FR3040386A1 - Systeme de purification d'eau solaire - Google Patents
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Abstract
Dispositif de purification d'eau comprenant : - au moins un réservoir agencé pour contenir de l'eau à purifier, - un couvercle avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir, caractérisé en ce que : - le couvercle comprend une surface d'exposition de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition, - le dispositif comprend en outre : - une paroi transparente au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition, - des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition, - un panneau photovoltaïque agencé pour alimenter les moyens de circulation.
Description
Dispositif de purification de l'eau
Domaine technique de l'invention L'invention à pour objet un système de purification de l'eau, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un tel système.
Elle concerne le domaine des solutions pour rendre l'eau potable à travers l'utilisation du rayonnement ultraviolet dans la lumière solaire. Cette solution est destinée à l’utilisation domestique, voire petite collectivité, et permet de purifier l'eau dans un réservoir exposé au soleil, sans autre énergie que le rayonnement solaire. État de la technique
Les systèmes de purification de l'eau sont souvent basés sur de la lumière ultraviolette, soit de la nano-filtration, ou encore des systèmes à charbon actif. Il existe aussi, sous le terme sodis, ou solar désinfection, un procédé qui permet de traiter l'eau par photolyse, à l’intérieur de bouteilles en PET exposées au soleil pendant une journée.
Les documents de brevets suivants décrivent un certain nombre de solutions pour la désinfection de l'eau : US20050258108 A1 ( Eric Sanford ), W02Q01081250 A1 ( Charles Joseph Carr ), W02004083126 A1 ( Arthur Stephen Healey ).
Ces systèmes possèdent divers inconvénients, principalement basés sur leur entretien, ou le renouvellement de leur consommable : lampe uv, membrane de filtration, filtre à charbon doivent être régulièrement remplacés, souvent dans des pays ou l'approvisionnement est difficile, et la rigueur pas forcement suffisante pour en respecter le rythme. Ces systèmes deviennent ainsi de potentielles machines à prolifération bactérienne. Le système sodis ne dispose pas de ces inconvénients, mais est doté d'une efficacité limité de l'ordre de 30L par jour et par mètre carré, et surtout demande beaucoup de manipulation quotidienne, cf. le site internet www.sodis.ch .
Divulgation de l'invention L'objectif principal de l'invention consiste à maximiser l'utilisation du rayonnement solaire tout en proposant un dispositif de purification simple à utiliser et sans entretien, et qui peut fournir une grande quantité d'eau purifiée avec une surface au sol faible. A cet effet, un premier aspect de l'invention est un dispositif de purification d'eau comprenant : - au moins un réservoir agencé pour contenir de l'eau à purifier, - un couvercle avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir, caractérisé en ce que : - le couvercle comprend une surface d'exposition de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition, - le dispositif comprend en outre : - une paroi transparente au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition, - des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir et la surface d'exposition, - un panneau photovoltaïque agencé pour alimenter les moyens de circulation.
Le dispositif selon la présente mise en oeuvre est sans entretien, puisqu'il n'a pas de pièces à changer pour effectuer la désinfection, et grâce à la circulation d'eau, la quantité d'eau traitée efficacement est importante. Enfin, l'utilisation d'un panneau photovoltaïque permet d'obtenir un équipement autonome qui fonctionne lorsque la désinfection par rayonnement solaire est possible.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend : - une arrivée d'eau froide, agencée pour alimenter ledit au moins un réservoir en eau froide à purifier, - une sortie d'eau chaude purifiée, agencée pour prélever de l'eau chaude purifiée dudit au moins un réservoir. Le dispositif peut alors être utilisé aisément comme source d'eau chaude, c’est-à-dire comme chauffe eau solaire.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend une unité d'alimentation en eau froide, comprenant par exemple un flotteur, agencée pour limiter un niveau d'eau à purifier dans ledit au moins un réservoir. La mise à niveau est automatique, fiable et bon marché.
Avantageusement, la surface d'exposition comprend un matériau catalyseur, tel que du dioxyde de titane, agencé pour catalyser une réaction de traitement photocatalytique de l'eau à purifier. Avec cette mise en œuvre, l'invention propose de combiner la photolyse, et la photocatalyse, afin de proposer une désinfection efficace et rapide.
Avantageusement, la surface d'exposition comprend une mousse de dioxyde de titane ou est formée par une mousse de dioxyde de titane.
Avantageusement, les moyens de circulation d'eau et la surface d'exposition sont agencés pour établir un débit d'eau à purifier sur la surface d'exposition qui garantit un temps d'exposition minimal de l'eau à purifier sur la surface d'exposition. En d'autres termes, l'eau reste sur la surface d'exposition pendant un certain temps qui garantit une désinfection efficace. On peut imaginer de former un écoulement particulier sur la surface d'exposition, avec des chemins de ruissellement préformés pour définir un parcours sinueux. On peut également calibrer le débit de la pompe pour garantir le débit. On peut également asservir le débit de la pompe avec l'ensoleillement, dont une mesure est aisée avec le panneau photovoltaïque. D'une manière préférentielle, on peut choisir le panneau photovoltaïque pour qu'il fournisse une puissance électrique qui fait fonctionner la pompe à plein régime lorsque l'ensoleillement est maximal, et dès que l'ensoleillement diminue, la puissance fournie à la pompe baisse d'autant, ce qui fait chuter le débit d'eau à purifier et augmente alors le temps de passage sur la surface d'exposition et donc le temps d'exposition.
Avantageusement, le temps d'exposition minimal est de 10 secondes, lorsque l'eau à purifier est à 60°C et la surface d'exposition reçoit une dose d'ultra violet A (UV-A) de 40J/m2.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend des moyens d'isolation thermiques agencés pour isoler thermiquement le réservoir. La chaleur emmagasinée par l'eau sur la surface d'exposition est conservée dans le réservoir ce qui permet de conserver une température élevée, par exemple au moins 60°C, de sorte à maximiser l'efficacité du traitement de photolyse et photo-catalyse, et garder l'eau chaude même la nuit.
Avantageusement, les moyens d'isolation thermiques sont des doubles parois du réservoir. Evidemment, tout pont thermique avec des pièces métallique est à proscrire.
Avantageusement, les moyens de circulation comprennent une pompe.
Avantageusement, la paroi est percée pour permettre un écoulement gravitaire de l'eau à purifier depuis la surface d'exposition vers le réservoir.
Avantageusement, le dispositif de purification d'eau comprend des moyens de désinfection de l'eau à purifier, tels que des moyens de génération d'ozone
Autrement dit, la solution proposée par l'invention est un réservoir d'eau à purification intégrée comprenant : -Un réservoir d'eau avec isolation thermique d'une contenance d'environ 100L par mètre carré. -Un couvercle avec isolation thermique faisant office de capteur de lumière solaire -Un vitrage sur le couvercle laissant passer la lumière ultraviolette -Une Pompe faisant transiter l'eau du réservoir dans le couvercle, l'exposant ainsi à la lumière ultraviolette. -Le fond du couvercle est revêtu de matériau photo-catalytique, ou directement traité par un processus photo-catalytique. -Au minimum un panneau solaire photovoltaïque de puissance réduite permettant d'activer la pompe au fil du soleil, sans batterie ou alimentation secteur.
Préférentiellement, la hauteur totale dépasse légèrement 40cm , et se limite à environ 60cm afin de à la fois se dégager de l'ombrage des acrotères souvent rencontrés sur les toits terrasse, et rester en dessous de la zone de perturbation du vent pour garder au mieux les calories.
Le fond du couvercle, est soit noir pour absorber l’énergie solaire, soit recouvert par un matériau photo-catalytique faisant aussi office d'absorbeur, et d'une couleur favorisant l’absorption thermique.
Le soleil, à travers le vitrage supérieur, chauffe ainsi l'absorbeur, qui est recouvert d'une lame d'eau à chauffer / purifier renouvelée autant que nécessaire, en fonction de l’éclairement disponible et de ta température de l'eau, qui conditionne l'efficacité du traitement. Cette lame d'eau sera préférentiellement d'une épaisseur comprise entre 1mm et 10mm.
Pour optimiser la surface au soleil, et donc la capacité à traiter les bactéries, le tout sera maintenu à plat, sans inclinaison au soleil. Ceci diminue le rendement solaire de très peu (4 à 20% suivant les latitudes), mais permet une excellent isolation grâce à un rapport de forme favorable et une surface optimum de la lame d'eau exposée à la lumière naturelle.
Préférentiellement, l'eau traitée et chauffée retombera par gravité dans le réservoir. Un fusible thermique stoppera la pompe en cas de surchauffe estivale, permettant ainsi à l'ensemble de durer de longues années. Le fonctionnement est aussi possible à travers l'ajout d'une électronique et deux capteurs de température, permettant ainsi de doser plus finement la fenêtre de fonctionnement, et mieux balancer les fonctions de chauffage et de purification dans le sens désiré par l'utilisateur. Dans ce cas, l'ajout d'une électrovanne entre le couvercle et le réservoir permettra d'aller encore plus loin sur le contrôle des cycles, ainsi que de régler finement l’épaisseur de la lame d'eau exposée aux rayonnements ultraviolets de la lumière solaire.
Un autre aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un réservoir solaire à purification de l'eau dans lequel un couvercle isolé fait office de capteur solaire thermique et de support de matériau photo-catalytique . ledit procède constituant à : -Disposer une couvercle isolé au dessus d'un réservoir isolé, en y aménageant un creux d'environ 3cm d’épaisseur dont 2cm de lame d'air, et 1cm pour la lame d'eau. Le réservoir isolé disposera aussi d'une lame d'air de 2cm entre la surface de l'eau et le dessous du couvercle isolé. -Fixer sur ledit couvercle une plaque transparente aux rayonnement ultraviolet, de type verre ou polymère, avantageusement isolante.
Préférentiellement, on utilise un matériau constructif isolant, par exemple du roto moulage de PEHD, moussé pour l'isolation, voire de la mousse EPP , ou encore des cloisons en mousse polyuréthane. Ceci permet de réduire les coûts et les pertes thermiques.
Préférentiellement, une isolation par double cloison sera mise en œuvre pour augmenter l'efficacité du procédé.
Description de la figure D’autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence au dessin annexé, réalisé à titre d'exemple indicatif, et non limitatif sur lequel la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un réservoir solaire à purification de l'eau conforme à l'invention.
Modes de réalisation de l'invention.
Le panneau solaire objet de l'invention est un réservoir solaire à purification de l'eau, c'est à dire qu'il est capable de chauffer et purifier de l'eau avec la seule énergie du soleil. Il est destiné à être utilisé seul, ou en pluralité de modules, de façon à ce que l’eau pure et chaude qu'il produit soit exploitables par une habitation ou une installation.
En se rapportant à la figure 1, le réservoir solaire à purification de l'eau intègre un réservoir d'eau 1 comportant double cloison périmétrique 3 et une isolation thermique . Un couvercle 2 est posé au dessus de manière étanche et isolée des pertes thermiques, préférentiellement par un emboîtement qui formera aussi joint d’étanchéité. Une pompe 6, alimentée par u panneau solaire photovoltaïque 8 pompe de l'eau froide non purifiée à travers un collecteur 9 et l'entraîne vers un surface d'exposition 7 formée dans un évidement du couvercle 2, formant une lame d'eau 4, qui réchauffée et purifiée s’écoule par gravité à travers un trou 5. L'eau traitée chaude se trouve ainsi stratifiée en haut du réservoir 1.
En utilisation mixte chauffe eau solaire / machine de purification d'eau, on ajoutera une entrée d'eau froide 10, coupée par un flotteur 12 type chasse d'eau de wc, et une sortie d'eau chaude purifiée 11, située tout en haut du niveau d'eau.
Une lame d'air 13 sera maintenue entre le niveau d'eau supérieur et le dessous du couvercle, afin de maximiser l'isolation thermique, nécessairement maximale sur le dessus du réservoir. Pour augmenter cette performance isolante, une deuxième lame d'air 14 sera placée avantageusement entre la lame d'eau exposée à la lumière solaire et la vitre transparente 16 au rayonnement ultraviolet, et se rajoutera ainsi son effet isolant à l'isolation du couvercle.
Une plaque photo-catalytique, ou un traitement photo-catalytique 15 se trouvera bloqué mécaniquement, ou collé au fond du couvercle, pour former la surface d'exposition 7. Il pourra s'agir de verre, de plastique, de céramique, recouvert de particules de Ti02 (dioxyde de titane) de manière à ce que le flux d'eau n'arrache pas les nanoparticules, mais permettre une surface de contact optimisée, favorable au traitement des bactéries et autre métaux lourds / pesticides.
Lors du fonctionnement, l'eau circule donc sur la surface d'exposition 7, formée par exemple par une mousse en dioxyde de titane. Lors d'un ensoleillement normal, avec une surface d'exposition faisant 0.7m2, on peut obtenir la purification de l'eau avec un débit d'eau de 0.66 litres par minutes, et on peut traiter environ 200 litres d'eau sur une période de six heures environ. En conséquence, l'eau est exposée au minimum pendant un temps compris entre 10 et 90 secondes à chaque passage sur la surface d’exposition. On peut également prévoir de considérer que l'eau est traitée dès lors qu'elle a atteint une température de 65°C pendant au moins cinq minutes.
On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l’invention décrits dans la présente description sans sortir du cadre de l'invention défini par les revendications annexées.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de purification d'eau comprenant : - au moins un réservoir (1) agencé pour contenir de l'eau à purifier, - un couvercle (2) avec une paroi agencée pour fermer ledit au moins un réservoir (1), caractérisé en ce que : - le couvercle (2) comprend une surface d'exposition (7) de l'eau à purifier, la paroi étant agencée entre ledit au moins un réservoir (1) et la surface d'exposition (7), - le dispositif comprend en outre : - une paroi transparente (16) au rayonnement solaire ultra violet qui recouvre la surface d'exposition (7) pour former un volume clos de traitement, et de sorte à exposer au rayonnement solaire la surface d'exposition (7), - des moyens de circulation agencés pour établir une circulation de l'eau à purifier entre ledit au moins un réservoir (1) et la surface d'exposition (7), - un panneau photovoltaïque (8) agencé pour alimenter les moyens de circulation.
- 2. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, comprenant : - une arrivée d'eau froide (10), agencée pour alimenter ledit au moins un réservoir (1) en eau froide à purifier, - une sortie d'eau chaude purifiée (11), agencée pour prélever de l'eau chaude purifiée dudit au moins un réservoir (1).
- 3. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, comprenant une unité d'alimentation en eau froide, comprenant par exemple un flotteur (12), agencée pour limiter un niveau d'eau à purifier dans ledit au moins un réservoir (1 ).
- 4. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la surface d'exposition (7) comprend un matériau catalyseur, tel que du dioxyde de titane, agencé pour catalyser une réaction de traitement photocatalytique de l'eau à purifier.
- 5. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, les moyens de circulation d'eau et la surface d'exposition (7) sont agencés pour établir un débit d'eau à purifier sur la surface d'exposition (7) qui garantit un temps d'exposition minimal de l'eau à purifier sur la surface d'exposition (7).
- 6. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, dans lequel le temps d'exposition minimal est de 10 secondes, lorsque l'eau à purifier est à 60°C et la surface d'exposition (7) reçoit une dose d'ultra violet A (UV-A) de 40J/m2.
- 7. Dispositif de purification d’eau selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens d'isolation thermiques agencés pour isoler thermiquement le réservoir (1).
- 8. Dispositif de purification d'eau selon la revendication précédente, dans lequel les moyens d'isolation thermiques sont des doubles parois du réservoir (1).
- 9. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de circulation comprennent une pompe (6).
- 10. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la paroi est percée pour permettre un écoulement gravitaire de l'eau à purifier depuis la surface d'exposition (7) vers le réservoir (1).
- 11. Dispositif de purification d'eau selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de désinfection de l'eau à purifier, tels que des moyens de génération d'ozone.
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