Modélisation des performances thermiques d’un évaporateur solaire

En France comme dans le reste du monde, en raison du réchauffement climatique, de la croissance démographique et de la pollution, l’approvisionnement en eau devient un enjeu important. Pour résoudre ce problème, le stockage et/ou la récupération et purification de l’eau impropre à la consommation sont envisagées. L’évaporation solaire, qui fait l’objet de recherches depuis plusieurs années, est une méthode de purification qui utilise l’énergie du rayonnement solaire pour vaporiser l’eau puis la condenser et la récupérer pour la consommation humaine. Le système consiste à placer un matériau à la surface de l’eau pour accélérer son évaporation. Ce matériau doit capter suffisamment bien le rayonnement solaire, tout en permettant à l’eau de diffuser vers la surface d’évaporation. De plus, le matériau doit limiter les transferts thermiques vers l’eau liquide, afin de conserver l’énergie en surface. Jusqu’à présent, les études sur le sujet ont été principalement expérimentales, utilisant différents types de matériaux et de méthodes sans validation numérique des hypothèses émises.

L’objectif du travail présenté est de proposer un modèle numérique permettant de simuler les performances d’évaporation du système, de confirmer les hypothèses avancées dans la bibliographie, et d’étudier l’impact des conditions aux limites hygrothermiques . Un modèle axisymétrique 2D, qui inclut la modélisation des transferts thermiques ainsi que du transfert d’eau vers la surface, a été choisi. Ainsi, deux équations couplées comprenant la conservation de la masse d’eau liquide et l’équation de la chaleur ont été utilisées et implémentées dans un logiciel de modélisation par éléments finis (COMSOL 5.6).

Pour valider ce modèle, plusieurs expériences ont été réalisées en utilisant une mousse poreuse biosourcée à base de tanin de mimosa. Le tanin est un composant extrait du bois, qui, dans le cas du mimosa, est présent dans les écorces. Les mousses de tannin sont donc faciles à produire et ont un faible impact environnemental. En outre, elles sont poreuses à 95 % et permettent le transport de l’eau jusqu’à la surface d’évaporation. En ajoutant une couche de peinture à base de graphite pour améliorer l’absorption du rayonnement solaire, elles font un matériau intéressant pour l’évaporation solaire.

Les expériences pour valider le modèle ont consisté à mesurer au cours du temps les évolutions de masse et de température en plusieurs points du matériau positionné à la surface de l’eau, dans un bécher éclairé par un simulateur solaire. Le modèle a été validé pour les évolutions de masse et de température en fonction du temps pour trois irradiations solaires différentes (0.7, 1 et 1.3 sun – avec 1 sun = 1kW/m²). Ensuite, ce travail a permis d’explorer les phénomènes qui régissent les performances d’un système d’évaporation à travers l’étude des conditions aux limites et de la géométrie. L’objectif à terme est d’optimiser le système par une approche numérique.