Solar Pura: High-efficiency vertical solar still/es

Solar Pura es un proyecto de tecnología apropiada que tiene como objetivo proporcionar agua potable aprovechando la energía del sol.

Alrededor de 2 mil millones de personas carecen de acceso a agua potable en todo el mundo, y muchas de ellas viven en zonas áridas y remotas, ideales para la implementación de un destilador solar de pequeña escala, altamente eficiente y económico. El objetivo es que produzca entre 5 y 10 litros de agua dulce al día en un clima soleado, suficiente para las necesidades de una familia pequeña. El diseño se ha optimizado para ser ligero, económico, robusto y fácil de usar. Además, se ha construido y probado un prototipo funcional a escala.

Solar Pura forma parte de mi tesis de honor en la escuela de diseño del RMIT en Melbourne, Australia. Es la culminación de un año de investigación sobre la creación de tecnología que pueda empoderar a quienes viven en la pobreza y cómo, mediante diseños y soluciones de código abierto, podemos brindar a las personas los medios para ser autosuficientes y fortalecer la resiliencia de las comunidades necesitadas.

Destiladores solares de difusión de efecto múltiple vertical vs. destiladores solares de cuenca.

Puede aprender sobre la mecánica y la historia de los alambiques solares aquí: alambiques solares , aquí: mejora de los alambiques solares de cuenca y aquí : comprensión de los alambiques solares . Estas páginas contienen mucha información útil sobre el funcionamiento de los alambiques solares de cuenca de simple efecto. Este diseño debería ser la norma para la destilación solar de baja tecnología.

Tras numerosos experimentos e investigación, decidí que un alambique solar de efecto único no cumplía estos criterios y busqué diseños más experimentales y complejos. Así fue como descubrí el trabajo de RV Dunkle y su artículo de 1961 sobre alambiques solares de difusión de efecto múltiple. ^{[ 1 ]} Así como grupos de investigación contemporáneos como Hiroshi Tanaka et al. de Japón. ^{[ 2 ]} Además, investigadores de la Universidad Nacional de Taiwán también exploran este campo. ^{[ 3 ]}

El principio detrás del alambique solar de difusión de efecto múltiple vertical se describe mejor visualmente:

El principio de difusión multiefecto funciona apilando placas muy juntas para crear diferentes celdas o "efectos". Esto permite que el calor latente de vaporización se recicle varias veces antes de disiparse a la atmósfera. En el diagrama, el calor ingresa al dispositivo por la izquierda, mientras que el agua se alimenta desde arriba a mechas absorbentes. Las mechas están laminadas a un lado de la placa conductora, mientras que el otro lado actúa como condensador. Cuando el agua en la mecha se calienta por conducción a través de la placa, se vaporiza y luego busca la siguiente superficie más fría para condensarse (la siguiente placa), donde gotea hacia un canal de recolección que dirige el destilado a un recipiente de almacenamiento. Este proceso se repite para tantos efectos como contenga el dispositivo.

Los investigadores mencionados anteriormente han descubierto que un rendimiento óptimo es de aproximadamente 12 efectos antes de que disminuya la rentabilidad. Una separación de 5 mm entre las placas es la óptima para lograr este efecto. Esto ha llevado a que la productividad de estos dispositivos alcance entre 20 y 40 litros diarios por metro cuadrado. Esto representa un aumento de 4 a 8 veces en la productividad en comparación con un alambique de un solo efecto.

Objetivos del proyecto

Para mi proyecto desarrollé cinco objetivos de diseño clave en torno a los cuales centrar mi investigación:

• bajo costo
• alta eficiencia
• movilidad
• robustez
• usabilidad.

Seguí una metodología iterativa simple con 3 etapas clave

1. Investigación: lea investigaciones académicas sobre el tema e idee sobre sus hallazgos.
2. Experimentar: desarrollar prototipos experimentales para probar nuevos conceptos
3. Evaluar: aprender de los experimentos para la próxima iteración del desarrollo

Diseño

Se ha realizado muy poca investigación experimental sobre la construcción y optimización de estos dispositivos. La mayoría de los diseños de Tanaka nunca construyeron prototipos completamente funcionales; solo probaron un efecto y teorizaron el resto del trabajo. Si bien el equipo de la universidad de Taiwán sí construyó sus prototipos, todos estaban conectados a colectores de tubos de vacío que podían suministrar un flujo constante de calor de 100 grados al dispositivo. Esta conexión añade tanto costo y complejidad que, en mi opinión, lleva la tecnología más allá de las aplicaciones de tecnología apropiada.

La inspiración para mi diseño surgió del artículo de Tanaka de 2005 ^{[ 4 ]} , donde describe un difusor multiefecto acoplado a un colector de placa plana. Me atrajo mucho esta idea por la integración del colector solar y el condensador. A partir de ahí, utilicé herramientas CAD 3D para desarrollar los distintos sistemas y comencé a construir mi primer prototipo.

Sinteticé la literatura en un diseño que consta de 10 subsistemas clave:

• Control del flujo de agua de alimentación: almacenamiento de agua de alimentación y control de la velocidad a la que se alimenta a las mechas
• Marco/montaje: La forma en que se montan y alojan todos los componentes y el espacio entre las placas.
• Absorbedor - El absorbedor solar superficial selectivo que absorbe el sol
• Cubierta óptica - Montada delante del absorbedor que evita pérdidas por convección
• Reflector: Superficie espejada que refleja el sol sobre el absorbedor.
• Mecha de mecha: la forma en que se montan las mechas y se alimentan con agua.
• Paneles aislantes: paneles laterales y traseros que evitan la pérdida de calor.
• Mechas: El material para absorber el agua de alimentación a través del dispositivo.
• Placas condensadoras: Las placas que actúan como condensadores y conductores para crear la reacción de difusión de múltiples efectos.
• Recolección de destilado: La forma en que fluye y se recolecta el destilado.

Y luego desarrollé un prototipo a escala para probar las interacciones entre estos sistemas.

Prototipo n.° 1

Este fue un prototipo inicial para modelar físicamente las diferentes ideas que estaba probando. Para ahorrar costos, lo mantuve bastante pequeño, con un área de absorción aproximada de 300 x 200 mm y 6 efectos con espacios de 20 mm.

Control del caudal de agua de alimentación

Para este componente, fabriqué una caja con un volumen aproximado de 5 litros. Luego, perforé un agujero e inserté una válvula de riego de plástico. Esto no funcionó muy bien. El control no era lo suficientemente preciso para el bajo caudal que necesitaba.

Marco/montaje

Utilicé extrusión de aluminio Qubelock (marca australiana). Es un sistema sencillo que utiliza tubos cuadrados de aluminio unidos con conectores de plástico. Esto proporcionó espacio para apilar las placas, soporte para colocar el dispositivo y todos los puntos de montaje necesarios.

Absorbedor

Parte de mi investigación anterior se centró en el diseño de superficies solares selectivas, sencillas y rentables. Las superficies selectivas son materiales especiales que absorben el espectro de luz solar de forma muy eficiente y lo emiten a tasas muy bajas. Son muy importantes en la tecnología solar de alta eficiencia; sin embargo, muchos de estos productos son exclusivos o muy caros. Por ello, revisé la investigación académica y descubrí que recubrir una pieza de aluminio con una resina impregnada con carbón vegetal finamente triturado resulta una superficie selectiva muy eficaz. Probé diversas resinas, siendo el poliuretano la de mayor rendimiento, aunque también algo propenso a agrietarse si se calienta demasiado. El polietileno es bueno, pero al secarse, se vuelve muy brillante, lo que disminuye la calidad. Medí temperaturas superiores a 80 °C en la parte posterior de la placa absorbente de este prototipo (sin mechas).

de cubierta óptica

Para este prototipo, utilicé policarbonato de doble pared para la cubierta óptica. Esto proporcionó una mejor mitigación de la pérdida de calor por convección del absorbedor, pero también pudo haber reducido la transmisividad de la luz.

Reflector

Usé película de Mylar fijada a madera contrachapada con adhesivo de contacto para unirlas. Carecía de protección contra los elementos y se dañaba con facilidad, además de no ofrecer una imagen nítida. Monté el reflector en una bisagra en la base del absorbedor y luego controlé la inclinación con cuerdas que até alrededor del dispositivo. Usé un cierre con resorte de un impermeable viejo para ajustar la longitud.

Cama absorbente

Este fue uno de los problemas más difíciles y pasé mucho tiempo intentando resolverlo. La idea era montar las mechas con espacios entre ellas, pero para que el agua no goteara alrededor. Intenté varias técnicas sin mucho éxito. Por mucho que intentara impermeabilizarlo, el agua acababa goteando.

• Fallas de absorción
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  En esta primera prueba, corté con láser un trozo de acrílico e inserté mechas en ranuras de 1 mm con una separación de 10 mm. Este diseño goteaba al verter agua sobre él.
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  Apilamiento de extrusión de caucho de silicona con mechas y placa de aluminio encajada entre
• 
  Todas las placas se apilan entre extrusiones de caucho. Luego, se atornilla una pieza de madera en el extremo para comprimirlas.
• 
  En este intento, se utilizó aluminio doblado pegado a una espiga de madera, con una goma elástica grande alrededor de la espiga. El objetivo era proporcionar rigidez y elasticidad. Las gomas elásticas servían para crear una junta que impidiera que el agua fluyera solo por las mechas. Una vez apiladas todas en el canal, se fijó un trozo de madera para comprimirlas.

Paneles aislantes

Los paneles se fabricaron con madera contrachapada de 5 mm y cuadrados de espuma EVA de 20 mm pegados. Se encajaron a presión en el marco y se diseñaron para que pudieran colocarse y retirarse fácilmente durante las pruebas.

Wicks

Las mechas se fabricaban con paños de cocina comunes. Se eligieron por su bajo costo y ubicuidad, así como por sus propiedades absorbentes y sus diseños antibacterianos que podrían ser útiles. El problema con este diseño es que solo se fijan en la parte superior, por lo que no se mantienen laminadas a las placas de aluminio, lo que provoca contaminación. Además, no había forma de fijar la primera mecha a la parte posterior del absorbedor, ya que estaba montada a ras del marco sin huecos.

Placas condensadoras

Utilicé placas de aluminio de 0,5 mm cortadas a 200 x 300 mm. Estas se integraron en el sistema de absorción para lograr una separación precisa. Probé varias técnicas de montaje, pero la de espiga funcionó bastante bien. Excepto donde el dispositivo estaba descuadrado y en la parte inferior, donde colgaban libremente. Sin una guía rígida, las placas no estaban espaciadas uniformemente.

Colección de destilados

En el canal de la base de las placas de aluminio se perforaron dos agujeros. Debajo de estos agujeros se pegó un canal y un agujero en este canal a un tubo. Este tubo podía luego fijarse a una botella u otro dispositivo de recolección.

Prueba

Este dispositivo no funcionó correctamente debido a problemas con fugas y el sistema de recolección de destilado. Sin embargo, lo probé en condiciones soleadas en Melbourne, Australia, con temperaturas prometedoras (un promedio de entre 65 y 70 °C) y vapor saliendo del dispositivo al retirar el panel.

• Vista lateral
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  Vista lateral del prototipo
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  Cómo quitar el panel lateral aislante fácilmente extraíble
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  Observe la distribución desigual de las mechas y el apilamiento de placas, lo que provoca problemas.

Prototipo n.° 2

Tras revisar mi prototipo anterior, intenté resolver los problemas de diseño subyacentes con una versión mejorada. Esta nueva versión resuelve todos los problemas del primer alambique, a la vez que presenta un diseño más ambicioso. Incorpora más efectos y está más cerca entre sí para mejorar la eficiencia. Su área reflectora es mayor, lo que reduce el mantenimiento diario. Su diseño está compuesto íntegramente de plástico y metal. Es ligero gracias a su estructura de aluminio, pero su construcción es sólida para resistir las inclemencias del tiempo.

Sigue teniendo las mismas dimensiones que el anterior para mantener bajos los costes durante el prototipado y porque con 12 efectos tiene la misma superficie que un alambique de 1 metro cuadrado pero en un paquete mucho más pequeño.

Al integrar las lecciones del prototipo anterior y el análisis profundo de la literatura relevante, he diseñado un sistema fijo que creo que es mucho más robusto y más cercano a algo que podría implementarse en el campo.

La fabricación se completó en cuestión de semanas. Se integraron diversas innovaciones en el diseño, utilizando componentes de diversas industrias.

Diseño CAD

Este diseño se centró principalmente en el control preciso del espaciado y las tolerancias ajustadas para la fabricación. Por lo tanto, se dedicó mucho tiempo al diseño CAD. Los materiales de diseño para el marco están hechos íntegramente de aluminio y policarbonato. El policarbonato fue el plástico elegido por su resistencia térmica de hasta 120 grados Celsius. La idea detrás del diseño se centró en el ensamblaje y la simplicidad. [Archivo:SolarPuraCad.jpg|thumb|Diseño CAD en Fusion 360 que muestra el espaciado entre placas.]]

Control del caudal de agua de alimentación

El control de flujo se gestionó inicialmente mediante un sistema de goteo intravenoso, fabricado con tecnología médica de bajo costo. Este incluía un filtro para filtrar partículas grandes, un controlador de goteo mecánico y una válvula de retención para mantener un flujo constante. Este se conectaba al depósito de fibra de vidrio de 5 litros con una pequeña pieza de codo pegada para la salida.

Marco/Montaje

El marco se fabricó con soportes angulares de aluminio soldados. Esto creó el lecho absorbente y la carcasa del depósito. La idea era que el dispositivo se pudiera ensamblar mediante 4 orificios de montaje con varillas roscadas. Los espaciadores se cortaron con láser en policarbonato para un control preciso.

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  Marco de aluminio soldado con 4 orificios de montaje para varilla roscada.
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  Montaje de todos los componentes

Absorbedor

El absorbedor es el mismo que el anterior: lámina de aluminio de 3 mm con resina infundida con revestimiento de carbón.

Cubierta óptica

Este prototipo utilizó policarbonato de 3 mm para la cubierta. Es bastante reflectante, por lo que es necesario conseguir uno de mejor calidad con revestimiento antirreflejo. Además, se rayaba con mucha facilidad. Primero lo monté dentro del marco, pero esto provocó que tocara la placa absorbente que está detrás. Esto creó un puente térmico que redujo aún más el rendimiento. Así que lo monté en el exterior.

Reflector

El nuevo diseño del reflector utiliza un conjunto de espejos más largo. Este conjunto está diseñado para proporcionar más luz solar al absorbedor durante todo el día sin necesidad de girar el dispositivo. Se pliega y se sostiene mediante una cuerda similar a la del primer prototipo, así como un soporte de alambre. Aún queda modelado por hacer.

Cama absorbente

Este problema resultó ser insignificante. La base de la mecha no necesita ser impermeable, solo necesita un flujo de agua controlado hacia las mechas a través de una interfaz de otras mechas entre ellas y el flujo de agua. Esto se logró envolviendo una mecha similar a una esponja en un trozo de policarbonato como primer punto de humectación. Esto permitió que el agua se distribuyera y humedeciera lentamente las mechas montadas debajo. Las mechas se montaron en una rejilla cortada a láser. Se enhebraron y luego se fijaron a las placas con los divisores superior e inferior.

Paneles aislantes

Estos paneles estaban hechos de acrílico de 6 mm con espuma EVA adherida. El panel trasero ofrecía más espacio para el aislamiento, pero los paneles laterales eran muy delgados. Esto podría contribuir a mayores pérdidas de calor.

Wicks

Las mechas están hechas de un paño grueso de fibra no tejida. Funcionan muy bien y se mantienen laminadas a las placas incluso con espacios tan pequeños entre ellas.

Colección de destilados

Mi primera idea fue pegar tubos pequeños a las salidas de las canaletas. Estos se fusionaron para formar un tubo más grande con salida. Esto no funcionó. El agua no tenía suficiente fuerza para que goteara por el sistema. Así que experimenté añadiendo mechas. Una mecha de cuerda pasó por el sistema de canaletas hasta un canal con salida.

Prueba

Hasta ahora, las pruebas se han realizado en interiores, ya que es junio en Melbourne. He utilizado una lámpara de sodio de alta presión de 1000 W para probar el prototipo. Esto ha dado resultados interesantes, pero no especialmente realistas. Las primeras pruebas demostraron que el mecanismo funcionaba.

El sistema inicial de recolección de destilado no funcionó, así que tuve que desmontar el dispositivo. Tras desmontarlo, descubrí una capa negra en las placas de aluminio más cercanas a la fuente de calor. Esto se identificó como corrosión galvánica de los diferentes metales del diseño. Así que decidí sustituir las placas de aluminio por policarbonato.

La siguiente ronda de pruebas con una recolección de destilado mejorada fue exitosa y se recolectaron pequeñas cantidades. El problema es que el banco de pruebas interior calienta el agua de alimentación de forma drástica con el tiempo y no ofrece resultados realistas. Por lo tanto, tendré que esperar a que el clima sea más cálido para obtener resultados reales.

Referencias

Datos de contacto

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