הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

יוני 2002

מתקן התפלה סולרית

Solar Distillation Device

תקציר לספר הפרוייקטים

פרוייקט גמר

הכין: הראל צייחנר

מנחה: יהודה שוורץ

מקום הביצוע: אונ' תל-אביב

מטרה: מכשור מתקן התפלה קיים וביצוע מדידות חורף ואביב, תכנון ויישום אמצעי הגברת קצב ההתפלה.

תיאור:

מתקן התפלה סולרית כמו זה שמוצג בפרויקט מיועד בראש ובראשונה לצרכים ביתיים אינדיווידואליים או לקבוצת בית-אב בייחוד בארצות העולם השלישי. אע"פ שקימות חברות שמשווקות מתקנים דומים בעולם, כמות ההתפלה, החומרים ומחיר המתקנים שונים בתכלית בין מוצר מסחרי אחד לשני.

הפרויקט הוא המשך משנה קודמת של תיכון ובניית מתקן התפלה סולרית. הפרויקט מיועד להשיג מידע אמפירי על תפוקת מתקן ההתפלה בעונת החורף, וכן לבחון אמפירית חלופות לשיפור קצב ההתפלה על ידי תיכון, בנייה וניסוי של אמצעים שונים.

מהלך הפרויקט ותוצאות:

בעונת החורף בוצעו מדידות של טמפרטורות המתקן ותפוקת המים היומית הממוצעת של מתקן ההתפלה ונמצא ערך של כ-2 ליטר ליממה, לעומת ערך של 4.5 ליטר ליממה שנמדד בתקופת הקיץ אשתקד, כלומר תפוקת האביב גדולה פי 2.2 מתפוקת החורף.

לשיפור קצב ההתפלה נבחרו שתי חלופות:

1. רפלקטור מישורי:

פתרון זול מאוד, בעל פוטנציאל להגדלת שטף הקרינה הנכנס למתקן ההתפלה, בעיקר בעונת החורף. הרפלקטור תוכנן, נבנה ונוסה במהלך חודשי האביב (מאי-יוני).

פילוג טמפרטורות מתקן ההתפלה עם רפלקטור מישורי

בוצעו מדידות טמפרטורות המתקן ותפוקת המים היומית הממוצעת. לא נראה שיש שיפור משמעותי בתפוקת המים בעונה זו, בעיקר עקב הצללה של הרפלקטור על המתקן בשעות הבוקר.

2. רפלקטור מרכז עוקב שמש אוטומטי:

פתרון שנמצא כבעל פוטנציאל גבוה לחימום נוסף של מי מתקן ההתפלה, על ידי הזרמת המים במחזור סגור דרך רפלקטור פרבולי המרכז את קרינת השמש על צינור ספיגת חום. הרפלקטור תוכנן תוך מתן חשיבות לשימוש בחומרים זולים וחלקים זמינים ולאוטומטיזציה של העקיבה אחרי השמש. הרפלקטור נבנה ונוסה במהלך חודשי האביב (מאי-יוני). לצורך עקיבת שמש נבנתה מערכת בקרה אלקטרונית המבקרת מנוע המחובר לרפלקטור ושומרת על מאונכות מפתח הרפלקטור יחסית לשמש בכל שעות היום.

פילוג טמפרטורות מתקן ההתפלה עם רפלקטור מרכז

בוצעו מדידות טמפרטורות המתקן ותפוקת המים היומית הממוצעת. נמדדה טמפרטורת מים גבוהה ב-7ºC מהטמפרטורה ללא האמצעי בשעות השיא של פעולת המתקן. כמו כן נמדדה הגדלה של 50% בתפוקת המים של המתקן.

מערכת עקיבת שמש

רפלקטור מרכז שמש, אונ' ת"א, מאי 2002

השוואה בין התפוקות השונות:

• ניתן לראות שהצבת הרפלקטור המישורי על המתקן בעונת האביב (מאי-יוני) לא תרמה משמעותית להעלאת התפוקה. תוצאה זו התקבלה כנראה עקב העובדה שעד השעה 10:30 בכל יום הרפלקטור המישורי מטיל צל על מי האמבט ומונע את חימום המים משעה מוקדמת. יש לזכור שזוית מהלך השמש בעונה זו גבוהה יחסית וריבוע האור המתקבל בתוך המתקן קטן יחסית ואינו תורם משמעותית להעלאת שטף הקרינה. כמו כן, בעונת החורף קיימת הצללה של מי האמבט על ידי הדופן הדרומית, והוספת הרפלקטור המישורי משמעותית יותר בעונה זו ותורמת להשלמת השטף שנחסם עקב ההצללה.
• הוספת הרפלקטור הפרבולי המרכז מעלה את התפוקה באותה עונה של השנה (מאי-יוני) מ-4.2 liter/day לכ-6.3 liter/day , תוספת של כ-50% לתפוקה.

בדיקת כדאיות כלכלית:

בוצעו חישובים כלכליים של עלות המים המותפלים בכל אחת מהחלופות ונמצא שעלות המים המותפלים במתקן התפלה עם רפלקטור מישורי גבוהה יותר מעלות המים במתקן ללא אמצעי הגברה. זאת עקב העובדה שלא היה שיפור בתפוקה. ניתן להגביר את התפוקה באמצעים המפורטים בפרק המסקנות.

עלות המים במתקן עם רפלקטור מרכז עוקב שמש (29 ₪ למ"ק) קרובה מאוד לעלות המים המותפלים המתקן התפלה ללא רפלקטור מרכז (28 ₪ למ"ק). ניתן להסיק שעל ידי הגברה נוספת של כושר ההתפלה באמצעים המפורטים בפרק המסקנות ניתן להוריד את עלות המים המותפלים אל מתחת ל-28 ₪/מ"ק, ולהשיג יתרון על פני מתקן התפלה רגיל. לדוגמא:

במידה ותוגדל התפוקה ל-7 liter/day, תפחת עלות המים המותפלים ל- 26 ₪ לקוב.

מסקנות:

בפרויקט הנוכחי נאסף מידע אמפירי על תפוקת מתקן התפלה סולרית בעונת החורף במהלך החודשים פברואר-אפריל 2002 ונמצא ערך ממוצע של 2 liter/day בעונה זו, לעומת 4.5 liter/day שנמדדו אשתקד בעונת הקיץ.

בשלב שני נבחנו מספר חלופות לשיפור קצב ההתפלה של המתקן. נבחרו, תוכננו ונבנו 2 חלופות לשיפור.

בתכנון החלופות הושם דגש על חומרים זולים וזמינים ועל פשטות הפעלה ואחזקה מינימלית תוך יישום אוטומציה במידה ונדרשה. החלופות נוסו מעשית במהלך עונת האביב בחודשים מאי-יוני 2002, תוך מדידת טמפרטורות המתקן ותפוקת המים. המסקנה מהמדידות שהתבצעו היא שרפלקטור מישורי המותקן על מתקן ההתפלה בעונת האביב-קיץ אינו תורם משמעותית לשיפור קצב ההתפלה.
חיבור רפלקטור מרכז עוקב שמש אוטומטי למתקן ההתפלה תורם תרומה משמעותית לשיפור התפוקה, אך יש מקום לשיפור נוסף בעזרת בניה מדויקת יותר ושימוש בחומרים זולים יותר.

נבחנו הבטים כלכליים של החלופות השונות והופקו שרטוטים מתאימים.

נראה שקיים פוטנציאל אמיתי לשיפור קצב ההתפלה של מתקן קיים באמצעים חיצוניים. יש לשאוף עם זאת לשימוש בחומרים זולים וזמינים ולמזער עד כמה שניתן את הצורך באחזקה שוטפת ו/או תיקונים.

תחזוקתיות: יש צורך בניקוי ודילול האמבט פעם בחודש. כמו כן יש צורך במילוי יומי של מים מליחים לשמירה על מפלס מים קבוע פחות או יותר.

להלן מספר אפשרויות למחקר נוסף העשוי ליעל יותר את פעולת המתקן ולהגביר את קצב ההתפלה:

1. הקטנת איבודי החום מהרפלקטור מרכז השמש:

ניתן להקטין את איבודי החום מהרפלקטור ולהגדיל משמעותית את התפוקה שלו באמצעים הבאים:

א. בתור צינור ספיגת הקרינה נמצא כיום בשימוש צינור נחושת צבוע בצבע שחור רגיל. רצוי להקטין את איבוד החום בקרינה על ידי שימוש בציפוי סלקטיבי.

ב. על מנת להקטין את איבוד החום ממשטח הרפלקטור ניתן לבודדו בעזרת פוליאריטן מוקצף.

2. חיבור הרפלקטור המישורי למערכת הנעה ובקרה והתקנת רפלקטורים נוספים:
באמצעות מערכת בקרה ניתן להטות את הרפלקטור המישורי הצפוני כך שלא יצל על מתקן ההתפלה בשעות הבוקר. כמו כן ניתן לחבר רפלקטורים נוספים בצידי המתקן: רפלקטור מערבי שיוצב בזוית חדה בשעות הבוקר ויונמך בשעות אחה"צ, ורפלקטור מזרחי שיונמך בשעות הבוקר ויוצב בזוית חדה בשעות אחה"צ.

3. חיבור הרפלקטור מרכז השמש למיכל מים לשימוש בהתפלה לילית:

בעזרת חיבור הרפלקטור המרכז למיכל מבודד ניתן לאגור מים חמים במהלך שעות השמש. המים החמים משוחררים במהלך הלילה לתוך מתקן ההתפלה על מנת לקבל התפלה מוגברת בשעות החשיכה.

4. שמירה על מפלס מים קבוע בטכניקה הבאה:

חיבור מיכל אטום כשפתחו פונה כלפי מטה לצינור המגיע לתוך מתקן ההתפלה. קצה הצינור בתוך מתקן ההתפלה נמצא בגובה 10 ס"מ מעל רצפת המתקן.

כאשר הופכים מיכל מלא מים מליחים ומחברים אותו לצינור, המים זורמים לתוך מתקן ההתפלה עד שמפלס המים מגיע לקצה התחתון של הצינור וחוסם אותו. במצב זה נפסקת הזרימה לתוך המתקן. כאשר מתאדים מים ופני המים יורדים, נחשף פתח צינור ההזנה והזרימה מתחדשת עד לעליית פני המים למפלס הקודם.

ליישום פתרון זה יש צורך במיכל אטום בנפח של 50-60 ליטר בעל פתח בחלקו התחתון (בדומה למיכל של מתקן מים מינרלים). לפתח המיכל יש לחבר צינור פלסטיק גמיש ולקבעו בתוך מתקן ההתפלה כשקצהו התחתון במצב מאונך לפני המים.

5. שיפור האוטומציה של מערכת הבקרה:

תחילת פעולת עקיבה אוטומטית בכל בוקר בעזרת חישה של זריחת השמש והוצאת הרפלקטור המרכז ממפסק הגבול המזרחי על מנת לאפשר תחילת עקיבה. כך אין צורך במפעיל המגיע בכל בוקר ומוציא את הרפלקטור כדי לאפשר עקיבה.