Modular Multi-Stage Low-Pressure Solar Distillation System Integrated into Coastal Beaches for Decentralized Freshwater Generation / Sistema Modular de Destilación Solar Multietapa de Baja Presión Integrado en Playas Costeras para Generación Descentralizada de Agua Dulce

Modular Multi-Stage Low-Pressure Solar Distillation System Integrated into Coastal Beaches for Decentralized Freshwater GenerationAbstractA modular multi-stage low-pressure solar distillation system integrated into sandy coastal structures is proposed, aimed at decentralized freshwater generation for irrigating green belts and providing water support in areas vulnerable to droughts and wildfires.The system consists of three evaporation chambers assembled in a single structure, each with its own thermal bed of sand heated by solar radiation, operating at atmospheric pressure with controlled intermittent circulation of seawater. The vapor produced in the final stage is directed to a condensation system in a thermally cooler area (near the sea), allowing the collection of distilled water.The design prioritizes mechanical simplicity, operational safety, and modular scalability.IntroductionCoastal areas face:Increasing water scarcity.Higher frequency of wildfires.Urban heat stress.Salinization of aquifers.Conventional industrial desalination requires high energy consumption and large infrastructure. In contrast, passive solar distillation represents a low-tech alternative, though limited in production per unit area.This work proposes optimizing the thermal efficiency of passive solar systems through a multi-stage heat recovery scheme operating at low pressure with controlled intermittent flow.System Description1. General StructureThree sequentially assembled evaporation chambers.Each chamber contains an independent thermal bed of sand within a concrete structure.Depth optimized to maximize solar capture without deep thermal losses.Operation at atmospheric pressure (no industrial pressurized systems).2. Hydraulic FlowControlled input of thin seawater layers (1–3 cm).Intermittent circulation to prevent continuous cooling.Progressive concentration of brine through stages.Controlled return of brine to the sea.3. Multi-Stage Thermal RecoveryVapor generated in the first chamber contributes heat to the second.The second chamber feeds heat to the third.The final stage releases vapor toward the condensation system.This scheme is inspired by multi-effect distillation principles, adapted to passive solar conditions and low technological complexity.4. Condensation SystemPipes direct vapor to cooler zones.Condensation assisted by seawater or moist coastal soil.Collection by gravity into external tanks.Thermodynamic BasisWater production is limited by:Incident solar energy (~800–1000 W/m² under optimal conditions).Latent heat of vaporization (~2260 kJ/kg).The system does not aim to increase pressure but to:Improve heat utilization.Reduce thermal losses.Optimize temperature gradients.Maximize effective evaporation surface.Operating at atmospheric pressure reduces mechanical risks and simplifies maintenance.Estimated ProductionConventional passive solar systems produce 2–6 liters/m²/day.The multi-stage scheme could increase thermal efficiency by an estimated 20–40%, depending on:Insulation.Flow control.Temperature differential at condensation.Practical applications include:Irrigation of coastal green belts.Resilience systems against wildfires.Supplementary water supply for small communities.Humidification of protective strips to prevent fires.Potential Environmental ImpactDecentralized water generation without fossil fuels.Reduced pressure on aquifers.Support for coastal reforestation.Mitigation of urban heat islands in coastal zones.Passive infrastructure with low carbon footprint and low risk.DiscussionThe system does not intend to replace industrial desalination plants but to act as complementary distributed infrastructure.Main advantages:Safety (low pressure).Modularity.Progressive scalability.Low technological requirements.Adaptable to various sandy coasts. ConclusionThe modular multi-stage low-pressure solar distillation system represents a technically coherent and physically viable proposal for decentralized freshwater generation in coastal zones.Its implementation as a modular network can contribute to climate resilience strategies, wildfire prevention, and the creation of coastal green belts, using only solar energy and well-known thermodynamic principles.Sistema Modular de Destilación Solar Multietapa de Baja Presión Integrado en Playas Costeras para Generación Descentralizada de Agua DulceResumenSe propone un sistema modular de destilación solar multietapa de baja presión, integrado en estructuras costeras arenosas, orientado a la generación descentralizada de agua dulce para riego de cinturones verdes y apoyo hídrico en zonas vulnerables a sequías e incendios.El sistema consiste en tres cámaras de evaporación ensambladas en una misma estructura, cada una con su propia cuna térmica de arena calentada por radiación solar, operando a presión atmosférica y con circulación intermitente controlada de agua de mar. El vapor producido en la etapa final es conducido hacia un sistema de condensación en zona térmicamente más fría (proximidad marina), permitiendo la recolección de agua destilada.El diseño prioriza simplicidad mecánica, seguridad operacional y escalabilidad modular.IntroducciónLas zonas costeras enfrentan:Escasez hídrica creciente.Incremento de incendios forestales.Estrés térmico urbano.Salinización de acuíferos.La desalinización industrial convencional requiere alto consumo energético y grandes infraestructuras. En contraste, la destilación solar pasiva representa una alternativa de baja tecnología, aunque limitada en producción por unidad de superficie.El presente trabajo propone optimizar la eficiencia térmica de sistemas solares pasivos mediante un esquema multietapa de recuperación térmica operando a baja presión y con control de flujo intermitente.Descripción del Sistema1. Estructura GeneralTres cámaras de evaporación ensambladas en secuencia.Cada cámara posee una cuna térmica independiente de arena contenida en estructura de hormigón.Profundidad optimizada para maximizar captación solar superficial sin pérdida térmica profunda.Operación a presión atmosférica (sin sistemas presurizados industriales).2. Flujo HidráulicoEntrada controlada de agua de mar en lámina delgada (1–3 cm).Circulación intermitente para evitar enfriamiento continuo.Concentración progresiva de salmuera por etapas.Retorno controlado de salmuera al mar.3. Recuperación Térmica MultietapaEl vapor generado en la primera cámara contribuye térmicamente a la segunda.La segunda alimenta térmicamente la tercera.La etapa final libera vapor hacia sistema de condensación.Este esquema se inspira en principios de destilación multiefecto, adaptado a condiciones solares pasivas y baja complejidad tecnológica.4. Sistema de CondensaciónTuberías conducen vapor hacia zona de menor temperatura.Condensación asistida por agua marina o suelo húmedo costero.Recolección gravitacional en depósitos externos a la playa.Fundamento TermodinámicoLa producción de agua está limitada por:Energía solar incidente (≈800–1000 W/m² en condiciones óptimas).Calor latente de vaporización del agua (~2260 kJ/kg).El sistema no busca aumentar presión, sino:Mejorar eficiencia del calor disponible.Reducir pérdidas térmicas.Optimizar gradientes de temperatura.Maximizar superficie efectiva de evaporación.La operación a presión atmosférica reduce riesgos mecánicos y simplifica mantenimiento.Producción EstimadaLos sistemas solares pasivos convencionales producen entre 2 y 6 litros/m²/día.El esquema multietapa podría incrementar eficiencia térmica en un rango estimado de 20–40%, dependiendo de:Aislamiento.Control de flujo.Diferencial térmico en condensación.Aplicaciones prácticas incluyen:Riego de cinturones verdes costeros.Sistemas de resiliencia contra incendios.Abastecimiento complementario en comunidades pequeñas.Humidificación de franjas protectoras antiincendios.Impacto Ambiental PotencialGeneración descentralizada de agua sin combustibles fósiles.Reducción de presión sobre acuíferos.Apoyo a reforestación costera.Mitigación de isla de calor en entornos urbanos costeros.Infraestructura pasiva de bajo riesgo y baja huella de carbono.DiscusiónEl sistema no pretende reemplazar plantas desalinizadoras industriales, sino actuar como infraestructura complementaria distribuida.Sus ventajas principales son:Seguridad (baja presión).Modularidad.Escalabilidad progresiva.Bajo requerimiento tecnológico.Adaptabilidad a diferentes costas arenosas. ConclusiónEl sistema modular de destilación solar multietapa de baja presión representa una propuesta técnicamente coherente y físicamente viable para generación descentralizada de agua dulce en zonas costeras.Su implementación en forma de red modular puede contribuir a estrategias de resiliencia climática, prevención de incendios y creación de cinturones verdes costeros, utilizando exclusivamente energía solar y principios termodinámicos conocidos.