Solar Pura: High-efficiency vertical solar still/fr

Données du projet
Taper	Alambic solaire
Emplacement	Australie , Melbourne
Statut	Déployé
Années	2017
Manifeste OKH	Télécharger

Solar Pura est un projet technologique approprié visant à fournir de l’eau potable en exploitant l’énergie du soleil.

Environ 2 milliards de personnes n'ont pas accès à l'eau potable dans le monde et beaucoup d'entre elles vivent dans des zones arides et isolées, ce qui est parfait pour la mise en œuvre d'un distillateur solaire à petite échelle, très efficace et peu coûteux. L'objectif est de produire entre 5 et 10 litres d'eau douce par jour dans un climat ensoleillé, soit suffisamment pour les besoins d'une petite famille. La conception a été optimisée pour être légère, peu coûteuse, robuste et facile à utiliser. Un prototype fonctionnel à l'échelle a été construit et testé.

Solar Pura fait partie de mon mémoire de fin d'études à l'école de design du RMIT de Melbourne, en Australie. C'est l'aboutissement d'une année de recherche sur la création de technologies qui peuvent donner du pouvoir aux personnes prises dans le cycle de la pauvreté et sur la façon dont, en proposant des conceptions et des solutions open source, nous pouvons donner aux gens les moyens d'être autonomes et de renforcer la résilience des communautés dans le besoin.

Alambics solaires à diffusion multiple verticale à effet multiple vs alambics solaires à bassin

Vous pouvez en apprendre davantage sur la mécanique et l'histoire des alambics solaires ici alambics solaires et ici améliorer les alambics solaires à bassin et ici comprendre les alambics solaires . Ces pages contiennent de nombreuses informations utiles sur le fonctionnement des alambics solaires à bassin à effet unique. Cette conception devrait être la norme pour la distillation solaire low tech.

Après de nombreuses expériences et recherches, j'ai décidé qu'un distillateur solaire à effet unique de type bassin ne pouvait pas répondre à ces critères et j'ai cherché des conceptions plus expérimentales et plus complexes. C'est ainsi que je suis tombé sur le travail de RV Dunkle et son article de 1961 sur le thème des distillateurs solaires à diffusion à effets multiples. ^[1] Ainsi que sur des groupes de recherche contemporains tels que Hiroshi Tanaka et al du Japon. ^[2] Ainsi que sur des chercheurs de l'université nationale de Taiwan qui explorent également ce domaine. ^[3]

Le principe du distillateur solaire à diffusion multiple verticale est mieux décrit visuellement :

Le principe de diffusion à effets multiples fonctionne en empilant des plaques très proches les unes des autres pour créer différentes cellules ou « effets », de sorte que la chaleur latente de vaporisation puisse être recyclée plusieurs fois avant d'être dissipée dans l'atmosphère. D'après le schéma, la chaleur entre dans l'appareil par la gauche tandis que l'eau est acheminée par le haut sur des mèches absorbantes. Les mèches sont laminées sur un côté de la plaque conductrice tandis que l'autre côté agit comme condensateur. Lorsque l'eau sur la mèche est chauffée par conduction à travers la plaque, elle se vaporise puis « cherche » la prochaine surface la plus froide sur laquelle se condenser (la plaque suivante) où elle s'égoutte ensuite dans une gouttière de collecte qui achemine le distillat vers un récipient de stockage. Ce processus est répété pour autant d'effets que l'appareil contient.

Les chercheurs mentionnés ci-dessus ont découvert qu'environ 12 effets sont optimaux avant que les rendements ne soient diminués. Un espacement de 5 mm entre les plaques est optimal pour créer l'effet. Cela a conduit à une productivité de ces appareils comprise entre 20 et 40 litres par jour et par mètre carré. Cela représente une augmentation de productivité de 4 à 8 fois par rapport à un distillateur de type bassin à effet unique.

Objectifs du projet

Pour mon projet, j'ai développé 5 objectifs de conception clés sur lesquels concentrer mes recherches :

faible coût
haute efficacité
mobilité
robustesse
convivialité.

J'ai suivi une méthodologie itérative simple avec 3 étapes clés

Recherche - lisez des recherches universitaires sur le sujet et réfléchissez à leurs conclusions
Expérimenter - développer des prototypes expérimentaux pour tester de nouveaux concepts
Évaluer - apprendre des expériences pour la prochaine itération du développement

Conception

Il existe très peu de recherches expérimentales sur la construction et l'optimisation de ces dispositifs. La plupart des conceptions de Tanaka n'ont jamais été réalisées sous forme de prototypes entièrement fonctionnels, il a juste testé un effet et a théorisé le reste du travail. Bien que l'équipe de l'université de Taiwan ait construit ses prototypes, ils étaient tous reliés à des collecteurs à tubes sous vide qui pouvaient fournir un flux constant de chaleur à 100 degrés à l'appareil. Ce couplage ajoute tellement de coût et de complexité qu'à mes yeux, la technologie dépasse les applications de la technologie appropriée.

L'inspiration pour ma conception est venue du document de Tanaka de 2005 ^[4] dans lequel il décrit un diffuseur à effets multiples couplé à un capteur à plaque plate. J'ai été très attiré par cette idée en raison de son intégration du capteur solaire et du condenseur. À partir de ce moment-là, j'ai donc utilisé des outils de CAO 3D pour étoffer les différents systèmes et j'ai commencé à construire mon premier prototype.

J'ai synthétisé la littérature dans une conception composée de 10 sous-systèmes clés :

Contrôle du débit d'eau d'alimentation - Stockage de l'eau d'alimentation et contrôle du débit auquel elle alimente les mèches
Cadre/montage - La manière dont tous les composants sont montés et logés et l'espacement entre les plaques
Absorbeur - L'absorbeur de surface sélectif solaire qui absorbe le soleil
Cache optique - Monté devant l'absorbeur qui évite les pertes par convection
Réflecteur - Surface réfléchissante qui réfléchit le soleil sur l'absorbeur
Lit à mèche - La manière dont les mèches sont montées et alimentées en eau
Panneaux isolants - Panneaux latéraux et arrière qui empêchent la perte de chaleur
Mèches - Le matériau permettant d'évacuer l'eau d'alimentation vers le bas de l'appareil
Plaques de condensateur - Les plaques qui agissent comme condensateurs et conducteurs pour créer la réaction de diffusion à effets multiples
Collecte de distillat - La façon dont le distillat s'écoule et est collecté

Et puis j'ai développé un prototype à l'échelle pour tester les interactions entre ces systèmes

Prototype n°1

Il s'agissait d'un premier prototype destiné à modéliser physiquement les différentes idées que j'essayais. Pour réduire les coûts, je l'ai gardé assez petit avec une zone d'absorption approximative de 300 x 200 mm et 6 effets avec des espaces de 20 mm

Contrôle du débit d'eau d'alimentation

Pour ce composant, j'ai fabriqué une boîte d'un volume d'environ 5 litres. J'ai ensuite percé un trou et inséré une vanne d'irrigation en plastique. Cela n'a pas très bien fonctionné. Le contrôle n'était pas assez bon pour le faible débit dont j'avais besoin

Cadre/montage

J'ai utilisé l'extrusion d'aluminium Qubelock (marque australienne). Il s'agit d'un système simple qui utilise des tubes carrés en aluminium reliés par des raccords en plastique. Cela permet d'avoir de la place pour empiler les plaques, un support pour maintenir l'appareil en place et tous les points de montage nécessaires.

Absorbeur

Une partie de mes recherches précédentes portait sur la conception de surfaces sélectives solaires simples et rentables. Les surfaces sélectives sont des matériaux spéciaux qui absorbent le spectre de la lumière solaire de manière très efficace et l'émettent à des taux très faibles. Elles sont très importantes dans la technologie solaire à haut rendement, mais de nombreux produits sont exclusifs ou très coûteux. J'ai donc examiné les recherches universitaires et j'ai découvert que le revêtement d'un morceau d'aluminium avec une résine infusée de charbon de bois finement broyé constituait une très bonne surface sélective. J'ai essayé de nombreuses résines, le polyuréthane étant le plus performant, mais aussi quelque peu sujet aux fissures s'il devient trop chaud. Le polyéthylène est bon, mais sèche très brillant, ce qui diminue la qualité. J'ai mesuré des températures supérieures à 80 degrés Celsius à l'arrière de la plaque absorbante sur ce prototype (sans mèches).

Couverture optique

Pour ce prototype, j'ai utilisé du polycarbonate à 2 parois pour le couvercle optique. Il a permis une meilleure atténuation des pertes de chaleur par convection pour l'absorbeur, mais peut également avoir diminué la transmissivité de la lumière.

Réflecteur

J'ai utilisé un film Mylar monté sur du contreplaqué avec de la colle de contact pour coller les deux. Il n'avait aucune protection contre les éléments et s'endommageait facilement en plus de ne pas fournir une image optiquement claire. J'ai monté mon réflecteur sur une charnière à la base de l'absorbeur, puis j'ai contrôlé l'inclinaison avec des ficelles que j'ai nouées autour de l'appareil. J'ai utilisé un fermoir à ressort d'une vieille veste de pluie pour contrôler la longueur.

Lit à mèche

C'était l'un des problèmes les plus difficiles et j'ai passé beaucoup de temps à essayer de le résoudre. L'idée était de pouvoir monter les mèches avec des espaces entre elles, mais de manière à ce que l'eau ne coule pas autour d'elles. J'ai essayé plusieurs techniques sans grand succès. Peu importe mes efforts pour le rendre étanche, l'eau finissait par couler à travers.

Échecs de l'évacuation de la transpiration
Pour ce premier test, j'ai découpé au laser un morceau d'acrylique et j'ai inséré des mèches dans des fentes de 1 mm espacées de 10 mm. Cette conception a fui lorsque de l'eau a été versée dessus
Empilement d'extrusion de caoutchouc de silicone avec des mèches et une plaque d'aluminium coincée entre
Toutes les plaques sont empilées entre des extrusions en caoutchouc. Puis avec une pièce en bois vissée à l'extrémité pour comprimer.
Cette tentative a utilisé de l'aluminium plié collé sur un goujon en bois avec un large élastique enroulé autour du goujon. Le but étant de fournir rigidité et élasticité. Les élastiques étaient censés créer un joint pour que l'eau ne s'écoule que le long des mèches. Une fois le tout empilé dans le canal, un morceau de bois a été fixé pour les comprimer tous.

Panneaux isolants

Les panneaux ont été fabriqués à partir de contreplaqué de 5 mm avec des carrés de mousse EVA de 20 mm collés dessus. Ils s'insèrent par pression dans le cadre et ont été conçus de manière à pouvoir être facilement mis en place et retirés pendant les tests.

Mèches

Les mèches étaient fabriquées à partir de torchons ordinaires. Elles ont été choisies pour leur faible coût et leur omniprésence. Elles ont également été choisies pour leurs propriétés absorbantes et leur conception antibactérienne qui peuvent aider. Le problème avec cette conception est qu'elles ne sont fixées qu'en haut et qu'elles ne restent donc pas laminées sur les plaques d'aluminium, ce qui provoque une contamination. De plus, il n'y avait aucun moyen de fixer la première mèche à l'arrière de l'absorbeur car elle était montée au ras du cadre sans laisser d'espace.

Plaques de condensateur

J'ai utilisé des plaques d'aluminium de 0,5 mm coupées en 200 x 300 mm. Celles-ci ont été intégrées au système de mèche pour un espacement précis. J'ai essayé de nombreuses techniques de montage, mais celle avec cheville a plutôt bien fonctionné. Sauf là où l'appareil n'était pas d'équerre et en bas où ils pendaient librement. Sans guide rigide, les plaques n'étaient pas uniformément espacées.

Collecte de distillats

Deux trous ont été percés dans le canal situé à la base des plaques d'aluminium. Sous ces trous, un canal a été collé et un trou dans ce canal a été percé pour un tuyau. Ce tuyau pouvait ensuite être fixé à une bouteille ou à un autre dispositif de collecte.

Vue à l'envers du prototype. Canaux de distillation de chaque côté avec tuyaux en PVC collés

Essai

Cet appareil n'a pas fonctionné correctement en raison de problèmes de fuites et du système de récupération du distillat. Mais je l'ai testé dans des conditions ensoleillées à Melbourne, en Australie, avec des quantités prometteuses de chaleur (en moyenne entre 65 et 70 degrés C) et de vapeur sortant de l'appareil lorsque le panneau a été retiré.

Vue de côté
Vue latérale du prototype
Retrait du panneau latéral isolé facilement amovible
Observez une répartition inégale des mèches et un empilement de plaques causant des problèmes.

Prototype n° 2

Après avoir examiné mon prototype précédent, j'ai tenté de résoudre les problèmes de conception sous-jacents en recommençant à zéro avec une version améliorée. Cette nouvelle itération résout tous les problèmes du premier tout en étant plus ambitieuse dans sa conception. Il a plus d'effets, plus rapprochés, pour améliorer l'efficacité. Il a une plus grande surface de réflecteur qui nécessite moins d'entretien quotidien. Il s'agit d'une conception entièrement en plastique/métal. Il est léger en raison du cadre entièrement en aluminium, mais construit solidement pour résister aux éléments.

Il a toujours les mêmes dimensions que le précédent alambic pour réduire les coûts lors du prototypage et parce qu'avec 12 effets, il a la même surface qu'un alambic de 1 mètre carré mais dans un boîtier beaucoup plus petit.

En intégrant les leçons du prototype précédent et l’analyse approfondie de la littérature pertinente, j’ai conçu un système d’alambic qui, à mon avis, est beaucoup plus robuste et plus proche de quelque chose qui pourrait être mis en œuvre sur le terrain.

La fabrication s'est déroulée sur une période de plusieurs semaines. Diverses innovations ont été intégrées à la conception en utilisant des composants provenant d'industries différentes.

Conception CAO

Cette conception a été très axée sur le contrôle précis de l'espacement et les tolérances serrées pour la fabrication. Par conséquent, beaucoup de temps a été consacré à la CAO. Les matériaux de conception du cadre sont entièrement fabriqués à partir d'aluminium et de polycarbonate. Le polycarbonate était le plastique de choix en raison de sa résistance à la chaleur jusqu'à 120 degrés Celsius. L'idée derrière la conception était axée sur l'assemblage et la simplicité [File:SolarPuraCad.jpg|thumb|Conception CAO dans fusion 360 montrant l'espacement entre les plaques.]]