Improving Basin Solar Stills/fr
Il s'agit d'une revue des alambics solaires de bassin, ils ont été déployés par plusieurs groupes et étudiés, voir Alambics solaires pour plus d'informations.
Introduction
L'eau potable est un besoin humain fondamental. De nombreuses personnes, notamment dans les pays en développement, n'y ont pas accès. Une eau sale ou salée est impropre à la consommation, et une eau non traitée, apparemment propre, est susceptible de contenir des bactéries et des organismes responsables de maladies. Un distillateur solaire est un appareil qui produit de l'eau propre et potable à partir d'eau sale grâce à l'énergie solaire. Cet appareil peu coûteux peut être facilement fabriqué avec des matériaux locaux.
Cet article se concentre sur les alambics solaires à bassin simple pente. De nombreuses recherches ont été menées sur ce type d'alambic solaire. L'objectif de cet article est donc de fournir une revue de la littérature accessible et open source, accompagnée d'un résumé des recherches, sans recouper l'article informatif d'Appropedia « Comprendre les alambics solaires » . De plus, cet article examine l'utilisation de l'eau d'alimentation pour refroidir le couvercle en verre afin d'augmenter la productivité de l'alambic.
Principe de fonctionnement
L'eau salée ou sale contenue dans un récipient hermétique est chauffée par le soleil, ce qui provoque son évaporation. L'eau se condense ensuite sur le couvercle transparent du récipient, incliné pour permettre à l'eau douce de s'écouler vers un collecteur. L'eau pure s'évapore, évitant ainsi les impuretés, ce qui la distille et la rend potable.
Pour plus d'informations, rendez-vous sur :
Comprendre les distillateurs solaires - Section « Principes de fonctionnement »
Types d'alambics solaires
Il existe plusieurs types d'alambics solaires. Le plus basique est le type « à fosse », particulièrement adapté aux situations d'urgence en raison de sa très faible productivité. Voir la figure 1 pour un schéma de l'alambic à fosse.
L'alambic de type « cône » ressemble à un alambic à fosse inversée. Le Watercone est un produit disponible sur le marché.
L'alambic à bassin, ou alambic à caisson, est le type le plus complexe. Il en existe de nombreuses variantes, mais les deux principales catégories d'alambics à bassin sont les alambics à simple et double pente. La figure 2 illustre un alambic à bassin à simple pente et la figure 3 un alambic à double pente.
Le bassin à double pente est toujours similaire mais comporte deux pièces de verre inclinées au lieu d'une.
L'avantage du distillateur solaire à bassin réside dans sa capacité à produire plusieurs litres d'eau par mètre carré et par jour. Avec un investissement initial dans des matériaux de qualité, cet alambic peut être construit de manière suffisamment robuste pour fonctionner correctement avec un rendement de 30 à 60 % pendant 20 ans. [ 1 ]
Principes de conception d'un distillateur solaire à bassin monopente
Exigences de conception :
- Distille l'eau pour qu'elle soit potable
- A un rendement maximal d'eau distillée
- Facile à construire et à réparer (minimise la quantité d'entretien nécessaire)
- Pas trop sensible aux détails mineurs
- Fiable
- Facile à nettoyer
- Utilise des matériaux de construction courants et naturels
- Les matériaux non naturels doivent être facilement transportés
- Peu coûteux
- Produit un minimum de déchets en fin de vie
- Peut résister aux conditions météorologiques difficiles et à la dégradation par la chaleur et les UV
- Facile à utiliser (pas besoin de démonter pour mettre l'eau sale et sortir l'eau fraîche)
Problèmes à surmonter :
- Poussière sur le couvercle transparent
- Algues et squames sur la surface noire
- Si vous le rincez quotidiennement, cela peut aider.
- Le dessèchement détruit l'alambic car le sel blanc sèche jusqu'à la surface noire, le verre chauffe et devient cassant, et la surface du verre change de sorte que le condensat se forme sous forme de gouttelettes au lieu d'un film, ce qui diminue les performances [ 2 ]
- Si l'alambic s'assèche, il faut ouvrir une trappe, mais les gens ne le font souvent pas.
Restrictions de conception :
- Le verre ne peut pas mesurer plus de 1 m de long, sinon il se brisera facilement [ 2 ]
- Le verre doit avoir une épaisseur d'au moins 4 mm [ 2 ]
- Une dalle de béton de plus de 5 m se fissurera [ 2 ]
- L'angle du verre à 15 degrés est optimal [ 2 ]
- L'angle doit essayer de correspondre à l'angle du soleil afin de maximiser l'exposition solaire du bassin, tout en permettant un ruissellement complet.
Principes d'ingénierie
Il est important pour les constructeurs et les exploitants d'alambics solaires de savoir comment fonctionne l'alambic afin de pouvoir appliquer ces connaissances à la résolution de problèmes et au dépannage.
Le facteur le plus important qui influence le niveau de production d'un distillateur solaire est la quantité de rayonnement solaire sur le verre, appelée irradiance. L'énergie solaire qui entre en contact avec le verre ne sert pas entièrement à l'évaporation de l'eau du bassin, car elle est réfléchie et absorbée par tout ce qu'elle traverse. La figure 4 est un diagramme de flux énergétique montrant qu'une partie de la lumière solaire est réfléchie et absorbée par le verre, l'eau et la surface du bassin. Si l'alambic n'est pas parfaitement étanche et isolé, des pertes de chaleur vers l'environnement se produiront.
Il existe certaines hypothèses courantes qui sont faites lors de la réalisation d'une analyse thermique théorique sur un distillateur solaire :
- La surface du couvercle en verre est la même que la surface du bassin [ 3 ]
- Il n'y a pas de gradient de température à travers la profondeur de l'eau ou du verre [ 4 ]
- Le changement de densité et de chaleur spécifique de l'eau avec le changement de température est négligeable [ 4 ]
- La capacité thermique du verre est négligeable [ 4 ]
- L'alambic est hermétique [ 4 ] L'énergie absorbée par l'eau contribue à l'élévation de température de l'eau, ce qui conduit à l'évaporation. L'évaporation est un processus qui se produit lorsque les molécules d'eau à la surface de l'eau obtiennent suffisamment d'énergie cinétique pour passer de l'état liquide à l'état de vapeur. Les molécules évaporées s'ajoutent à la vapeur d'eau entre le verre et l'eau. Comme le couvercle en verre a une capacité thermique inférieure à celle de l'eau et qu'il est exposé à l'air extérieur, il ne chauffera pas autant que l'eau. Cette différence de température affecte la température de l'air/vapeur d'eau qui se trouve à l'intérieur de l'alambic entre le verre et l'eau, ce qui crée une convection naturelle. Une différence de température plus élevée favorise une plus grande convection. [ 5 ] La vapeur d'eau chaude aura tendance à monter vers le couvercle en verre plus froid. Lorsque la vapeur d'eau entre en contact avec le verre, elle se condense car les molécules d'eau perdent l'énergie cinétique nécessaire pour être à l'état de vapeur. Comme le verre est incliné, la gravité fera couler l'eau condensée vers le bac de récupération.
Équations
L'équation générale décrivant le transfert de chaleur est le bilan énergétique, qui stipule que la somme de la chaleur entrante doit être égale à la somme de la chaleur sortante. Ceci est basé sur la loi de conservation de l'énergie, selon laquelle la chaleur ne peut être ni créée ni détruite. Ce bilan énergétique peut être écrit pour l'ensemble de l'alambic ou, à plus petite échelle, pour le transfert de chaleur du couvercle en verre ou de l'eau du bassin.
∑qjen=∑qoutoit
Les « q » peuvent représenter le transfert de chaleur par convection, conduction ou rayonnement. [ 6 ]
Convection
En général, le taux de transfert de chaleur par convection [ 7 ] est donné par :
qcounv=h(Ts−Tb)
Où
- q = transfert de chaleur dansWm2
- h = coefficient de transfert de chaleur dansWm2
- Ts= température de la surface en °C
- Tb= température du fluide à la température de masse (loin de la surface ou, en cas de condensation, à la température de saturation) en °C
Conduction
En général, le taux de transfert de chaleur par conduction [ 8 ] est donné par :
qcound=kΔTΔx
Où
- q = transfert de chaleur dansWm2La direction du transfert de chaleur va du chaud vers le froid.
- k = conductivité thermique dansWmK
- ΔT= différence de température de la surface en K
- Δx= épaisseur de la surface ou distance parcourue par q, en m
Rayonnement
En général, le taux de transfert de chaleur radiatif [ 9 ] (à partir d'un corps noir) est donné par :
qrund=σT4
Où
- q = transfert de chaleur dansWm2.
- σ= La constante de Stefan-Boltzmann =5.6703108Wm2K4
- T = température du corps en K
Optimisation
Augmenter la différence de température entre l'eau du bassin et le couvercle en verre est l'objectif principal pour améliorer le taux de condensation et, par conséquent, la productivité de l'alambic. Cela peut se faire en augmentant la température de l'eau ou en diminuant celle du verre. De nombreux chercheurs ont expérimenté différentes méthodes pour y parvenir.
Pour augmenter la température de l'eau :
- préchauffage de l'eau d'alimentation
- ajouter du colorant noir à l'eau pour la rendre plus absorbante [ 10 ]
- ajout d'une plaque perforée flottante au bassin [ 11 ]
- avoir une bonne isolation sous et autour de l'alambic
- diminuer la capacité thermique de l'eau
- en diminuant le niveau d'eau
- en utilisant une mèche ou des matériaux poreux [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
- en utilisant des réflecteurs à l'intérieur et à l'extérieur de l'alambic pour concentrer davantage d'énergie solaire
Pour diminuer la température du verre :
- faire couler de l'eau de refroidissement sur la surface extérieure du verre
D’autres paramètres qui ont été étudiés comprennent l’angle d’inclinaison et l’épaisseur du verre, l’orientation, la vitesse du vent, la température ambiante, la température initiale de la saumure, la profondeur de l’eau de saumure et les dimensions de l’alambic.
Amélioration de la productivité grâce à l'eau de refroidissement sur le couvercle en verre
Des recherches ont été menées sur l'amélioration de la productivité des alambics solaires grâce à l'eau de refroidissement placée sur le couvercle en verre. Cette idée est très simple, car elle consiste simplement à modifier le mode d'introduction de l'eau d'alimentation dans l'alambic. Il suffit pour cela de surélever le réservoir d'eau d'alimentation jusqu'au niveau de la partie la plus haute de l'alambic et de diriger le flux sur le couvercle en verre. Dutt et al. ont utilisé une vanne de régulation pour contrôler le débit via un tuyau perforé situé à l'extrémité la plus haute du couvercle en verre. [ 4 ] Les perforations du tuyau ont créé un film d'eau lisse et régulier. Lawrence et al. ont utilisé un dispositif similaire. [ 15 ]
Non seulement le film d'eau refroidit le verre, ce qui augmente le taux de condensation, mais il préchauffe également légèrement l'eau d'alimentation, nettoie en continu la surface du verre, isole l'alambic en réduisant les pertes par convection et par rayonnement du verre et, étonnamment, laisse entrer davantage de lumière. L'eau laisse pénétrer davantage de rayonnement solaire dans l'alambic grâce à son indice de réfraction plus faible, qui est de 1,33 pour l'eau et de 1,52 pour le verre. Cela réduit la proportion d'énergie absorbée par le verre. [ 3 ] Des hypothèses courantes sont formulées dans la littérature concernant l'analyse théorique d'un alambic solaire avec eau de refroidissement.
Hypothèses :
- Il n'y a pas de gradient de température sur la profondeur du film d'eau de refroidissement [ 4 ]
- L'absorptivité et la capacité thermique de l'eau de refroidissement sont négligeables [ 4 ]
- Débit uniforme [ 14 ]
- Écoulement laminaire [ 3 ]
Revue de la littérature
Dhiman et Tiwari ont réalisé une analyse de l'écoulement de l'eau sur le couvercle en verre d'un distillateur solaire et ont constaté que cette modification augmentait le rendement de 10 %. L'écoulement a réduit à la fois la température du verre et celle de la saumure, mais a néanmoins produit une différence de température plus importante, la température du verre ayant diminué beaucoup plus que celle de l'eau. [ 13 ] Lawrence et al. ont obtenu des résultats numériques et expérimentaux montrant une augmentation de 5 % du rendement avec l'écoulement de l'eau sur le verre. Une vitesse d'écoulement de 1,5 m/s a donné le rendement le plus élevé de l'alambic, mais l'effet de la vitesse d'écoulement sur le rendement n'est que de quelques pour cent. [ 15 ] Abu-Hijleh et al. ont démontré, numériquement, que l'eau de refroidissement peut augmenter le rendement de 20 % dans les bonnes conditions, mais peut le diminuer dans les mauvaises conditions. L'eau de refroidissement annule l'effet de la vitesse du vent et la quantité d'eau de refroidissement qui s'évapore dans l'atmosphère est négligeable. Ils ont également montré qu'un débit d'eau trop élevé évacue trop de chaleur, ce qui diminue considérablement la température de l'eau dans le bassin. [ 3 ]
Expérience
J’ai réalisé une expérience simple pour voir l’effet de l’eau qui coule sur la quantité de lumière solaire qui traverse le verre.
Construction
Matériaux
Les matériaux sont essentiels à la construction des alambics solaires : ils doivent résister aux intempéries, ne pas se dégrader au contact de l'eau et de la chaleur du soleil, et ne pas laisser de goût désagréable à l'eau distillée. Rares sont les matériaux qui conviennent aux différents composants de l'alambic, mais des essais et des erreurs ont permis de trouver des solutions efficaces.
Comprendre les alambics solaires : Matériaux propose un rapport complet sur les matériaux utilisés dans la construction des alambics solaires, y compris des informations basées sur l'expérience.
Outils
La plupart des outils nécessaires à la construction d'un alambic solaire sont courants. Ils dépendent des matériaux utilisés et de la complexité de l'alambic. Vous trouverez ci-dessous une liste d'outils utilisés pour un projet au Botswana. [ 2 ]
- scie à métaux
- mètre à ruban
- pistolets à silicone
- ciseau
- gants
- niveau
- ligne de pêche (ligne de construction)
- brouette
- pelles
- truelles
- coupe-verres
- pinces
- pinceaux
- couteaux de coupe
- tournevis plats
- place du bâtiment
- 2 clés à molette
Compétences et connaissances
Comprendre les alambics solaires : Maintenance contient une description détaillée des exigences de maintenance et d'exploitation, ainsi que des compétences et des connaissances nécessaires pour construire et exploiter un alambic solaire.
Coûts estimés
Comprendre les distillateurs solaires : L'économie explique déjà bien les aspects économiques d'un distillateur solaire et compare cette technologie à d'autres. Certes, les distillateurs solaires sont plus coûteux que d'autres technologies de purification de l'eau, mais ils sont fiables, faciles à utiliser et robustes.
Études de cas
UTC Solar Distiller est une étude de cas sur la construction d'un alambic solaire au Mexique. Cette page comprend des instructions détaillées avec photos, ainsi que des informations sur les matériaux et les coûts.
Une citation d'une étude de cas du Botswana au format microfiche peut être trouvée dans les références. [ 2 ]
Références
- ↑ McCracken, H., et Gordes, J. (1985). Comprendre les distillateurs solaires. Article technique VITA, (37) (extrait de [1])
- ↑Aller jusqu'à :2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Yates, R., Woto, T. et Tlhage, JT (1990). Dessalement à l'énergie solaire : une étude de cas du Botswana. Ottawa : Centre de recherches pour le développement international.
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