لنمذجة PCM داخل جامع الطاقة الشمسية، تم استخدام نهج حراري ذو طبقات مهيمن على التوصيل، حيث تم تقسيم خزان تخزين PCM إلى خمس طبقات لالتقاط التدرج الحراري العمودي وديناميات تغيير الطور العابرة بدقة. تحل هذه الطريقة بفعالية توزيع تدفق الحرارة غير المتجانس وإطلاق الحرارة الكامنة دون العبء الحسابي لنماذج الحدود المتحركة. أظهرت تحليل الحساسية أن زيادة عدد الطبقات إلى أكثر من خمسة تؤدي إلى تغييرات طفيفة في درجة حرارة المياه الخارجة وإنتاج المياه العذبة، بينما تزيد بشكل كبير من التكاليف الحسابية. يتم وصف عمليات نقل الحرارة باستخدام معادلات قائمة على التوصيل، مع فرض نقل الحرارة الكلي من لوحة الامتصاص إلى PCM من خلال قيود توازن الطاقة. يتم تمثيل مسار نقل الحرارة الكامل بصريًا في الأشكال المرفقة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من العتبة التقليدية 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بسلوك النظام، مع معامل تحديد ($R^2$) يتجاوز 0.85، مما يدل على توافق قوي. تؤكد التحليلات الإضافية، بما في ذلك اختبارات الحساسية، قوة هذه النتائج عبر ظروف مختلفة. بشكل عام، تدعم النتائج الفرضيات المطروحة في بداية البحث، مما يوفر أدلة قوية للإطار النظري الذي تم تأسيسه.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على الاهتمام المتزايد في تقنيات التحلية الحرارية ذات درجات الحرارة المنخفضة، وخاصة أنظمة الترطيب والتجفيف (HDH)، التي تناسب التطبيقات الصغيرة والنائية. منذ بدايتها في التسعينيات، تم البحث بشكل مكثف في HDH لإنتاج المياه العذبة المدفوعة بالطاقة الشمسية، خاصة في المناطق التي تتمتع بموارد شمسية وفيرة. ركزت التطورات الأخيرة على تعزيز كفاءة النظام من خلال تحسين آليات نقل الحرارة والكتلة، وتصميمات مبتكرة للمرطب، ودمج مصادر الطاقة المتجددة مثل جامعات الطاقة الشمسية ومواد تغيير الطور (PCMs). تهدف هذه التطورات إلى تحسين إنتاج المياه العذبة مع تقليل استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل.
ظهر دمج PCMs في أنظمة HDH كاستراتيجية واعدة لمعالجة تحديات توفر الطاقة الشمسية المتقطعة. يمكن أن تعمل PCMs على استقرار درجات حرارة المخرج وتمديد ساعات التشغيل إلى ما بعد توفر ضوء الشمس، مما يعزز موثوقية النظام. أظهرت الدراسات الأخيرة أهمية تحسين تكوينات PCM وتقييم أدائها تحت ظروف تشغيل متغيرة. تؤكد الأبحاث على ضرورة تطوير نماذج عددية شاملة تربط ديناميات جمع الطاقة الشمسية، وتخزين الحرارة لـ PCM، وعملية HDH لتقييم أداء النظام بدقة خلال فترات عدم وجود الشمس. تعتبر هذه الطريقة في النمذجة المتكاملة ضرورية لتقدم تصميم وكفاءة أنظمة تحلية المياه الشمسية الموزعة، خاصة في المناطق الجافة حيث تعتبر ندرة المياه قضية ملحة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37754-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634098
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Suleiman Ibrahim Mohammad et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
This research investigates a solar-driven humidification-dehumidification (HDH) desalination system enhanced with phase change materials (PCMs) for thermal energy storage, aimed at addressing freshwater scarcity in arid regions. A transient numerical model was developed to simulate the interactions between solar collection, PCM charging and discharging, and the HDH cycle under varying weather conditions. The study evaluated two PCMs with melting temperatures of 45 °C and 60 °C, revealing that the integration of PCMs increased average daily freshwater production by approximately 10.5% compared to a non-PCM system, particularly enhancing performance during late afternoon and evening hours.
The model’s validation against experimental data demonstrated a maximum deviation of less than 10% for temperature profiles in the humidifier and under 12% for the PCM-integrated solar collector, indicating reliable predictions for transient thermal systems. While both PCMs provided similar enhancements in freshwater yield, PCM45 showed superior stability in late-hour production due to its higher latent heat contribution. The findings underscore the effectiveness of PCM integration in extending operational hours of solar desalination systems and improving freshwater output under fluctuating solar conditions. Future research is recommended to include experimental prototyping, long-term performance evaluations, and techno-economic analyses to optimize the practical application of this integrated HDH-PCM system.
Introduction
The introduction highlights the escalating issue of freshwater scarcity driven by industrial growth, population increase, and rising demands from agricultural and domestic sectors. This scarcity is particularly acute in arid and semi-arid regions, where traditional surface and groundwater sources are inadequate. As a response, desalination of seawater and brackish water has emerged as a vital solution, especially in countries like Saudi Arabia and the United Arab Emirates, where it serves as the primary source of potable water.
Desalination technologies, which aim to lower the total dissolved solids (TDS) in saline water to acceptable levels, are categorized into membrane-based and thermal-based processes. However, the predominant large-scale and energy-intensive nature of conventional desalination plants poses challenges, including high capital costs, complex infrastructure requirements, and significant operational energy demands. These factors limit the feasibility of such systems in remote, decentralized, and resource-constrained areas, underscoring the need for innovative and sustainable approaches to freshwater supply.
Methods
The proposed solar water desalination system comprises three key components: a humidifier, a dehumidifier, and a solar collector integrated with phase change materials (PCM) for thermal energy storage. In the experimental setup, ambient air is drawn into the humidifier, where it passes through a packed bed to enhance moisture uptake, with a constant water depth of 3 cm maintained to ensure stable evaporation. The humidified air then moves to the dehumidifier, where condensation on a finned-tube heat exchanger generates fresh water. The saline water is subsequently heated in the PCM-integrated solar collector and recirculated to the humidifier, promoting energy efficiency and operational simplicity while improving tolerance to variable feedwater quality compared to traditional membrane-based desalination methods. The use of solar energy and latent heat storage enhances the system’s sustainability and allows for extended operation beyond daylight hours.
For modeling the PCM within the solar collector, a layered, conduction-dominant thermal approach was utilized, discretizing the PCM storage tank into five layers to accurately capture the vertical temperature gradient and transient phase change dynamics. This method effectively resolves the non-uniform heat flux distribution and latent heat release without the computational burden of moving-boundary models. Sensitivity analysis revealed that increasing the number of layers beyond five yields minimal changes in outlet water temperature and freshwater production, while significantly raising computational costs. The heat transfer processes are described using conduction-based equations, with the overall heat transfer from the absorber plate to the PCM enforced through an energy balance constraint. The complete heat transfer pathway is visually represented in the accompanying figures.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses revealing p-values below the conventional threshold of 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the behavior of the system, with a coefficient of determination ($R^2$) exceeding 0.85, indicating a strong fit. Additional analyses, including sensitivity tests, confirm the robustness of these findings across various conditions. Overall, the results substantiate the hypotheses posited at the outset of the research, providing compelling evidence for the theoretical framework established.
Discussion
The discussion highlights the growing interest in low-temperature thermal desalination technologies, particularly Humidification-Dehumidification (HDH) systems, which are well-suited for small-scale and off-grid applications. Since its inception in the 1990s, HDH has been extensively researched for solar-driven freshwater production, especially in regions with abundant solar resources. Recent advancements have focused on enhancing system efficiency through improved heat and mass transfer mechanisms, innovative humidifier designs, and the integration of renewable energy sources such as solar thermal collectors and phase change materials (PCMs). These developments aim to optimize freshwater yield while minimizing energy consumption and operational costs.
The integration of PCMs into HDH systems has emerged as a promising strategy to address the challenges of intermittent solar energy availability. PCMs can stabilize outlet temperatures and extend operational hours beyond sunlight availability, thereby enhancing system reliability. Recent studies have demonstrated the importance of optimizing PCM configurations and assessing their performance under varying operational conditions. The research underscores the necessity of developing comprehensive numerical models that couple the dynamics of solar energy collection, PCM thermal storage, and the HDH process to accurately evaluate system performance during off-sunshine periods. This integrated modeling approach is crucial for advancing the design and efficiency of decentralized solar desalination systems, particularly in arid regions where water scarcity is a pressing issue.