FR3148789A1 - Floating desalination and pollution control modules powered by solar heat - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un système de distillation d'eau modulaire et flottant, très basse consommation d’énergie et « low tech », utilisant l'énergie solaire pour chauffer l'air et provoquer l'évaporation de l'eau à distiller. Les modules peuvent être individuels ou connectés pour couvrir une plus grande surface. Le flux d'air est contrôlé pour optimiser le rendement. La condensation de l'eau distillée est réalisée par refroidissement, soit passivement en utilisant la température de l'eau environnante ou l'air, soit activement avec un système de refroidissement dédié. Les modules sont fabriqués avec des matériaux accessibles et peuvent être améliorés pour maximiser l'absorption solaire, l'isolation thermique et l'interface eau chauffée/air. Le système flotte sur des matériaux isolants et est conçu pour maximiser la température intérieure du module, permettant un taux d'évaporation optimal. The invention relates to a modular and floating water distillation system, very low energy consumption and "low tech", using solar energy to heat the air and cause the evaporation of the water to be distilled. The modules can be individual or connected to cover a larger surface area. The air flow is controlled to optimize the efficiency. The condensation of the distilled water is achieved by cooling, either passively using the temperature of the surrounding water or air, or actively with a dedicated cooling system. The modules are manufactured with accessible materials and can be improved to maximize solar absorption, thermal insulation and the heated water/air interface. The system floats on insulating materials and is designed to maximize the internal temperature of the module, allowing an optimal evaporation rate.
Description
L'invention présentée concerne le domaine de la désalinisation et dépollution à très basse consommation d'énergie et est dite "low tech", applicable à petite échelle et à échelle industrielle.The invention presented concerns the field of desalination and decontamination with very low energy consumption and is called "low tech", applicable on a small scale and on an industrial scale.
L'invention concerne plus précisément des modules flottants captant la chaleur solaire afin de saturer l'air d'humidité. L'eau contenue dans l'air est ensuite récupérée par condensation.The invention more specifically concerns floating modules capturing solar heat in order to saturate the air with humidity. The water contained in the air is then recovered by condensation.
Différentes technologies existent actuellement autour de la désalinisation de l'eau:Different technologies currently exist around water desalination:
Distillation multi-étagée (MSF) : La distillation multi-étagée est un processus de désalinisation thermique qui utilise la chaleur pour évaporer l'eau salée et ensuite condenser l'eau douce. L'eau salée est chauffée et passe par plusieurs étages avec des températures et des pressions décroissantes, ce qui permet d'obtenir de l'eau douce par condensation. Cette méthode est énergivore, mais a une longue histoire d'utilisation dans la production d'eau potable et industrielle. (EP2039407)Multi-stage distillation (MSF): Multi-stage distillation is a thermal desalination process that uses heat to evaporate salt water and then condense fresh water. Salt water is heated and passed through multiple stages with decreasing temperatures and pressures, resulting in fresh water being condensed. This method is energy intensive, but has a long history of use in drinking and industrial water production. (EP2039407)
Distillation à effet multiple (MED) : La distillation à effet multiple est une autre méthode de désalinisation thermique. Elle fonctionne en utilisant la vapeur d'eau produite dans un effet (une chambre d'évaporation) pour chauffer l'eau salée dans l'effet suivant, ce qui permet de réaliser des économies d'énergie. La vapeur d'eau est ensuite condensée pour récupérer l'eau douce. (EP2862842)Multiple Effect Distillation (MED): Multiple effect distillation is another method of thermal desalination. It works by using the water vapor produced in one effect (an evaporation chamber) to heat salt water in the next effect, thereby saving energy. The water vapor is then condensed to recover fresh water. (EP2862842)
Osmose inverse (OI) : L'osmose inverse est un processus de désalinisation basé sur la filtration membranaire. L'eau salée est pressurisée et poussée à travers une membrane semi-perméable qui retient les sels dissous et laisse passer l'eau douce. L'osmose inverse est actuellement la technologie de désalinisation la plus répandue et la plus efficace en termes énergétiques, en particulier pour les petites et moyennes installations. (EP2377817)Reverse Osmosis (RO): Reverse osmosis is a desalination process based on membrane filtration. Salt water is pressurized and pushed through a semi-permeable membrane that retains dissolved salts and allows fresh water to pass through. Reverse osmosis is currently the most widespread and energy-efficient desalination technology, especially for small and medium-sized installations. (EP2377817)
Nanofiltration (NF) : La nanofiltration est une autre technologie de filtration membranaire qui fonctionne sur des principes similaires à l'osmose inverse, mais avec des pores de membrane légèrement plus grands. Elle est généralement utilisée pour des applications spécifiques, telles que la réduction de la dureté de l'eau ou l'élimination des contaminants organiques.Nanofiltration (NF): Nanofiltration is another membrane filtration technology that works on similar principles to reverse osmosis, but with slightly larger membrane pores. It is typically used for specific applications, such as reducing water hardness or removing organic contaminants.
Désalinisation solaire : Cette méthode utilise l'énergie solaire pour chauffer l'eau salée et provoquer son évaporation. La vapeur d'eau est ensuite condensée pour récupérer l'eau douce. Bien que cette méthode soit moins efficace que d'autres technologies de désalinisation, elle a l'avantage d'utiliser une source d'énergie renouvelable et d'être particulièrement adaptée aux petites installations décentralisées. (WO2022006681, WO2006021139, WO2006077593, WO2008006253, EP0345236, WO2007054143)Solar desalination: This method uses solar energy to heat salt water and cause it to evaporate. The water vapor is then condensed to recover fresh water. Although this method is less efficient than other desalination technologies, it has the advantage of using a renewable energy source and is particularly suitable for small, decentralized installations. (WO2022006681, WO2006021139, WO2006077593, WO2008006253, EP0345236, WO2007054143)
L'invention présentée fait partie de cette dernière catégorie. Sa particularité est son déploiement en surfaces aquatiques, notamment maritime, de marrés salant, saumure ou d'eau polluée, et sa modularité. Elle fonctionne soit par modules de l'ordre du mètre carré, soit sur une surface de plusieurs dizaines de mètres carrés, selon les besoins et la stabilité de la surface exploitée (mer ou bassin artificiels par exemple).The invention presented is part of this last category. Its particularity is its deployment in aquatic surfaces, in particular maritime, salt marshes, brine or polluted water, and its modularity. It operates either by modules of the order of a square meter, or on a surface of several tens of square meters, according to the needs and the stability of the surface exploited (sea or artificial basins for example).
Description générale de l'inventionGeneral description of the invention
Le principe de base de l'invention présentée s’appuie sur la variation de l'humidité absolue en eau de l'air en fonction de la température.The basic principle of the invention presented is based on the variation of the absolute humidity in water of the air as a function of the temperature.
En effet ce taux est proche de 10 à 20 g/m3 pour une température ambiante comprise entre 20 et 30° et croît exponentiellement pour atteindre des valeurs de 150 à 300 g/m3 pour des températures comprises entre 60 et 80°.In fact, this rate is close to 10 to 20 g/m3 for an ambient temperature between 20 and 30° and increases exponentially to reach values of 150 to 300 g/m3 for temperatures between 60 and 80°.
Ainsi le refroidissement d'un volume d'air d'un mètre cube d'air de 80° saturé d'eau à 20° produit la condensation d'environ 1/4l d'eau distillée.Thus, cooling a volume of one cubic meter of air at 80° saturated with water to 20° produces the condensation of approximately 1/4l of distilled water.
L'objectif de l'invention est de proposer un système facile à construire et à déployer grâce à des technologies simples et des matériaux accessibles.The aim of the invention is to propose a system that is easy to build and deploy using simple technologies and accessible materials.
Sachant cela, l'invention décrite se base sur la fabrication de modules flottants
Ces modules peuvent être individuels ou connectés
Un flux d'air optimisé pour la rentabilité est imposé dans les modules en entrée (1.1) et en sortie (1.5), soi mécaniquement (moteur, pompe), soi par captation et régulation du vent.An air flow optimized for profitability is imposed in the inlet (1.1) and outlet (1.5) modules, either mechanically (motor, pump) or by wind capture and regulation.
La chaleur absorbée par la surface des modules (1.4) fait augmenter la température du volume d'air contenu dans le module provoquant l'évaporation de l'eau à distiller contenue dans le module, faisant tendre l'humidité vers la saturation à la température atteinte, et cela en fonction du taux de renouvellement de l'air dans les modules.The heat absorbed by the surface of the modules (1.4) increases the temperature of the volume of air contained in the module, causing the evaporation of the water to be distilled contained in the module, causing the humidity to tend towards saturation at the temperature reached, and this depending on the air renewal rate in the modules.
Pour la condensation
Une variante
L'air injecté traverse ensuite le module et est évacué en (4.4) après condensation dans le système de refroidissement profitant de l’émission de froid de l’échangeur thermique. Il s'agit de la variante à condensation active de l'invention.The injected air then passes through the module and is discharged in (4.4) after condensation in the cooling system taking advantage of the cold emission from the heat exchanger. This is the active condensation variant of the invention.
Dans tous les cas l'eau distillée est recueillie dans un réservoir (3.5, 4.5).In all cases the distilled water is collected in a tank (3.5, 4.5).
Le module contenant le volume d'air peut être construit en n'importe quels matériaux (bois, métal...), mais typiquement en plastique (EHD, PE, Polyéthylène, polypropylène, PVC en fonction de leur résistance), de préférence noirs pour absorber un maximum de rayonnement solaire. Ces matériaux doivent être résistants à l’eau de mer et les dégradations que cette dernière peut engendrer, tels que la corrosion ou encore l’accumulation d’organismes marins.The module containing the air volume can be built in any materials (wood, metal, etc.), but typically in plastic (EHD, PE, polyethylene, polypropylene, PVC depending on their resistance), preferably black to absorb maximum solar radiation. These materials must be resistant to seawater and the damage it can cause, such as corrosion or the accumulation of marine organisms.
Un radiateur de diffusion de chaleur (1.2) permet d'optimiser la chauffe de l'air du module, et peut être composé d'une surface métallique, très bon conducteur de chaleur.A heat diffusion radiator (1.2) optimizes the heating of the air in the module, and can be made of a metal surface, a very good conductor of heat.
Ces radiateurs peuvent atteindre l'eau et peuvent être recouverts d'un matériau à fort pouvoir de capillarité afin d'augmenter au maximum l'interface eau chauffée/air dans le but d'augmenter au maximum la vitesse d'évaporation
Un simple système de projection et de vaporisation d’eau du module dans le volume du module peut-être aussi adjoint pour augmenter activement l’interface air/eau.A simple system of projection and vaporization of water from the module into the volume of the module can also be added to actively increase the air/water interface.
La partie exposée au soleil (1.4) peut être recouverte d'une peinture noire à forte absorbance, par exemple de peinture silicone noire ou époxy pouvant dépasser 95% d'absorbance.The part exposed to the sun (1.4) can be covered with a black paint with high absorbency, for example black silicone or epoxy paint which can exceed 95% absorbency.
Enfin, la partie extérieure peut-être recouverte d'un système de verrière en verre ou plastique (1.3) afin de bénéficier d'un "effet de serre" en laissant une lame d'air entre la verrière et le module, appelé espace d'isolation.Finally, the exterior part can be covered with a glass or plastic canopy system (1.3) in order to benefit from a "greenhouse effect" by leaving an air gap between the canopy and the module, called an insulation space.
Il est à noter que les performances de cet espace d'isolation peuvent être améliorées en étant mis sous vide.It should be noted that the performance of this insulation space can be improved by being placed under vacuum.
Ce module est posé sur un système de flotteur perméable (1.6). L'équilibre hydrostatique permettra d'avoir un niveau d'eau à distiller suffisant afin de permettre la mise en saturation. Le flotteur permet aussi d'isoler thermiquement l'eau contenue dans le module de l'eau extérieure en étant composé de néoprène, d'aérogel, de polystyrène, voir de bois. En somme, de tout matériau permettant une bonne isolation thermique tout en fournissant la flottaison. Pour atteindre l’équilibre hydrostatique, les flotteurs peuvent couvrir toute ou en partie la partie extérieure dudit module, au-delà de la ligne de flottaison si nécessaire.This module is placed on a permeable float system (1.6). The hydrostatic balance will allow to have a sufficient level of water to be distilled in order to allow saturation. The float also allows to thermally isolate the water contained in the module from the outside water by being composed of neoprene, aerogel, polystyrene, or even wood. In short, any material allowing good thermal insulation while providing flotation. To achieve hydrostatic balance, the floats can cover all or part of the outside part of said module, beyond the waterline if necessary.
L'objectif étant d'augmenter et de maintenir la température du volume d'air contenu dans le volume au maximum.The objective is to increase and maintain the temperature of the volume of air contained in the volume as much as possible.
Les prototypes ont démontré qu'aux expositions maximales la température peut aisément dépasser 60°. Il a été estimé que, dans une construction optimale, la température du volume d'air peut dépasser les 100°, température d'ébullition au niveau de la mer, mais l'important reste l'optimisation entre la température, la circulation d'air et le temps d'évaporation de l'eau.The prototypes have demonstrated that at maximum exposures the temperature can easily exceed 60°. It has been estimated that, in an optimal construction, the temperature of the air volume can exceed 100°, the boiling temperature at sea level, but the important thing remains the optimization between temperature, air circulation and water evaporation time.
Un système électronique de mesure de quantité d’eau distillée par heure et de régulation de flux d’air permettant d'optimiser ledit flux d'air en fonction de la quantité d'eau produite, afin d'en obtenir la quantité maximale, peut être adjoint.An electronic system for measuring the quantity of distilled water per hour and regulating the air flow to optimize said air flow according to the quantity of water produced, in order to obtain the maximum quantity, may be added.
Considérations physiques et expectatives de rentabilité:Physical considerations and profitability expectations:
Dans cette description, le présent brevet prend chaque élément considéré dans la simulation numérique qui a permis d'arriver au résultat prévisionnel final.In this description, the present patent takes each element considered in the numerical simulation which made it possible to arrive at the final forecast result.
Absorption de la chaleur par rayonnement solaireAbsorption of heat by solar radiation
Les matériaux faible coût permettant d’absorber un très grand taux d'énergie solaire, de 0.9 à 0.95 d’absorption. Ces peintures sont laLow cost materials that can absorb a very high rate of solar energy, from 0.9 to 0.95 absorption. These paints are the
Peinture acrylique noir mat ou satinée : Les peintures acryliques sont généralement moins chères que les peintures époxy et sont disponibles dans une variété de finitions. Elles sont faciles à appliquer et sèchent rapidement. Cependant, elles peuvent être moins durables que les peintures époxy, surtout lorsqu'elles sont exposées à des conditions marines extrêmes.Matte or Satin Black Acrylic Paint: Acrylic paints are generally less expensive than epoxy paints and are available in a variety of finishes. They are easy to apply and dry quickly. However, they may be less durable than epoxy paints, especially when exposed to extreme marine conditions.
Peinture époxy noir mat ou satinée : Les peintures époxy offrent une excellente résistance à l'eau de mer, à la corrosion et aux conditions difficiles. Bien qu'elles soient généralement plus coûteuses que les peintures acryliques, elles sont plus durables et offrent une meilleure protection à long terme.Matte or Satin Black Epoxy Paint: Epoxy paints offer excellent resistance to seawater, corrosion and harsh conditions. Although they are generally more expensive than acrylic paints, they are more durable and offer better long-term protection.
Peinture silicone noir mat ou satinée : Les peintures silicone offrent une excellente résistance aux conditions marines, à l'humidité et à la corrosion. Elles sont hydrophobes, ce qui les rend idéales pour les applications en milieu marin. Les peintures silicone sont également flexibles, résistantes aux UV et peuvent être formulées avec des agents biocides pour prévenir la croissance d'algues et de moisissures. Cependant, elles peuvent être plus coûteuses que les peintures acryliques et époxy, et leur application peut nécessiter un peu plus de compétence pour assurer une couverture uniforme et une adhérence optimale.Matte or Satin Black Silicone Paint: Silicone paints offer excellent resistance to marine conditions, moisture and corrosion. They are hydrophobic, making them ideal for marine applications. Silicone paints are also flexible, UV resistant and can be formulated with biocides to prevent algae and mould growth. However, they can be more expensive than acrylic and epoxy paints, and their application may require a little more skill to ensure even coverage and optimum adhesion.
Ainsi, des zones méditerranéennes à l'équateur, reçoivent de 800 à 1000W d'énergie solaire au zénith. Ce qui permet d'estimer la quantité totale par jour ensoleillé est de l'ordre de 5 kW.Thus, Mediterranean areas at the equator receive 800 to 1000W of solar energy at the zenith. This allows us to estimate the total quantity per sunny day to be of the order of 5 kW.
Il est à noter, en comparaison de rentabilité, que l'énergie photovoltaïque est rentable à environ 20%, ce qui met en perspective l'usage direct de l'énergie solaire totale dans un cadre de désalinisation.It should be noted, in comparison with profitability, that photovoltaic energy is profitable at around 20%, which puts into perspective the direct use of total solar energy in a desalination framework.
Vitesse d'évaporation de l'eauWater evaporation rate
Étant donné que la présente invention se base sur l'évaporation de l'eau au sein d'un flux d'air continu, la vitesse de ce flux est à considérer dans l'efficacité de l'invention. Il est important de noter que l'énergie thermique emportée par l'air sortant de l'invention est de l'énergie perdue, ce flux devra donc optimiser la rentabilité d'évaporation et la déperdition d'énergie décrite plus tard.Since the present invention is based on the evaporation of water within a continuous air flow, the speed of this flow is to be considered in the efficiency of the invention. It is important to note that the thermal energy carried away by the air leaving the invention is lost energy, this flow will therefore have to optimize the evaporation profitability and the energy loss described later.
La vitesse d'évaporation suit une loi classique exponentielle de charge définie parThe evaporation rate follows a classical exponential charge law defined by
où :Or :
L’important dans l’optimisation de l’invention est la réduction de ce paramètre par l’augmentation de l’interface air/eau notamment (par augmentation de la surface, ou encore par vaporisation).
The important thing in optimizing the invention is the reduction of this parameter by increasing the air/water interface in particular (by increasing the surface area, or even by vaporization).
Déperdition par diffusionDiffusion loss
La déperdition de l'invention est directement proportionnelle à :
- sa surface extérieure exposée à l'air,
- sa surface extérieure exposée à l'eau,
- sa qualité d'isolation sur ces deux interfaces.
- its outer surface exposed to the air,
- its outer surface exposed to water,
- its insulation quality on these two interfaces.
Cette déperdition peut être définie parThis loss can be defined by
où
Cette déperdition peut-être gérée grâce aux différents matériaux et flotteurs ainsi que leur épaisseur utilisée dans l'invention.This loss can be managed thanks to the different materials and floats as well as their thickness used in the invention.
Déperdition par extractionLoss by extraction
Une partie très importante de l’énergie perdue est due à l’énergie emmagasinée par les fluides sortants du module, c’est-à-dire l’air chaud et la vapeur d’eau.A very significant part of the energy lost is due to the energy stored by the fluids leaving the module, i.e. hot air and water vapor.
Ce flux peut être aisément calculé par différence d’enthalpie totale entrante (par exemple un air saturé en eau à 20° ainsi que l’enthalpie de l’eau liquide), et sortante (par exemple un air chargé d’humidité à 60°). L’enthalpie sortante dépend du flux d’air, du taux d’humidité, de la température sortante, etc. et peut être simulée. Cette valeur est dominée par l’enthalpie de la vapeur d’eau (2600 kJ/kg), et permet de calculer que le flux théorique maximum d’eau distillée produite est d’environ 2 l/h/² de surface exposée à une exposition solaire de 1kW.This flow can be easily calculated by the difference in total incoming enthalpy (for example, water-saturated air at 20° and the enthalpy of liquid water), and outgoing (for example, air loaded with humidity at 60°). The outgoing enthalpy depends on the air flow, the humidity rate, the outgoing temperature, etc. and can be simulated. This value is dominated by the enthalpy of water vapor (2600 kJ/kg), and allows us to calculate that the maximum theoretical flow of distilled water produced is approximately 2 l/h/² of surface exposed to a solar exposure of 1kW.
Résultats de simulation et expérimentauxSimulation and experimental results
Sur la base des considérations décrites ci-dessus la simulation d'une installation idéale mais réaliste est à peu près de 1 à 1,5 l/h/m² en zone méditerranéenne ensoleillée entre 12h et 14h (Marseille).Based on the considerations described above, the simulation of an ideal but realistic installation is approximately 1 to 1.5 l/h/m² in a sunny Mediterranean area between 12 p.m. and 2 p.m. (Marseille).
L'expérience permise par un prototype nous donne le même ordre de grandeur, validant les calculs.The experience enabled by a prototype gives us the same order of magnitude, validating the calculations.
Descriptions complémentaires des figuresAdditional descriptions of the figures
Les figures illustrent les différents aspects et exemples de l'invention présentée, ainsi que certains éléments de sa structure, de ses composants et matériaux similaires. Ils sont indexés à l'aide de différents chiffres, pouvant être répétés pour les mêmes éléments, et différents pour les éléments différents. Cette indexation indique le numéro de la figure ainsi que le numéro de l'élément, séparés par un point. (1.2) indique l'élément 2 de la
- La
est une schématisation du module de l'invention. Le module contient l'entrée d'air (1.1), le radiateur propageant la chaleur de l'extérieur à l'intérieur du module (1.2), la serre améliorant l'accumulation de chaleur (1.3), le corps du module contenant l'air chaud provocant l'évaporation (1.4), l'évacuation d'air saturé d'eau (1.5) et le système de flotteur couvrant toute la partie inférieure (1.6). - La
est une schématisation de la mise en série de deux modules (plus de modules pouvant être mis en série) reliés l'un à l'autre pour le flux d'air (2.1).
- La
est une schématisation du module et du système passif de condensation utilisant la température de l'eau. L'air entrant en (3.1) dans le module se sature, est évacué par (3.2), est refroidi par des radiateurs passifs (3.4) par la température environnante de l'eau, l'eau est recueillie en (3.5), et l'air asséché est évacué en (3.3). - La
est une schématisation du module et du système actif de condensation utilisant typiquement un échangeur thermique. L'air entre en (4.3), est réchauffé par l'échangeur thermique en (4.2), puis injecté dans le module en (4.1). Après saturation l'air arrive en (4.5) et est refroidi par l'échangeur thermique (4.2). L'air asséché est enfin évacué en (4.4). - La
donne le détail du radiateur (1.2) équipé d'une surface absorbant et répartissant l'eau à distiller le long du radiateur (5.1) afin d'augmenter l'interface eau/air, et donc d'optimiser l'évaporation de l'eau.
- There
is a schematic representation of the module of the invention. The module contains the air inlet (1.1), the radiator propagating heat from the outside to the inside of the module (1.2), the greenhouse improving heat accumulation (1.3), the body of the module containing the hot air causing evaporation (1.4), the evacuation of water-saturated air (1.5) and the float system covering the entire lower part (1.6). - There
is a schematic of the series connection of two modules (more modules can be connected in series) connected to each other for the air flow (2.1).
- There
is a schematic of the module and the passive condensation system using the water temperature. The air entering the module at (3.1) becomes saturated, is evacuated by (3.2), is cooled by passive radiators (3.4) by the surrounding water temperature, the water is collected at (3.5), and the dried air is evacuated at (3.3). - There
is a schematic of the module and the active condensation system typically using a heat exchanger. The air enters at (4.3), is heated by the heat exchanger at (4.2), then injected into the module at (4.1). After saturation the air arrives at (4.5) and is cooled by the heat exchanger (4.2). The dried air is finally evacuated at (4.4). - There
gives the details of the radiator (1.2) equipped with a surface absorbing and distributing the water to be distilled along the radiator (5.1) in order to increase the water/air interface, and therefore to optimize the evaporation of the water.
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Citations (12)
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