Design, prototyping and field testing of solar stills in remote areas in Afghanistan

摘要

The groundwater in the Faryab province in Afghanistan is the main source of drinkingwater for the local people and is of low quality. They are currently drinking water withhigh concentrations of salt and contamination, which can be a severe health risk [6]. Dueto fragmented strategies and policies in Afghanistan it is reason to believe that problemsrelated to drinking water access and quality will increase for the future generations.This study is based on the master thesis “Desalination of groundwater by solar stills -field trials in Afghanistan” conducted by Cecile Kolstad spring 2014 and a pre projectduring autumn 2014. Throughout the current study of low cost solar stills for householdsin the Faryab province, a design, prototype and testing is carried out in collaboration withNCA Afghanistan and Norplan.To develop knowledge and technology that is unfamiliar for the afghan people ischallenging related to technicalities such as material selection and manufacturingmethods. In addition, challenges regarding social acceptance, cultural differences andsafety issues make the technology implementation even more complex.A product development process to optimize a single basin solar still with respect todesign and cost has been performed. This included an extensive introduction to solarstill principles and thermodynamics, with a following product development processwhere important design parameters, local materials and manufacturing methods wereincluded and resulted in a preliminary design. Then, a prototype was manufactured andtested during a three week field trip to Kabul, Afghanistan.The prototype structure is made of galvanized iron sheets, insulated with expandedpolystyrene and a basin material of 1 [m2] glass. The prototype cost is 158 [USD] and anestimated series production cost for 50 units brings the cost down to 90 [USD], which isbelow the product cost requirement set by NCA and Norplan.Testing has been performed in good conditions at the NCA office in Kabul for three daysand preliminary results shows a yield of approximately 1.9 [L/m2/day] which is nearly 2[L] lower than expected. More tests must be performed to be able to conclude andobtain statistical safety in the test results. The low production rate may be aconsequence of air leakages or the low solar absorptivity of the glass basin. On theother hand, a yield of 1.9 [L/m2/day] would provide one person with approximately 400[L] of safe drinking water throughout the spring, summer and autumn.There is concern regarding the choice of basin material and the low correlation betweenmanufactured design and provided drawings, which may have resulted in a reduced stillefficiency. In addition, no water quality analyses have been performed to verify thequality of the distillated water, which must be done when there is certainty in theproduction rates.I Faryab-provinsen i Afghanistan er grunnvannet hovedkilde til drikkevann for lokalbefolkningen.Dette er av dårlig kvalitet, og inneholder høye konsentrasjoner av salt ogforurensninger, noe som kan være svært helseskadelig [6]. På grunn av uforutsigbarereguleringer og en urolig politisk situasjon er det grunnlag for å tro at problemer tilknyttetkvalitet og tilgang på drikkevann vil øke for kommende generasjoner i Afghanistan.Dette prosjektet er basert på masteroppgaven “Desalination of groundwater by solarstills - field trials in Afghanistan” av Cecile Kolstad våren 2014, og et forprosjekt høsten2014. Denne oppgaven omhandler utviklingen av rimelige solar stills for avsalting avdrikkevann til privathusholdninger i Faryab-provinsen, og design, prototype og tester erutført i samarbeid med Kirkens Nødhjelp og Norplan.Å drive teknologisk utvikling og kunnskapsformidling i Afghanistan er utfordrendeteknisk, i forhold til for eksempel materialvalg og fabrikasjon. I tillegg gjør kulturforskjell,sosial aksept og sikkerhetssituasjonen teknologi-implementeringen enda mer komplisert.Det er utført en optimalisering av en solar still med ett basseng, med hensyn til designog kostnadsreduksjon. Prosessen startet med studier av varmeoverføring innad og utadi enheten. En påfølgende produktutviklingsprosess, hvor viktige design-parametere,lokale materialer og fabrikasjonsmetoder ble inkludert, resulterte i et design. Deretter bleen prototype fabrikkert under et tre uker langt feltarbeid i Kabul, Afghanistan.Rammen i prototypen er laget i galvaniserte stålplater og er isolert med isopor.Bassenget er på 1 [m2] og av 6 [mm] glass. Prototypen kostet 158 [USD] og estimertkostnad ved serieproduksjon av 50 enheter senker prisen til 90 [USD], noe som erlavere enn kostnadskravet til produktet satt av Kirkens Nødhjelp og Norplan.Testing er utført i tre dager ved kontoret til Kirkens Nødhjelp i Kabul, og de foreløpigeresultatene viser en produksjon på 1.9 [L/m2/dag], noe som er ca. 2 [L] lavere ennforventet. Det må foretas flere tester før en kan konkludere og ha statistisk sikkerhet iresultatene. Den lave produksjonen kan være en konsekvens av lekkasjer eller at glassbassengethar lav evne til å absorbere solenergi. Likevel kan en produksjonskapasitetpå 1.9 [L/m2/dag] livnære en person med trygt drikkevann, omtrent 400 [L], gjennomvåren, sommeren og høsten.Den lave virkningsgraden kan skyldes valg av bassengmateriale og de store avvikenemellom tekniske tegninger og fabrikkert design. Det er ikke utført vannprøver for åverifisere kvaliteten av det destillerte vannet. Dette må gjøres etter at flere tester avproduksjonskapasitet er utført og det er oppnådd pålitelige resultater.