Экспериментальное исследование солнечного опреснителя воды с вытеснительно-аккумулирующими элементами

На нашей планете несмотря на то, что 70 % поверхности Земли покрыто водой, пресная вода составляет 2,5 % от всего объема воды, а 97,5 % – это минерализованная морская вода. Непосредственное использование морской воды в качестве питьевой, а также для сельскохозяйственных и промышленных нужд невозможно, однако существует множество стран, полагающихся на морскую воду после процесса опреснения, как на источник питьевой воды. Среднесуточное производство питьевой воды в ходе традиционного процесса опреснения во всем мире составляет 23 · 10⁶ м³. Этот процесс требует большого количества ископаемого топлива. По оценкам, для производства 1 миллиона кубометров питьевой воды в сутки необходимо ежегодно сжигать около 10 миллионов тонн нефти, что приводит к дополнительной «карбонизации» атмосферы и способствуют развитию парникового эффекта и последующему изменению климата планеты.

Энергетические и опреснительные системы будущего должны быть экономичными, надежными и безопасными, обеспечивать максимальную непрерывность энергоснабжения потребителей во всех регионах, особенно в отдаленных и сельских районах. Это может быть достигнуто путем развития энергетических систем на основе возобновляемых, в первую очередь, солнечных источников энергии.

В настоящее время наиболее распространенным, массовым типом солнечных опреснительных установок в развивающихся странах остаются односкатные солнечные опреснители с прямым нагревом воды солнечным светом, имеющие наибольшую доступность вследствие минимальной стоимости конструкции.

Однако производительность пресной воды традиционных систем испарительного солнечного опреснения невелика и не превышает даже в странах с высоким уровнем солнечной инсоляции 2-3 литров с одного квадратного метра в сутки, что во многом определяется высокой прозрачностью воды (низким коэффициентом черноты) для фотонов солнечного спектра.

В связи с желанием повысить эффективность систем солнечного опреснения в мире ведутся научные исследования и выполняются инженерные разработки новых принципов и конструкций солнечных опреснителей, основанных на использовании теплоносителей с добавками наночастиц, использовании систем обратного осмоса, систем ориентации на солнце, ротационных и пленочных методов интенсификации испарения, применением гибридных схем, в частности, с использованием тепла, вырабатываемого ядерными реакторами. Очевидно, что такие пути совершенствования и повышения производительности солнечных опреснителей приводят к значительному повышению их стоимости и снижают доступность к опресненной воде многих миллионов жителей стран Африки и Среднего Востока.

В данном исследовании предлагается метод повышения продуктивности солнечного дистиллятора для получения пресной воды путем преобразования оптического взаимодействия фотонов солнечного света с испаряемой водой увеличением ассимиляции энергии фотонов повышением «эффективной степени черноты» испарительного бассейна путем помещения в него уральских камней черного цвета (дунит) в качестве поглотителей и аккумуляторов энергии фотонов, что позволяет радикально повысить температуру и скорость испарения воды без значительного повышения стоимости установки.

В одинаковых климатических условиях исследованы три системы солнечного опреснения: традиционный односкатный солнечный дистиллятор (ТСД), дистиллятор с добавкой 10 кг камней (ТСДК-10) и дистиллятор с добавкой 20 кг камней (ТСДК-20). При постоянном уровне воды добавление камней уменьшило её массу в бассейне и повысило «эффективную степень черноты» испарительного бассейна, что значительно увеличило опреснительную производительность. Суммарный суточный объем опресненной воды составил для традиционного односкатного солнечного дистиллятора (ТСД) – 3 л/м², дистиллятора с добавкой 10 кг камней (ТСДК-10) – 6 л/м², и дистиллятора с добавкой 20 кг камней (ТСДК-20) – 12 л/м².

Уменьшение объема воды и увеличение «эффективной степени черноты» испарительного бассейна существенно повышает эффективность солнечного дистиллятора при минимальном изменении конструкции и повышении стоимости установки.

1. Naghavi Sanjani M. S., Silakhori M., Ang B. C., Metselaar H. S. C., Gazafroud S. M. M., Noorollahi Y. Experimental Investigation on Solar Water Heater Integrated with Thermal Battery Using Phase Change Material and Porous Media // Sustainability. – 2023. – Vol. 15, Iss. 8. – P. 6439.

2. Znaczko P., Chamier-Gliszczynski N., Kaminski K. Experimental Study of Solar Hot Water Heating System with Adaptive Control Strategy // Energies. – 2025. – Vol. 18, Iss. 15. – P. 3904.

3. L. García-Rodríguez. Seawater desalination driven by renewable energies: A review, Desalination. – Vol. 143, no. 2, pp. 103-113, 2002, doi: 10.1016/S0011-9164(02)00232-1.

4. F. Muhammad-Sukki et al. Solar photovoltaic in Malaysia: The way forward, Renew. Sustain. Energy Rev. – Vol. 16, no. 7, pp. 5232-5244, 2012, doi: 10.1016/j.rser.2012.05.002.

5. REN21, Renewables 2016 Global Status Report. 2016.

6. M. Tyagunov. Distributed energysystem’s is the future of the world’s power industry, in 2017 2nd International Conference on the Applications of Information Technology in Developing Renewable Energy Processes & Systems (IT-DREPS). – 2017, pp. 1-4.

7. Alwan N. T., Shcheklein S. E., Ali O. M. Case Studies in Thermal Engineering Experimental investigation of modified solar still integrated with solar collector, Case Stud. // Therm. Eng. 19 (2020) 100614.

8. Alwan N. T., Shcheklein S., Ali O. Investigation of the coefficient of heat transfer and daily cumulative production in a single-slope solar distiller at different water depths. Energy Sources, Part A Recover // Util. Environ. Eff. – 2020; 1-18.

9. Khawaji A. D., Kutubkhanah I. K., Wie J. M. Advances in seawater desalination technologies. Desalination 2008;221: 47-69. https://doi.org/10.1016/j.desal.2007.01.067

10. Awad O. I., Ali O. M., Zhou B. et al. Utilization of additive from waste products with gasoline fuel to operate spark ignition engine // Sci Rep. – 2022;12: 7714. https://doi.org/10.1038/ s41598-022-11599-6

11. Ольховский А. В., Юнин В. С., Кузьменков Д. М., Стручалин П. Г., Куценко К. В., Балакин Б. В. Применение нано- и микрочастиц для интенсификации опреснения воды с помощью солнечного излучения // Ядерная физика и инжиниринг. – 2021;12(4): 246-252.

12. Tiwari G. N., Singh H. N., Tripathi R. Present status of solar dis tillation // Solar Energy. – 2003;75: 367-73. https://doi.org/10. 1016/j.solener.2003.07.005

13. Садыкова С., Еркалина М., Жумагулов М., Картджанов Н. Солнечное опреснение воды. Bulletin of L. N. Gumilyov Eurasian National University Technical Science and Technology Series. – 2020;130(1).

14. Ayoub G. M., Malaeb L. Economic feasibility of a solar still de salination system with enhanced productivity // Desalination. 2014;335: 27-32. https://doi.org/10.1016/j.desal.2013.12. 010

15. Мола А. Х., Щеклеин С. Е. Экспериментальное исследование солнечного водонагревателя с греющим пародинамическим контуром // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2025. – № 9(438). – С. 29-42.

16. Салех М. М., Абдельразек А. А., Мохаммед А. Ф., Калютик А. А., Соколова Е. А. Исследование целесообразности сочетания солнечной электростанции с реактором малой мощности для опреснения морской воды // Глобальная ядерная безопасность. – 2024;14(2 (51)): 20-30.

17. Milia H. Majeed, Naseer T. Alwan, S. E. Shcheklein1, Baseem A. Aljashaami, Sabeeh Lafta Farhan, Salam J. Yaqoob Enhancing tilted solar still performance by improving evaporation with a cotton wick and condensation with thermoelectric cooling through experimental and economic analysis // Clean Energy. – 2026. – Volume 10. – Issue 2. – Pp. 32-45.

18. Рахматулин И. Р. Математическая модель солнечной опреснительной установки с устройством слежения за солнцем // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2014;14(1): 110-115.

19. Дмитриев А. С., Клименко А. В. Преобразование солнечного излучения в пар – новые возможности на основе наноматериалов (обзор) // Теплоэнергетика. – 2020;(2): 3-19.

20. Кузьменков Д. М., Ольховский А. В., Юнин В. С., Куценко, К. В. Применение наночастиц для производства пара под действием солнечного излучения // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. – 2022;(3): 13-23.

21. Рудобашта С. П., Сухер М. Опреснение морской воды энергосберегающим методом мембранной дистилляции // Промышленная теплотехника. – 2003;25(6): 75.

22. Al-Mezeini S. S., Siddiqui M. A., Shariq M. et al. Design and experi mental studies on a single slope solar still for water desalin ation // Water. – 2023;15: 704. https://doi.org/10.3390/w15040704

23. Aljubouri A. A. Design and manufacturing of single sloped so lar still: study the effect of inclination angle and water depth on still performance // J Al-Nahrain Univ-Sci. – 2017;20: 60-70. https://doi.org/10.22401/JUNS.20.2.08

24. Alwan N. T., Majeed M. H., Shcheklein S. E., Ali O. M., Praveen Kumar S. Experimental study of a tilt single slope solar still integrated with aluminum condensate plate // Inventions. 2021;6(4): 77.

25. Alwan N. T., Shcheklein S. E., Ali O. M. Experimental investigation of modified solar still integrated with solar collector //Case Studies in Thermal Engineering. – 2020. – V. 19. – P. 100614.

26. Alwan, N. T., Shcheklein, S. E., & Ali, O. M. Experimental analysis of thermal performance for flat plate solar water collector in the climate conditions of Yekaterinburg, Russia // Materials Today: Proceedings. 2021;42: 2076-2083

27. Alwan N. T., Shcheklein S. E., Ali O. M. A practical study of a rectangular basin solar distillation with single slope using paraffin wax (PCM) cells // Int. J. Energy Convers. 2019;7: 162-170.

28. Alwan N. T., Shcheklein S. E., Ali O. M. Productivity of enhanced solar still under various environmental conditions in Yekaterinburg city / Russia, in: IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. // Institute of Physics Publishing, 2020.

29. Alwan N. T., Shcheklein S. E. and Ali O. M. Evaluation of the productivity for new design single slope solar still at different saltwater depth // J. Phys. Conf. Ser. – 2020. – Vol. 1706, no. 1.

30. Alwan N. T., Shcheklein S. E. and Ali O. M. Experimental investigation of solar distillation system integrated with photoelectric diffusion-absorption refrigerator (DAR). – 2020. vol. 2290, p. 50023.

31. Naseer T. A., Shcheklein S. E. and Ali O. M. Effect of Hollow Drum Rotational Speed Variation on the Productivity of Modified Solar Still According to Yekaterinburg City, Russia // Appl. Sol. Energy (English Transl. Geliotekhnika). – 2020. – Vol. 56, no. 4, pp. 276-283.

32. Alwan N. T., Shcheklein S. E., Ali O. M. Experimental investigations of single-slope solar still integrated with a hollow rotating cylinder, in: IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. // Institute of Physics Publishing, 2020.

33. Alwan N. T., Shcheklein S. Е. and Ali O. M. Experimental Investigation of Modified Solar Still Productivity under Variable Climatic Conditions // Int. J. Des. Nat. Ecodynamics. – 2020. – Vol. 15, no. 1, pp. 57-64.

34. Bulba E. E. Kojefficient akkomodacii zhidkosti pri temperaturah nizhe temperatury kipenija [Coefficient of accommodation of liquid at temperatures below the boiling point] / E. E. Bulba // Teplofizicheskie osnovy jenergeticheskih tehnologij [Thermophysical foundations of energy technologies]: Collection of articles of the V All-Russian Scientific Conference with international participation. – Tomsk, 2014. – Рp. 64-68

35. Мола А. Х., Щеклеин С. Е., Дубинин А. М., Алван Н. Т. Экспериментальное исследование солнечного опреснителя воды с греющим пародинамическим контуром и встроенным конденсатором пара // Энергетические установки и технологии. – 2024. – Т. 10. – № 2. – С. 60-69.