يقدم هذا العمل تمهيدًا لموضوع AWVPs، ووصفًا لكيفية بناء جهاز جمع الندى. ولسوء الحظ، لا يتم تسجيل سقوط الندى حاليًا في معظم أرشيفات الأرصاد الجوية القياسية؛ لذا فإن الخطوة التالية لهذا المشروع هي تقديم وسيلة موثوقة للتقييم الإقليمي يمكن للشخص العادي الوصول إليها.
إن مشكلة الحصول على مياه الشرب النظيفة منتشرة على نطاق واسع بين الدول النامية. يحتوي الغلاف الجوي على كمية وفيرة من الماء على شكل بخار؛ ومع ذلك قد يكون الحصاد صعبًا ومكلفًا. تعد معالجة بخار الماء في الغلاف الجوي (AWVP) مجالًا جديدًا للبحث الذي يعمل على تطوير طرق للحصول على هذا البخار. تُعرف إحدى هذه الطرق بالتبريد الإشعاعي. يشع السطح الحرارة بعيدًا حتى ينخفض إلى ما دون نقطة الندى، مما يتسبب في تكثيف الرطوبة على السطح. هذه عملية تحدث بشكل طبيعي، وتنتج الندى. ويتمثل الاقتراح في حصاد الندى الذي يتشكل بشكل طبيعي على أسطح المنازل كمصدر لمياه الشرب. إن أسطح المنازل المصنوعة من الحديد المجلفن، أو البلاستيك، أو الزجاج، في المناطق التي تعاني من الظروف الجوية المناسبة، ستنتج بشكل طبيعي كمية كبيرة من الندى. وببساطة، من خلال جمع هذا الندى، يمكن للعائلة جمع ما يصل إلى 2 لتر من ماء الندى في كل ليلة ندى. يقدم هذا العمل تمهيدًا لموضوع AWVPs، ووصفًا لكيفية بناء جهاز جمع الندى. ولسوء الحظ، لا يتم تسجيل سقوط الندى حاليًا في معظم أرشيفات الأرصاد الجوية القياسية؛ لذا فإن الخطوة التالية لهذا المشروع هي تقديم وسيلة موثوقة للتقييم الإقليمي يمكن للشخص العادي الوصول إليها.
محتويات
مقدمة
مع تزايد عدد سكان العالم، يتم استغلال إمدادات المياه العذبة. لقد أصبحت تحلية المياه وسيلة ضرورية للحصول على المياه؛ لكن الأساليب الحالية عادة ما تكون مكلفة للغاية وتستخدم الوقود الأحفوري. وهذا أمر غير مناسب للعالم النامي، حيث هناك حاجة ماسة إلى زيادة توافر المياه العذبة. معالجة بخار الماء في الغلاف الجوي (AWVP) هي تقنية جديدة وناشئة يتم فيها تكثيف وتجميع بخار الماء في الغلاف الجوي. [1] [2] [3]
مبدأ التشغيل
يوجد ما يقرب من 4 جرام من بخار الماء لكل متر مكعب من الهواء في الغلاف الجوي للأرض. هذا المصدر لمياه الشرب متاح في جميع أنحاء العالم تقريبًا. تقوم AWVPs بجمع هذه المياه عن طريق تكثيفها من البخار إلى السائل. [4] [5]
مزايا
- وهو في مرحلة مبكرة من التطوير، ولكن لديه القدرة على توفير بدائل مقبولة بيئيا لإمدادات المياه القياسية. [4] [5]
- تفضل العديد من تصميمات AWVP اللامركزية في توزيع المياه وتجنب التكاليف الرأسمالية الضخمة للبنية التحتية. [5]
- يمكن جعل AWVP مناسبًا ومدارًا من قبل المجتمع ويحافظ عليه المجتمع في البلدان النامية. [5]
- تعتبر طرق AWVP قادرة على المنافسة مع محطات تحلية المياه وأبسط وأقل تكلفة في التشغيل والصيانة. [5]
- وتختلف كمية المياه المنتجة حسب حجم المنشأة، وتكون مناسبة لتوفير المياه الصالحة للشرب للأفراد أو حتى لآلاف الأشخاص. [5]
- يمكن أن يتم إنتاج AWVP في مجموعة واسعة من المواقع. وبالتالي، يمكن تقليل أو تجنب البنية التحتية الباهظة الثمن لتوزيع المياه. [5]
- كيميائيا، بخار الماء في الغلاف الجوي نظيف مثل الهواء المحيط به. الندى الذي يحدث بشكل طبيعي هو مصدر صالح للشرب للمياه الغازية، وهو منخفض بشكل عام في أي محتوى معدني. [6]
الخلفية - التبريد الإشعاعي
الشكل 2: الندى على الزهرةحاليًا، تتناول هذه المقالة فقط طرق AWVP التي تستخدم سطحًا مبردًا لتكثيف الماء. الطرق الشائعة الأخرى هي استخدام الحمل الحراري القسري المتحكم فيه لتركيز كمية البخار في الهواء، والمواد الكيميائية لتكثيفه. [5]
ومن المثير للاهتمام أن العديد من النباتات والحيوانات الصحراوية والساحلية تعتمد على هذا المصدر. [7] ومن الطبيعي أن ظاهرة تكون الندى تحدث بسبب التبريد الإشعاعي للسماء ليلاً. وفي ليلة صافية، تشع الطاقة الحرارية بعيدًا عن سطح الأرض إلى السماء. عندما تنخفض درجة حرارة السطح إلى ما دون نقطة الندى، سوف يتكثف بخار الماء على شكل قطرات. يتشكل الندى من بخار الماء الموجود في الغلاف الجوي على شكل ندى، وكذلك من الماء الموجود في التربة على شكل ندى. [8] [9]
يمكن تقريب كمية الندى من خلال تحليل معقد للسوائل المضطربة؛ ومع ذلك فمن الأسهل بكثير اعتبارها مشكلة في توازن الطاقة. [9] لاحظ أن عملية التكثيف تطلق طاقة.
ر+ز+ج+ẫF+م=س∂ت∂ر{\displaystyle R+G+C+\lambda F+M=Q{\frac {\partial T}{\partial t}}}
أين
- R = صافي تدفق الإشعاع الوارد (مصطلح سلبي)
- G = تدفق الحرارة الكلية من التربة إلى السطح
- C = تدفق الحرارة المعقولة من الهواء إلى السطح
- F = تدفق بخار الماء من الهواء إلى السطح
- = حرارة التبخر الكامنة
- Q = السعة الحرارية لطبقة العشب الهوائي لكل سم2
- T = متوسط درجة حرارة الطبقة
- M = الحرارة الصادرة عن التمثيل الغذائي النباتي لكل سم 2
علاوة على ذلك، يترتب على ذلك أن الحد الأقصى لمعدل التكثيف الممكن لتساقط الندى وارتفاع الندى أثناء الليل هو: [10] [11] [12] [8]
دF+دص=سس+γس∗ẫ{\displaystyle D_{f}+D_{r}={\frac {s}{s+\gamma }}{\frac {Q^{*}}{\lambda }}}
أين
- Df = معدل سقوط الندىكزم2س{\displaystyle {\frac {kg}{m^{2}s}}}
- Dr = معدل ارتفاع الندىكزم2س{\displaystyle {\frac {kg}{m^{2}s}}}
- s = منحنى التشبع المنحدرصأك{\displaystyle {\frac {Pa}{K}}}
- س * = صافي الإشعاعدبليوم2{\displaystyle {\frac {W}{m^{2}}}}
- γ = ثابت القياس النفسي66صأك{\displaystyle 66{\frac {Pa}{K}}}
- lect = الطاقة الكامنة للتبخيرجكز{\displaystyle {\frac {J}{kg}}}
أثبتت الدراسات أن النموذج أعلاه يمكنه التنبؤ بمعدلات الندى بدقة وموثوقية. [8] لذلك، من المفيد تحديد سقوط الندى الموسمي لمنطقة ما بسرعة بناءً على بيانات من أرشيفات الأرصاد الجوية.
الحد الأقصى لكمية الندى الممكنة في ليلة معينة محدودة بكمية التبريد الإشعاعي الممكنة، ويقدر بحوالي 1 ملم. [11] [13] في الواقع، عادة ما يكون هذا الرقم أقل بكثير، حيث يتراوح من 0.17 إلى 0.45 ملم في الليلة. [12]
وقد وجدت الأبحاث الحديثة المواد التي تنتج إنتاجية أعلى من الندى. المواد التي تظهر كمية كبيرة من التبريد الإشعاعي سوف تكثف المزيد من الندى، والمواد المحبة للماء ستجعل جمع الندى أسهل. على وجه التحديد، أدى البولي إيثيلين المضمن في الكريات المجهرية TiO2 وBaSO4 إلى زيادة بنسبة 20% في إنتاج الندى مقارنةً بالزجاج الزجاجي. [14]
زاوية السطح مهمة أيضًا. تم تحديد الزاوية المثلى من خلال النماذج العددية والاختبارات التجريبية لتكون بزاوية 30 درجة من الأفقي. سوف يشع السطح المسطح المزيد من الطاقة، ولكن السطح الأكثر انحدارًا يحسن خصائص جمع الندى. [14]
ولسوء الحظ، فقد لوحظ أن التركيزات البكتيرية في مياه الندى تتجاوز حدود منظمة الصحة العالمية في مناسبات مختلفة. لذلك، سيتطلب اعتبار المطهر صالحًا للشرب.
الاعتبارات الإقليمية
يمكن أن يكون جمع الندى مفيدًا في المناطق التي لا تكون فيها الوسائل التقليدية لجمع المياه قابلة للتطبيق، مثل المنطقة الجافة القاحلة. ومع ذلك، لا يتشكل الندى في كل مكان بالتساوي، وفي بعض المناطق لن يكون هناك أي تشكل للندى على الإطلاق. هناك حاجة إلى مزيد من العمل للمساعدة في تحديد طريقة موثوقة وبسيطة يمكن للشخص العادي تقييم هطول الندى الموسمي في منطقة معينة. [1] في الوقت الحالي، لا يتم تسجيل سقوط الندى من قبل خبراء الأرصاد الجوية، وبالتالي قد يكون من الصعب تقييم جدوى تركيبات الندى. بشكل عام، لكي يتشكل الندى في ليلة معينة، يجب توافر الشروط التالية: [1]
- سرعة الرياح منخفضة حوالي 2-6 م/ث.
- رطوبة نسبية لا تقل عن 30%، مع ارتفاع الرطوبة النسبية مما ينتج عنه كميات أكبر من الندى.
- يكون الليل صافيًا في الغالب، ليسمح للسطح أن يشع إلى سماء الليل.
تصميم
هناك ميزات تصميمية مثل عزل السقف حرارياً، أو البناء باستخدام مادة شديدة الإشعاع، من شأنها أن تزيد من إنتاجية الندى. ومع ذلك، فإن هذه الأشياء ستكون مكلفة للغاية بحيث لا تكون اقتصادية. وبدلاً من ذلك، ما يتم اعتباره هو التعديل التحديثي المناسب للسقف لتثبيت نظام جمع الندى. وينبغي أن تكون قادرة على توفير 2 لتر لكل ليلة ندى من سقف متوسط الحجم عائلي.
التصميم مشابه لنظام تجميع مياه الأمطار . تقوم المزاريب بتغذية المياه في الخراطيم التي تصل إلى برميل التجميع.
مواد
المواد المطلوبة لهذا المشروع بسيطة ويمكن الحصول عليها بسهولة. اختر البدائل بحرية، طالما أنها لا تشكل خطر تلويث المياه. فيما يلي قائمة مرقمة بالمواد المطلوبة مع البدائل ذات التعداد النقطي.
- مزراب السقف، بما في ذلك وسائل ربطه بالسقف
- ستعمل مزاريب جمع المطر المصنوعة من الفينيل القياسية ويجب أن تكون غير مكلفة ويمكن الحصول عليها بسهولة
- يجب أن تكون مادة الحضيض محبة للماء. شيء مثل الخشب سيكون ممتصًا للغاية
- يجب أن يكون الحضيض شبه دائري
- الخراطيم
- خرطوم الحديقة
- 1/4 بوصة من الأنابيب البلاستيكية
- خزان التجميع
- وعاء بلاستيكي آمن للطعام سعة 10 لتر
أدوات
لا توجد أدوات متخصصة مطلوبة لهذا المشروع. معظم الأدوات اللازمة لبناء الطاقة الشمسية لا تزال شائعة. تعتمد الأدوات على المواد المستخدمة ومستوى تعقيد نظام جمع المياه.
- منشارا
- شريط قياس
- مسدس السيليكون
- مستوى
- كماشة
- مفكات أو مطرقة (لتركيبات البراغي أو المسامير)
المهارات والمعرفة
للتثبيت، لا توجد مهارات أو معرفة خاصة مطلوبة. ومع ذلك، لا توجد حاليًا طريقة سهلة للشخص العادي لتحديد مدى فائدة تجميع الندى في منطقة معينة. لهذه المهمة، ستكون هناك حاجة إلى خلفية هندسية أو أرصاد جوية، مع معرفة بتكوين الندى.
التكاليف المقدرة
جميع الأسعار بالدولار الكندي، ويتم تحديد تكلفتها على أساس أسعار أمريكا الشمالية.
- تكلف المزاريب 50 دولارًا - 100 دولارًا مقابل 120 قدمًا من مصادر مثل هذه
- تبلغ تكلفة خرطوم الحديقة 15/50 دولارًا من هذا المصدر
- يجب أن يكون من السهل الحصول على الحاوية مجانًا
في المجمل، هذا المشروع غير مكلف للغاية. بالنسبة لمنزل عائلي بمساحة سطح 60 م 2 ، فإن التكلفة التقديرية ستكون حوالي 60 دولارًا.
الاتجاهات
- يجب أن تكون مادة التسقيف شيئًا لا يمتص أي ماء. المواد المثالية هي الحديد المجلفن المموج (GI) أو البلاستيك أو الزجاج. إذا لم يكن سقف منزلك يحتوي على إحدى هذه المواد، فلن يعمل.
- يعد انحدار السقف معيارًا مهمًا. 30 درجة من الأفقي هو الأمثل. [14] [15] يجب أن يكون للسقف درجة انحدار لا تقل عن 20 درجة .
- اتبع ممارسات تركيب الميزاب القياسية. تقليديroofing.com لديه اتجاهات جيدة. الزاوية القياسية لتركيب الميزاب لإزالة المطر ضحلة جدًا بالنسبة لهذا التطبيق. يجب تركيبها بدرجة انحدار لا تقل عن 2 بوصة للأسفل لكل 6 أقدام لضمان تدفق المياه وعدم ركودها.
- يجب أن يحتوي برميل التجميع على شاشة أو شبكة فوق المدخول لمنع دخول الحطام والحشرات.
بناء
تجمع الندى من على الأسطح في كرواتيا- تركيب مزاريب المطر على السطح بزاوية 15 درجة مائلة بعيداً عن الرياح السائدة.
- قمع نهاية منخفضة من الحضيض من خلال الخراطيم
- إرفاق الخراطيم بالحاوية
راجع أجهزة تجميع أمطار السقف لمزيد من التفاصيل.
دراسات الحالة
في, [1] قاموا بالتحقيق في مدى قدرة الأسطح الحالية في ضوء التعديل التحديثي الموصوف أعلاه على جمع مياه الندى. وكانت هذه أول دراسة من هذا النوع أجريت في الهند. كان الموقع كوثارا، الهند (23°14 شمالًا، 68°45 شرقًا، على ارتفاع 21 مترًا فوق سطح البحر)، وهو نموذجي للمناطق الريفية في شمال غرب الهند.
المصدر الأكثر شيوعًا للمياه خلال موسم الجفاف هو الآبار. ومع ذلك، يتم استغلال المياه الجوفية، وتنحسر، وتتلوث بالملح. الندى وفير خلال 8-9 أشهر من السنة. أما الأشهر الأخرى فهي أثناء الرياح الموسمية، حيث يمنع الغطاء السحابي تكوين الندى.
تستخدم العديد من المباني المحلية صفائح الحديد المجلفن المموج للأسقف. لذلك، قاموا باختبارهم على مثل هذا السقف بمساحة سطحية تبلغ 18 مترًا مربعًا . كان هناك 74 يومًا يتكون خلالها الندى، ويتم جمع إجمالي 113.5 لترًا من ماء الندى.
مراجع
- ↑انتقل إلى:1.0 1.1 1.2 1.3 شاران، ج.، 2006، "حصاد الندى: لتكملة مصادر مياه الشرب في الحزام الساحلي القاحل في كوتش،" Foundation Books, .
- ^ راجفانشي، أ.ك.، 1981، “مجموعة الندى واسعة النطاق كمصدر لإمدادات المياه العذبة،” تحلية المياه، 36(3) ص 299-306.
- ↑ حبيب الله، بكالوريوس، 2009، "الاستخدام المحتمل لملفات المبخر لاستخراج المياه في المناطق الحارة والرطبة"، تحلية المياه، 237(1-3) ص 330-345.
- ↑انتقل إلى:4.0 4.1 Wahlgren, R., 1993، "معالجة بخار الماء في الغلاف الجوي"، Waterlines، 12(2) الصفحات 20-22.
- ↑انتقل إلى:5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 Wahlgren, RV, 2001، "تصاميم معالج بخار الماء الجوي لإنتاج مياه الشرب: مراجعة"، أبحاث المياه، 35(1) الصفحات 1-22.
- ^ Beysens، D.، Muselli، M.، Mileta، M.، 2004، "هل مياه الندى صالحة للشرب؟ الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية للندى على ساحل المحيط الأطلسي (بوردو، فرنسا)، وساحل البحر الأبيض المتوسط (زادار، كرواتيا) والبحر الأبيض المتوسط Island (أجاكسيو، جزيرة كورسيكا، فرنسا)،" وقائع: المؤتمر الدولي الثالث حول الضباب وتجمع الضباب والندى، كيب تاون، جنوب أفريقيا، أكتوبر، مجهول الصفحات 11-15.
- ↑ أوي جي، 1979، "في صحاري هذه الأرض"، شركة هاركورت بريس جوفانوفيتش.
- ↑انتقل إلى:8.0 8.1 8.2 جاكوبس، إيه إف جي، فان بوكسيل، جيه إتش، ونيفين، جيه، 1996، "عمليات التبادل الليلي بالقرب من سطح التربة لمظلة الذرة"، الأرصاد الجوية الزراعية والغابات، 82(1-4) الصفحات 155-169 .
- ↑انتقل إلى:9.0 9.1 9.2 Monteith, JL, 2007، "Dew"، المجلة الفصلية للجمعية الملكية للأرصاد الجوية، 83(357) ص 322-341.
- ^ مونتيث، جيه إل، 1981، “التبخر ودرجة حرارة السطح”، المجلة الفصلية للجمعية الملكية للأرصاد الجوية، 107 صفحة. 1-27.
- ↑انتقل إلى:11.0 11.1 Jacobs, AFG, Heusinkveld, BG, and Berkowicz, SM, 2002، "نموذج بسيط لاحتمال سقوط الندى في منطقة قاحلة"، أبحاث الغلاف الجوي، 64(1-4) ص 285-295.
- ↑انتقل إلى:12.0 12.1 Garratt, JR, and Segal, M., 1988، "حول مساهمة رطوبة الغلاف الجوي في تكوين الندى"، علم الأرصاد الجوية للطبقة الحدودية، 45(3) ص 209-236.
- ↑ جاكوبس، AFG، فان بول، WAJ، وفان ديكين، أ.، 1990، "ملامح تشابه ندى الرطوبة داخل مظلة الذرة"، J.Appl.Meteorol، 29 صفحة. 1300-1306.
- ↑انتقل إلى:14.0 14.1 14.2 Beysens, D., Milimouk, I., نيكولاييف, V., 2003، "استخدام التبريد الإشعاعي لتكثيف بخار الغلاف الجوي: دراسة لتحسين إنتاجية المياه"، مجلة الهيدرولوجيا، 276(1-4) ص 1 -11.
- ↑ Sharan, G., Beysens, D., and Milimouk-Melnytchouk, I., 2007، "دراسة عن إنتاجية مياه الندى على الأسطح الحديدية المجلفنة في كوثارا (شمال غرب الهند)،" مجلة البيئات القاحلة، 69(2) ) ص 259-269.