DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94194-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40118930
تاريخ النشر: 2025-03-21
المؤلف: Omar Shahat Younis وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تطوير وأداء مجفف شمسي يستخدم أنابيب مفرغة لتجفيف شرائح سمك البلطي النيلي، مع معالجة معدلات الاستهلاك المنخفضة بسبب العزلة الجغرافية في بحيرة ناصر، مصر. قارن البحث بين المجفف الشمسي وفرن صناعي يستخدم الغاز البترولي المسال (OLPG) عبر ثلاث سماكات شرائح (4، 8، و12 مم) وسرعة هواء تبلغ 0.5 م/ث. أظهرت النتائج أن المجفف الشمسي حقق درجات حرارة هواء تتراوح بين 44 و75 °م، مع أوقات تجفيف تتراوح بين 13 إلى 17 ساعة وفعالية انتشار رطوبة تتراوح من $0.87 \times 10^{-11}$ إلى $5.66 \times 10^{-11} \, \text{م}^2/\text{s}$. وصفت نماذج Modified Midilli (II) وModified Henderson and Pabis سلوك التجفيف بشكل فعال.
كشفت التحليلات البيئية أن المجفف الشمسي يمكن أن يقلل حوالي 273.6 طن من CO₂ على مدار عمره، مما يترجم إلى رصيد كربوني يبلغ حوالي $19,838.89. من الناحية الاقتصادية، أظهر المجفف الشمسي تكلفة رأس مال إجمالية قدرها $200 وإنتاج سنوي قدره 450 كجم من السمك المجفف، مما يحقق وفورات سنوية قدرها $608.4 وفترة استرداد تبلغ حوالي 0.413 سنوات. تهدف التطورات المستقبلية إلى دمج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتعزيز كفاءة وموثوقية عملية التجفيف.
الطرق
في هذه الدراسة، التي أجريت في مركز البحوث الزراعية في الجيزة، مصر، في عام 2024، تم الحصول على عينات سمك البلطي من الأسواق المحلية في أسوان. تم قياس محتوى الرطوبة الأولي لعينات السمك عند 74.83% على أساس رطب (297.3% على أساس جاف) باستخدام فرن الحمل الحراري عند 103 ± 1 °م. تضمنت الإعدادات التجريبية نظام تجفيف شمسي يستخدم جامع شمسي بأنابيب مفرغة (ETSC) مصمم لتحسين امتصاص الطاقة الشمسية. يتكون ETSC من أربع أنابيب زجاجية مفرغة من البورسليكات مرتبة بزاوية 30°، مع فراغ قدره 5 × 10⁻² با بين الأنابيب لتقليل الفقد الحراري. كانت أبعاد غرفة التجفيف 600 مم × 600 مم × 600 مم، وتم إدارة تدفق الهواء من خلال مانيفولات معزولة متوازية، مع الحفاظ على سرعة هواء تبلغ 0.5 م/ث.
لتقييم أداء نظام التجفيف الشمسي (SDET)، قارن البحث بينه وبين مجفف شمسي تقليدي مفتوح (OLPG) يعمل عند درجة حرارة داخلية تبلغ 60 °م. تم تسجيل فقدان الرطوبة من عينات السمك كل ساعة حتى الاستقرار، باستخدام ميزان لقياس الوزن. تم مراقبة المعلمات البيئية، بما في ذلك الإشعاع الشمسي، والرطوبة النسبية، ودرجات الحرارة، بشكل مستمر طوال عملية التجفيف باستخدام أجهزة استشعار مناسبة. تم إنشاء المخطط والصور للإعداد التجريبي باستخدام AutoCAD وMicrosoft Office.
النتائج
كشفت الاختبارات الميدانية التي أجريت في صيف عام 2024 عن تباينات كبيرة في الظروف البيئية التي تؤثر على عملية التجفيف. بلغ ذروة الإشعاع الشمسي بين 925 و942 واط/م² عند الساعة 1:00 مساءً، بينما تراوحت درجات الحرارة المحيطة بين 30.96 و38.44 °م. تذبذبت الرطوبة النسبية للهواء المجفف بين 14% و23%، مما يشير إلى ظروف جافة نسبياً ملائمة للتجفيف.
بالإضافة إلى ذلك، تم تسجيل درجة حرارة الهواء المجفف داخل غرفة التجفيف بين 44 °م و75 °م، مع الحفاظ على درجة حرارة الهواء في OLPG عند 60 °م بشكل مستمر. تسلط هذه النتائج الضوء على تأثير الإشعاع الشمسي والظروف المحيطة على كفاءة عملية التجفيف، مما يشير إلى معلمات تشغيلية مثالية لتعظيم فعالية التجفيف.
المناقشة
يقدم قسم المناقشة في ورقة البحث تحليلاً شاملاً للاختلافات في أدوات القياس المستخدمة في عمليات التجفيف الشمسي، كاشفاً عن عدم دقة تراكمية تبلغ حوالي ± 2%. تشير هذه التحليلات إلى أنه على الرغم من الأخطاء في القياس، فإن نظام التجفيف الشمسي يظهر موثوقية وفعالية. كما تفصل الدراسة نمذجة عملية التجفيف، باستخدام معادلات لتحويل محتوى الرطوبة (MC) إلى نسبة الرطوبة (MR) وحساب معدلات التجفيف (DR). تم استخدام تحليلات إحصائية، بما في ذلك الانحدار غير الخطي، لتقييم نماذج التجفيف الرقيقة المختلفة، حيث برز نموذج Modified Midilli (II) كالأكثر ملاءمة لوصف سلوك التجفيف لشرائح سمك البلطي النيلي.
علاوة على ذلك، تم تحديد فعالية انتشار الرطوبة (EMD)، مما يبرز أن مقاومة نقل الكتلة الداخلية تتحكم بشكل أساسي في مدة التجفيف. تراوحت قيم EMD من $0.87 \times 10^{-11}$ إلى $5.66 \times 10^{-11} \, م^2/ث، مع تحقيق تجفيف OLPG لانتشار أعلى من المجفف الشمسي. كشفت التحليلات الاقتصادية للمجفف الشمسي المطور بأنابيب مفرغة (SDET) عن تكلفة رأس مال إجمالية قدرها $200 ووفورات سنوية كبيرة، مع فترة استرداد تبلغ حوالي 0.413 سنوات. أشارت التقييمات البيئية إلى أن SDET يمكن أن يقلل حوالي 273.6 طن من CO2 على مدار عمره، مما يبرز إمكاناته كحل تجفيف فعال من حيث الطاقة ومستدام. ستركز الأبحاث المستقبلية على دمج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي لتعزيز قدرات النظام التنبؤية فيما يتعلق بخصائص التجفيف.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-94194-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40118930
Publication Date: 2025-03-21
Author(s): Omar Shahat Younis et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
The research investigates the development and performance of a solar dryer utilizing evacuated tubes for drying Nile Tilapia fish fillets, addressing the low consumption rates due to geographical isolation in Lake Nasser, Egypt. The study compared the solar dryer with an industrial oven using liquefied petroleum gas (OLPG) across three slice thicknesses (4, 8, and 12 mm) and an air velocity of 0.5 m/s. Results indicated that the solar dryer achieved air temperatures between 44 and 75 °C, with drying times of 13 to 17 hours and effective moisture diffusivity ranging from $0.87 \times 10^{-11}$ to $5.66 \times 10^{-11} \, \text{m}^2/\text{s}$. The Modified Midilli (II) and Modified Henderson and Pabis models effectively described the drying behavior.
The environmental analysis revealed that the solar dryer could mitigate approximately 273.6 tons of CO₂ over its lifetime, translating to a carbon credit of about $19,838.89. Economically, the solar dryer demonstrated a total capital cost of $200 and an annual production of 450 kg of dried fish, yielding annual savings of $608.4 and a payback period of approximately 0.413 years. Future developments aim to incorporate machine learning and artificial intelligence to enhance the drying process’s efficiency and predictability.
Methods
In this study, conducted at the Agricultural Research Center in Giza, Egypt, in 2024, tilapia fish samples were sourced from local markets in Aswan. The initial moisture content of the fish samples was measured at 74.83% on a wet basis (297.3% on a dry basis) using a convection oven at 103 ± 1 °C. The experimental setup involved a solar drying system utilizing an evacuated tube solar collector (ETSC) designed to optimize solar energy absorption. The ETSC consisted of four borosilicate glass vacuum tubes arranged at a 30° angle, with a vacuum of 5 × 10⁻² Pa between the tubes to minimize convective losses. The drying room dimensions were 600 mm × 600 mm × 600 mm, and airflow was managed through two insulated parallel manifolds, with an air velocity maintained at 0.5 m/s.
To evaluate the performance of the solar drying system (SDET), the study compared it against a conventional open-loop solar dryer (OLPG) operating at an internal temperature of 60 °C. Moisture loss from the fish samples was recorded hourly until stabilization, using a balance for weight measurement. Environmental parameters, including solar radiation, relative humidity, and temperatures, were continuously monitored throughout the drying process using appropriate sensors. The experimental setup’s schematic and photographs were created using AutoCAD and Microsoft Office.
Results
The field tests conducted in the summer of 2024 revealed significant variations in environmental conditions impacting the drying process. Solar radiation peaked between 925 and 942 W/m² at 1:00 p.m., while ambient temperatures ranged from 30.96 to 38.44 °C. The relative humidity of the drying air fluctuated between 14% and 23%, indicating relatively dry conditions conducive to drying.
Additionally, the temperature of the drying air within the drying room was recorded between 44 °C and 75 °C, with the air temperature in the OLPG consistently maintained at 60 °C. These findings highlight the influence of solar radiation and ambient conditions on the efficiency of the drying process, suggesting optimal operational parameters for maximizing drying effectiveness.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a comprehensive analysis of the uncertainties in measuring instruments used in solar drying processes, revealing a cumulative imprecision of approximately ± 2%. This analysis indicates that despite inherent measurement errors, the solar drying system demonstrates reliability and effectiveness. The study also details the modeling of the drying process, employing equations to convert moisture content (MC) to moisture ratio (MR) and calculate drying rates (DR). Statistical analyses, including nonlinear least squares regression, were utilized to assess various thin-layer drying models, with the Modified Midilli (II) model emerging as the most suitable for characterizing the drying behavior of Nile Tilapia fish fillets.
Furthermore, the effective moisture diffusivity (EMD) was determined, highlighting that internal mass transfer resistance predominantly governs the drying duration. The EMD values ranged from $0.87 \times 10^{-11}$ to $5.66 \times 10^{-11} \, m^2/s$, with OLPG drying yielding higher diffusivity than the solar dryer. The economic analysis of the developed solar dryer with evacuated tubes (SDET) revealed a total capital cost of $200 and significant annual savings, with a payback period of approximately 0.413 years. The environmental assessment indicated that the SDET could mitigate around 273.6 tons of CO2 over its lifespan, underscoring its potential as an energy-efficient and sustainable drying solution. Future research will focus on integrating machine learning and artificial intelligence to enhance the system’s predictive capabilities regarding drying characteristics.