Prototype de Distillateur Solaire
Pour ce prototype de distillateur solaire nous avons opté pour une concentration des rayons linéaires.
Les rayons viennent se concentrer à l’intérieur d’un tube transparent. Dans ce tube se trouve un récipient à forte inertie thermique dans lequel y est stocker de l’eau grise.
Fonctionnement du tube:
Premièrement, la paroi extérieure en plexiglas du tube laisse passer une grande partie des rayons lumineux dans le tube (fig. 1). Ces rayons viennent percuter et fournir en énergie le récipient ayant une grande inertie thermique. Ce récipient va par la suite rejeter cette énergie sous forme de chaleur.
L’eau grise se trouvant dans ce récipient va se réchauffer et va au fur et à mesure, des particules d’eau vont s’évaporer dans le tube (fig. 2). La température de l’air va augmenter ainsi que l’humidité de l’air contenue dans le tube va augmenter en raison de cette évaporation.
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| fig. 1: Les rayons solaires percutent le récipient interne |
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| fig. 2: Les particules d’eau s’évaporent dans le tube |
Deuxièmement, l’humidité de l’air va entrer en contact avec la paroi en plexiglas du tube. Celle-ci étant plus froide va entrainer une condensation des particules d’eau contenues dans l’air à l’intérieur du tube.
Cette condensation va petit à petit former un grand nombre de gouttelettes d’eau distillée sur l’ensemble de la paroi froide du tube. Ces gouttelettes vont, par gravité, glisser à la base du tube. Il ne reste plus qu’à collecter cette eau distillée.
(fig. 3)
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| fig. 3:Condensation sur la paroi froide et écoulement à la base du tube. |
Conception du prototype:
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| fig. 4: profil de la parabole |
La première étape pour la conception d’un prototype était tout d’abord d’établir le profil d’un parabole qui converge les rayons solaires en un point. Après avoir touvé le profil idéal ( https://www.geogebra.org/m/zmzrKZeM ) nous l’avons redessiner sur un programme de dessin vectoriel tel que AutoCad.
(fig. 4)
Après ça, il suffit de dimensionner le prototype et la parabole en fonction de la distance du foyer que l’on veut donner.
Nous avons, par la suite, dessiner l’ensemble des pièces qui allaient composer la structure de notre distillateur sur le programme de dessin vectoriel. Ces éléments vont par la suite être découper à l’aide d’une découpeuse laser numérique
(fig. 5).
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| fig. 5: planche de découpe laser |
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| fig. 6: montage du prototype |
Les pièces, une fois découpées, sont simplement emboîtées les unes dans les autres dans les encoches prévues à cet effet (fig. 6). La dimension de notre prototype à une hauteur de maximale de 80cm (avec les trépieds) et une largeur de 50cm.
Une fois la structure de la coupole assemblée, nous plaçons une feuille aillant une surface réfléchissante (une sorte d’effet miroir) dans la structure. La rigidité de la feuille va faire qu’elle va épouser la courbure d’elle même sans utiliser de colle ou d’autres accroches.
Pour le tube, nous avons utilisé des matériaux de récupération: Nous avons récupéré des boites à café en métal que nous avons découpé en deux (fig. 7). On obtient alors la partie pouvant être ouverte et le fond de la boite à café. Ces 2 pièces serviront pour les extrémités du tube. On y ajoute des écrous qui vont servir d’axe pour tenir l’ensemble du prototype.
Ensuite nous découpons une plaque de plexiglas (très fine (<1mm)qui peu être déformée) au dimension 40x50cm.
Nous allons enrouler la plaque de plexiglas autour des extrémités en métal et fixé le tout avec de la colle et des élastiques (fig. 8).
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| (fig. 7) |
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| (fig. 8) |
Pour le récipient contenant l’eau grise, nous avons utilisé des canettes que nous avons éventré et peint en noir pour qu’elles absorbent plus la chaleur des rayons solaires (phénomène d’Albedo). Une fois remplies d’eau, elles seront placées dans le prototype (fig. 9).
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| (Prototype une fois assemblé) |
Mise en situation du prototype:
Avec l’atelier, nous sommes parti dans le domaine de Chevetogne (Ciney) du 06 novembre 2017 jusqu’au 10 novembre 2017 pour effectuer les premiers essais du distillateur solaire.
le 7 novembre 2017, la météo nous a permis d’effectuer les premiers test.
Pour ce premier test, nous avons placé à l’intérieur du tube une seule canette découpée sur la longueur. Celle-ci nous sert de récipient pour l’eau grise. La canette est placée dans la première moitié du tube.
Ensuite nous avons orienté la parabole vers le soleil. (fig. 10)
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| fig. 9:vue de la canette dans la première moitié du tube |
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| fig. 10: Prototype orienté face au soleil. |
Après quelques minutes, on commençait à observer une légère condensation sur les parois internes du tube.
Après une demi-heure, des gouttelettes commencent à se former.
Notre première observation fut que l’on obtenait plus de condensation dans la moitié du tube qui ne contenait pas la canette. nous avons donc mesuré les températures de la paroi sur les deux moitiés du tube. (fig. 11)
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| fig. 11:température de la moitié de tube contenant la canette (température indiquée: 32°C) |
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| fig. 11:température de la moitié de tube sans canette (température indiquée: 24°C) |
Notre hypothèse par rapport a cette observation est que la canette, étant devenue une source de chaleur grâce à l’énergie solaire, rayonne et réchauffe la parois du tube. Cette dernière étant moins froide, la condensation se fait beaucoup moins dans cette moitié du tube contenant la canette.
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| condensation sur la paroi du tube |
Après 1h30, nous obtenions des gouttes de 2 à 3 mm de diamètre. Cependant ces gouttelettes glissait pas vers la base du tube. De plus ces gouttelettes ne grossissaient plus. Notre hypothèse était que le tube n’était pas assez froid pour condenser d’avantage de vapeur d’eau. Nous avons alors entouré un quart du tuyau d’un film d’aluminium afin de ne plus exposer cette partie au soleil et ainsi refroidir cette partie du tube. (fig. 12)
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| fig. 12: partie du tube recouvert par le film d’aluminium. |
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fig. 12: au dessus de la ligne rouge, zone exposée au soleil
en dessous de la ligne rouge, zone sous le film d'aluminium. |
Après une demi-heure, nous avons retirer le film d’aluminium pour observer les résultats. il s’est avéré que le film d’aluminium à plutôt eu tendance à garder la chaleur dans le tube plutôt que de le refroidir. Résultat, on avait de plus fines gouttelettes sous la partie sous le film d’aluminium.
Prochaine pistes de recherche
Suite à ces premières expérimentations, nous avons pu établir plusieurs pistes à exploiter pour l’amélioration du prototype. Toutes ces améliorations s’appliquent au design du tube en plexiglas.
Dans un premier temps, il serait intéressante de ne pas exposer une partie du tube afin de ne pas l’exposer au rayon solaire et de ce fait, garder une température plus basse pour une meilleure condensation de l’humidité de l’air. Une autre approche allant dans ce sens serait d’enterrer une partie du tube afin qu’il refroidisse avec le température du sol qui est constant.
Une autre piste d’amélioration serait d’augmenter le volume d’eau grise dans le tube afin de fournir plus d’évaporation dans le tube, c’est à dire, augmenter la quantité d’eau dans l’air contenue dans le tube. Car nous pensons que en ayant mis qu’une seule canette dans le tube, le pourcentage d’humidité n’était pas assez important par rapport au trop grand volume d’air et ne permettait pas une plus grande condensation sur les surfaces froides.
