ساخت آب شیرین کن خورشیدی

هدف دانش آموزان از پژوهش حاضر ساخت دستگاه آب شیرین کن است که از انرژی خورشیدی استفاده کند و در هزینه های تصفیه آب بکاهد.

بخش پروژه های دانش آموزی - مهدی رحمانی

  دوازدهمین دوره  از پروژه ‌های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید اما کار ما هنوز تمام نشده است! این دوره نیز همچون سال ‌های گذشته دوستان بسیاری با ثبت طرح ‌ها و ایده ‌های خلاقانه خود در منوی "پیشنهاد موضوع" ما را در ارتقای تنوع پروژه ‌ها یاری نموده اند. هم چون گذشته بر آن شدیم تا با گردآوری این ایده ‌های جالب ، علاوه بر قدر دانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده بروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم. فراموش نکنید که ما همیشه منتظر طرح ‌های جدید شما عزیزان هستیم.

 
  نام ایده: ساخت آب شیرین کن خورشیدی

نام ارائه دهنده/دهند گان: بشری عزیزیان، مریم پور بیرقی، معصومه نوری و یاسمین بیات

زمینه و نوع پروژه: فیزیک

درجه سختی: متوسط

نام مدرسه: نمونه دولتی شهید طهماسبی

مقدمه

آب مایه حیات است. اهمیت آب در زندگی انسان و تمام موجودات زنده کاملاً مشخص است. در میان آب ‌ها، آب آشامیدنی یا به اصطلاح، آب شیرین برای انسان بسیار مهم است. بنابراین، تبدیل آب‌ های شور دریا به آب آشامیدنی در مباحث محیط زیست برای ما نیز مهم است. نمک‌ زدایی خورشیدی (به انگلیسی: Solar desalination) یعنی نمک‌ زدایی آب شور با استفاده از انرژی خورشید. نمک ‌زدایی نیاز به انرژی فراوانی دارد. اگر این انرژی از نور خورشید تامین شود به آن نمک‌ زدایی خورشیدی گفته می ‌شود.

چرا امروزه اغلب کشورهای جهان برای تامین آب آشامیدنی و نیاز کشاورزان اقدام به طراحی و ساخت آب شیرین کن های خورشیدی کرده اند؟ اصلا چه ضرورتی به ساخت چنین دستگاه هایی است؟ در حال حاضر با وجود این که سه چهارم کره زمین را آب اقیانوس ها و دریاها تشکیل داده اند اما کمبود آب یکی از مهم ترین عوامل محدود کننده محیط زندگی و کشاورزی و توسعه نیافتن صنایع است زیرا نمی توانیم استفاده مستقیمی از آب اقیانوس ها به دلیل داشتن حدود 3.5 درصد املاح مختلف کنیم؛ آب آشامیدنی نباید بیش از 1000 میلی گرم در لیتر املاح داشته باشد. املاح مجاز آب کشاورزی هم حداکثر 5000 میلی گرم در لیتر است.

 در صنعت هم آب های سخت با املاح زیاد، علاوه بر امکان خوردگی، با ایجاد رسوب در لوله ها و دستگاه ها، مشکلاتی در تاسیسات ایجاد و سرمایه های هنگفتی را به هدر می دهند. بنابراین آب اقیانوس ها و دریاها با داشتن 35 گرم در لیتر از مواد محلول، به هیچ عنوان نمی توانند مستقیما در صنعت و کشاورزی و شرب مورد استفاده قرار گیرند به همین دلیل جامعه بشری برای رهایی از این مشکل نیازمند استفاده از انرژی خورشیدی برای تامین آب آشامیدنی و شرب است. 

مهم ترین املاحی که باید از آب دریاها برای شیرین کردن گرفت، کلرور سدیم است (مقدار متوسط آن 34 گرم در لیتر است). همچنین مقادیری از املاح کلسیم و منیزیم هم ممکن است در این آب ها موجود باشند که باید حذف شوند.

 مناطقی که با کمبود آب شیرین رو به رو هستند را می توان به دو دسته تقسیم نمود. در دسته اول منابع آب چه آب شیرین و چه آب شور به ندرت یافت شده و به عبارت دیگر با بحران کم آبی رو به رو هستند. اما در دسته دوم هر چند منابع آب شیرین بسیار کم است، ولی در مقابل منابع آب شور به اندازة کافی برای شیرین سازی و تامین آب سالم وجود دارد. بیشتر مناطق ساحلی، خشک هستند ولی منابع آب شور زیادی در دسترس دارند، که تغییرات فصلی در کاهش یا افزایش آب ها در این مناطق تاثیر به سزایی دارد.

همان طورکه قبلا اشاره شد تا سال 2025 حدود 50 کشور به مجموعه کشورهایی که در حال حاضر با بحران کم آبی مواجه هستند اضافه می شوند. در این میان کشورهای زیادی که دارای نواحی ساحلی طولانی هستند به چشم می خورد. کشورهایی مانند کویت، قطر، بحرین، عربستان و امارات کشورهایی هستند که در معرض این مشکل می باشند.

با توجه به نفت خیز بودن این کشورها و درآمد حاصل از فروش نفت حدود 95 درصد آب شیرین مصرفی این کشورها توسط تقطیر آب دریاها با استفاده از انرژی سوخت های فسیلی تامین می شود. اما با توجه به افزایش قیمت نفت و همچنین آلودگی حاصل از مصرف سوخت های فسیلی جهت تامین انرژی مورد نیاز آب شیرین، بسیاری از این کشورها توجه زیادی به تقطیر خورشیدی به عنوان گزینه ای امید بخش و سازگار با محیط زیست کرده اند و همچنین با این روش میزان تولید آب تازه مورد نیاز خود را افزایش داده اند.

این کشورها با استفاده از انرژی خورشیدی به دلیل ارزان بودن این تکنولوژی و ساده بودن آن مقداری از آب تمیز مورد نیاز خود را در مقیاس کم یا متوسط تولید می کنند. با این حال تقطیر خورشیدی حداکثر 15 درصد راندمان سوخت های فسیلی را دارد، اما استفاده از آن می تواند تا حدودی کمبود آب را جبران کند.

تقطیر خورشیدی به عنوان یک تکنولوژی خورشیدی دارای قدمت طولانی می باشد و استفاده از آن به 2000 سال پیش باز می گردد. موضوع تقطیر خورشیدی بسیار وسیع است و مقالات زیادی درباره اصول طراحی، مدلسازی ریاضی، مشخصات اجرا و اقتصادی بودن دستگاه های تقطیر نوشته شده است و در مقدمه اشاره مختصری به آن شد و اکنون شایسته است مکانیزم آن مورد بحث قرار گیرد. 

مکانیسم تقطیر خورشیدی در سیستم های تقطیر خورشیدی آب شور را به ظرف کم عمقی که کاملا  آب بندی شده و با هوای خارج ارتباطی ندارد، وارد می کنند. پوشش شفافی مانند شیشه و یا پلاستیک، سطح فوقانی ظروف مربوطه را می پوشاند. انرژی خورشید با طول موج های مختلف از شیشه گذشته و نور خورشید با آب داخل ظرف و سطح جاذب برخورد نموده و آب گرم می شود.

پوشش شفاف مانع خروج اشعه های خورشید از محفظه شده و به علاوه باعث می شود که افت گرمایی از طریق جابجایی به مقدار زیادی کاهش یابد. به این ترتیب انرژی گرمای خورشید در دستگاه آب شیرین کن محصور شده و موجب افزایش دمای آب و تولید بخار آب در محفظه می گردد. به تدریج که رطوبت نسبی در محفظه افزایش می یابد، بخار آب در اثر دفع گرما از شیشه، روی سطح داخلی شیشه تقطیر شده و آب شیرین حاصله به طرف محل جمع آوری در انتهای پوشش حرکت می کند و به این ترتیب با استفاده از انرژی خورشید و عمل تقطیر، آب شیرین تهیه می شود.

 آب نمک غلیظ شده نیز به طور مداوم یا متناوب از دستگاه خارج می شود. مهم ترین عامل مؤثر در آب شیرین کن های خورشیدی شدت نور خورشید می باشد زیرا میزان تولید آب شیرین با شدت تابش خورشید نسبت مستقیم دارد. به علاوه عواملی چون دمای محیط، سرعت باد و دمای آب شور در مقدار بازدهی دستگاه مؤثر می باشند. 

هدف

هدف دانش آموزان از پژوهش حاضر ساخت دستگاه آب شیرین کن است که از انرژی خورشیدی استفاده کند و در هزینه های تصفیه آب بکاهد.

روش

دانش آموزان ابتدا چوب ها را به اندازه تعیین شده برش دادند. سپس با استفاده از چسب چوب و میخ این تکه های چوب را به هم چسباندند. سپس باکس ساخته شده را عایق کرده تا آب از درزهای آن به بیرون نرود. یک روزنه برای ورود آب تعبیه کرده و بست های لازم را قرار دادند. در مرحله بعد یک لوله را برش داده و به دیواره آب شیرین کن و شیشه ای که روی آن قرار می گیرد متصل کردند. و انتهای لوله را به منبع جمع آوری آب شیرین متصل نمودند. 

برای تهیه آبی شیرین با این روش نیازمند چقدر انرژی خورشیدی هستیم؟ فرمول خاص تهیه آب شیرین کن خورشیدی یک به یک است یعنی ما برای تهیه هر یک متر مکعب آب شیرین در حدود یک کیلو وات ساعت مقادیر زیادی انرژی خورشیدی نیاز داریم.

هر متر مربعی که در مقابل انرژی خورشیدی قرار گیرد در یک سال می تواند یک متر مکعب آب شیرین تولید کند. اگر این عدد را تقسیم بر 360 روز سال کنیم، می توانیم روزی معادل 3 تا 3.5 لیتر به ازای هر متر مربع تهیه کنیم بنابراین برای این که بتوانیم آب شیرین بیشتری مثلا برای مصارف کشاورزی در مزارع به دست آوریم باید سطح این آب شیرین کن را زیاد کنیم. در ضمن برای تهیه آب شیرین از آب دریاها مراعات نکات اقتصادی هم از اهمیت زیادی برخوردار است مخصوصا در مورد کشاورزی باید دقت کنیم که قیمت تهیه آب شیرین از قیمت محصولات به دست آمده کشاورزی بیشتر نباشد یا محصولات کشاورزی بیش از اندازه گران تمام نشوند.

همچنین در طراحی تاسیسات و دستگاه های تهیه آب شیرین در نظر گرفتن موقعیت های محلی از نظر زمان و مکان و مصرف هم از اهمیت فراوانی برخوردار است مثلا در نقاط گرم سیر برای برداشت یک تن یونجه حدود 760 متر مکعب و برای یک تن گندم حدود 8000 مکعب آب لازم است. مقدار آب لازم برای هر نفر در نقاط مختلف دنیا و در کشورها متفاوت است مثلا در کشورهایی که کشاورزی در سطح گسترده دارند مانند ایران حدود 900 متر مکعب در سال و در کشورهای صنعتی این رقم به حدود 2700 متر مکعب در سال برای هر فرد می رسد.

مهارت های کسب شده

1. روش ایده یابی (بارش مغزی)

2. مهارت کار در آزمایشگاه (رعایت نکات ایمنی)

3.  آشنایی با مهارت کاربرد ابزار و وسایل مورد نیاز

4.  آشنایی با پروپوزال نویسی

5. آَشنایی با مقاله نویسی

6. آشنایی با تهیه پاورپوینت

7. آشنایی با نحوه جستجوی اطلاعات

8. آشنایی نحوه فیش برداری

9. مهارت ساخت پوستر علمی

10. مهارت انجام کارگروهی

تنظیم کننده: محبوبه همت