Distillation solaire 1. Introduction

L’Algérie fait encore face aujourd’hui à des difficultés en matière d’alimentation en eau potable et d’assainissement en particulier dans les régions importantes à forte densité de population et ce malgré les investissements consentis. La situation critique de l'Algérie en matière d'eau est exprimée par le ratio établi entre les ressources renouvelables et la consommation (500 m³/hab/an). Les spécialistes estiment que si la ressource naturelle en eau chute à moins de 1000 m³/hab par année, elle devient une ressource rare. Les spécialistes prévoient que ce ratio serait de 430 m³/hab/an en 2020 [261] et atteindrait dangereusement 300 m³/hab/an en 2025, voire 200 m³/hab/an, si on ne compte que les eaux de surface. Cette tendance résulte du fait que l'Algérie est un pays semi-aride, et s'appuie sur des données liées à la croissance démographique et au développement économique et social du pays.

Il est plus judicieux de penser à intégrer et utiliser l’énergie solaire pour les applications résidentielles ainsi que pour le dessalement des eaux salées.

En Algérie, le problème des eaux salées en région du Sahara est souvent constaté. L’évaporation intense de l’eau surfacique causée par l’intensité du rayonnement solaire élevée ainsi que la température ambiante ont une conséquence sur le dégrée de salinité et la présence des minéraux dans les eaux souterraines. L’utilisation de l’énergie solaire via des distillateurs solaires pour épurer ces eaux constitue une véritable solution économique et simple.

Beaucoup de travaux ont été effectués au cours de ces dernières années afin d’améliorer la production du distillateur. Différentes techniques sont élaborées, certains chercheurs ont étudié l’influence de la forme et le type ainsi que les paramètres de fonctionnement sur la production d’un distillateur solaire [262-267].

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L’amélioration de la production du distillateur solaire peut être atteinte par un préchauffage de la saumure avant son introduction dans le distillateur solaire. L’augmentation de la température de la saumure conduit à l’accroissement de la différence de température entre l’eau distillée et le vitrage (surface de condensation), d’où celle de la production. Pour cela, un couplage avec un collecteur solaire thermique est utilisé. Différentes recherches ont été effectuées dans ce sens [268-281].

Il est certain que le facteur économique joue un rôle dans le choix du type d’installation de distillateur solaire actif ou passif. Cette étude a pour but d’utiliser une installation PV/T pour couvrir les besoins énergétiques d’une construction d’une part et alimenter une installation de distillation solaire avec de la saumure préchauffée d’autre part.

Pour cela, la possibilité d’utiliser une installation solaire existante pour l’alimentation d’un distillateur solaire sera examinée.

IV.6.2. Principe de fonctionnement et modélisation d’un distillateur solaire

Un distillateur solaire plan (figure IV.21) est essentiellement constitué d'une capacité étanche surmontée d'une vitre. La partie inférieure est recouverte d'un plan d'eau (eau saumâtre ou eau de mer). Sous l'action du flux solaire, transmis par la couverture transparente, l’eau s’échauffe et une partie de celle-ci s’évapore. La vapeur produite se condense sur la face intérieure de la vitre et le condensât est récupéré par un récepteur. Un appoint d'eau compense le débit de distillat. Afin de réduire les pertes de chaleur vers l'extérieur, les parois latérales et inférieures sont isolées.

Figure IV.21.Distillateur solaire avec les échanges produises.

Afin d’élaborer le modèle thermique du distillateur solaire connecté à un nombre de collecteurs PV/T en série, certaines hypothèses sont adoptées [277]:

 Pas de fuite de vapeur dans le distillateur solaire.

 Le gradient de température entre la couverture vitrée et la nappe d’eau sont négligeables.

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 Le collecteur solaire est déconnecté du distillateur en l’absence du rayonnement solaire afin d’éliminer tous les risques de circulation inverse.

 Le régime est transitoire.

 La capacité thermique du matériel absorbant et de l’isolant sont négligeables.

 La surface latérale est plus petite comparée à la surface du bassin. Le modèle adopté a été élaboré par M.K. Gaur et G.N.Tiwari [277] :

 Au niveau de la surface vitrée - Surface intérieure :

(IV.26) Avec :

(IV.27)

: Coefficient de convection entre les surfaces d’eau et de la vitre intérieure donné par la relation de Dunkle’s:

(IV.28) (IV.29) et : Pressions de la vapeur respectivement pour les températures et et peuvent être déterminées par la relation suivante :

et

(IV.30)

: Coefficient d’échange par évaporation entre la nappe d’eau et la face intérieure du vitrage exprimé par :

(IV.31)

: Coefficient d’échange par rayonnement entre la nappe d’eau et la face intérieure du vitrage donné par la relation :

(IV.32) - Surface extérieure du vitrage

(IV.33)

: Coefficient d’échange par convection entre la vitre et l’air extérieur donné par la relation de Swinbank[277]:

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Avec :

: Vitesse du vent obtenue des relevées météorologiques.

 Au niveau de la masse d’eau

(IV.35) Avec :

Energie utile fournie par N collecteurs solaires PV/T montés en série donnée par l’expression :

(IV.36)

: Coefficient d’échange thermique entre l’absorbeur et la saumure, estimé à 250 w/m².k pour l’été et 200 W/m2

.K pour l’hiver.

 Au niveau du bassin

(IV.37)

Coefficient d’échange thermique entre l’absorbeur et l’air extérieur:

(IV.38)

Les propriétés du distillateur solaire sont représentées sur le tableau IV.3.

Paramètres Valeurs L 4190 2.25×10⁵ 0.05 0.34 0.36 0.78 0.005 49 0.002

Tableau IV.3. Caractéristiques de construction et thermophysiques du distillateur solaire.

La quantité d’eau produite par le distillateur est :

140

: Perte par évaporation obtenue par :

(IV.40) La surface, la masse d’eau dans le distillateur solaire et le débit d’injection seront déterminés par la suite.

La résolution de ces équations est réalisée par un programme Matlab couplé avec le logiciel TRNSYS pour la simulation de la partie collecteurs PV/T. Les données météorologiques sont obtenues du fichier météo de la ville d’Ouargla.

IV.7. Exemples d’intégration architecturale des systèmes solaires dans les