Experimental Evaluation and Data-Driven Modelling of Solar Still Performance under Coastal Climatic Conditions

في أجزاء كثيرة من العالم، يوفر المحيط إمداداً لا ينتهي من المياه التي هي ببساطة مالحة جداً لدرجة تمنع شربها. وبالنسبة للمجتميات التي تعيش على طول هذه السواحل، فإن تحويل تلك المياه المالحة إلى مياه عذبة هو مسألة بقاء. وتعد "المقطرة الشمسية" واحدة من أقدم وأبسط الطرق للقيام بذلك، وهي جهاز يستخدم حرارة الشمس لغلي الماء، واحتجاز البخار، ثم تركه ليبرد ويعود إلى شكل سائل، تاركاً الملح خلفه. وبينما تبدو الفكرة الأساسية مباشرة، فإن كمية المياه المنتجة تعتمد بشكل كبير على الطقس. ففي الصحاري الجافة والحارة، تعمل هذه الأجهزة بشكل جيد، ولكن في المناطق الساحلية الرطبة، يكون الهواء مشبعاً بالفعل بالرطوبة، مما قد يبطئ عملية تحول البخار مرة أخرى إلى ماء. إن فهم كيفية تأثير ظروف الطقس المتغيرة هذه بدقة على الآلة أمر بالغ الأهمية لتصميم أنظمة يمكنها توفير مياه الشرب بموثوقية حيث تشتد الحاجة إليها.

لقد شرع باحث في حل هذا اللغز من خلال اختبار مقطرة شمسية أحادية الميل في مدينة توتيكورين، وهي مدينة ساحلية في جنوب الهند تشتهر بصيفها الحار والرطب. فقد بنى صندوقاً بسيطاً بحوض أسود لحمل الماء المالح وغطاءً زجاجياً مائلاً لالتقاط البخار. وعلى مدار ثلاثة أشهر خلال ذروة فصل الصيف، قام بتشغيل الجهاز في الهواء الطلق، تاركاً الطبيعة تأخذ مجراها. وكل خمس دقائق، كانت المستشعرات تسجل درجة حرارة الماء، والزجاج، والهواء، جنباً إلى جنب مع شدة ضوء الشمس، وسرعة الرياح، ومقدار الرطوبة في الهواء. وفي نهاية كل يوم، كان يزن المياه العذبة المجموعة لمعرفة كمية الإنتاج الدقيقة للنظام. لم يكن الهدف مجرد قياس المخرجات، بل فهم أي عوامل جوية محددة كانت تساعد أو تعيق العملية في هذه البيئة الرطبة الصعبة.

وجد الباحث أن كمية المياه العذبة المنتجة لم تكن محددة بعامل واحد، بل بمزيج معقد من الظروف. وكما هو متوقع، فإن زيادة ضوء الشمس تعني المزيد من الماء، لكن العلاقة لم تكن مستقيمة تماماً. ففي الأيام ذات كميات أشعة الشمس المتشابهة، يمكن أن تختلف حصيلة المياه بشكل كبير. وكان هذا التباين يعود إلى حد كبير إلى الرطوبة؛ فعندما يكون الهواء مثقلاً بالرطوبة، يواجه البخار داخل المقطرة صعوبة في التكثف مرة أخرى إلى ماء على الزجاج، مما يضع حداً لكمية المياه العذبة التي يمكن للنظام إنتاجها. وقد أكدت الدراسة أنه بينما تعمل درجات الحرارة المرتفعة وضوء الشمس القوي على دفع عملية التبخر، فإن الرطوبة العالية ونقطة الندى العالية —وهي درجة الحرارة التي تبدأ عندها الرطوبة في التكون— تعمل ككابح للنظام. حتى الرياح لعبت دوراً، وإن كان تأثيرها أقل دراماتيكية مما هو عليه في المناطق الجافة، حيث ساعد نسيم البحر في تبريد الزجاج بما يكفي للمساعدة في التكثف دون سلب الكثير من الحرارة.

ولفهم كل هذه المتغيرات المتفاعلة، لجأ الباحث إلى طريقة تسمى "تحليل المكونات الرئيسية". ولأن عوامل الطقس مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط الجوي غال่อย تتغير معاً، فقد يمكنها إرباك النماذج الحاسوبية التي تحاول التنبؤ بالنتائج. سمحت هذه التقنية الإحصائية للباحث بتجميع هذه القياسات المرتبطة في بضعة أنماط رئيسية، مما أدى فعلياً إلى تبسيط البيانات دون فقدان التفاصيل المهمة. بعد ذلك، استخدم هذه الأنماط المبسطة لتدريب عدة نماذج حاسوبية مختلفة، وتعليمها التنبؤ بكمية المياه التي ستنتجها المقطرة في أي يوم بناءً على توقعات الطقس. وقد اختبر مقاربات متنوعة، من التنبؤات الخطية البسيطة إلى نماذج القرار الأكثر تعقيداً التي تشبه الأشجار.

وأظهرت النتائج أن التنبؤات الأكثر موثوقية جاءت من النماذج الأبسط. وتحديداً، أثبت نموذج الانحدار الخطي القياسي والنسخة الأكثر تقدماً منه والمعروفة باسم "انحدار ريدج البايزي" (Bayesian Ridge Regression) أنهما الأكثر دقة. حيث استطاعت هذه النماذج التنبؤ بحصيلة المياه اليومية بدرجة عالية من اليقين، حيث استوعبت حوالي 89 في المائة من التباينات التي لوحظت في التجارب الواقعية. وكان الخطأ في تنبؤاتها صغيراً، بمتوسط قدره 136 ميليلتر في اليوم. ومن المثير للاهتمام أن النماذج الأكثر تعقيداً، والتي تُستخدم غالباً في المشكلات الصعبة، لم تكن بالمستوى المطلوب في هذه الحالة تحديداً. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة للمقطرات الشمسية في المناخات الساحلية، فإن العلاقة بين الطقس ومخرجات المياه قوية بما يكفي لجعل النهج الرياضي المباشر أفضل من النهج المعقد.

تخلص الدراسة إلى أنه بينما يمثل المناخ الساحلي الرطب تحدياً، فمن الممكن التنبؤ بدقة وتحسين أداء أنظمة تحلية المياه الشمسية باستخدام البيانات الواقعية وأدوات الحوسبة الحديثة. ومن خلال فهم أن الرطوبة هي العامل المحدد الرئيسي، يمكن للمهندسين تصميم أنظمة أفضل لهذه البيئات المحددة. وتثبت هذه الأبحاث أن الجمع بين التجارب الفيزيائية والنمذجة القائمة على البيانات يوفر وسيلة قوية لتحسين موثوقية إنتاج المياه العذبة في المناطق الأكثر احتياجاً إليها، مما يحول الطبيعة غير المتوقعة للطقس إلى متغير يمكن التحكم فيه من أجل التكنولوجيا المستقبلية.