Performance expérimentale, exergie et analyse économique d’un distillateur solaire tubulaire ovale intégré à un matériau à changement de phase amélioré par nanoparticules

Transformer la lumière du soleil en eau potable

Des milliards de personnes vivent dans des zones côtières arides où l’eau de mer est abondante mais l’eau potable fait défaut. Les grandes usines de dessalement peuvent être coûteuses et consommatrices d’énergie, hors de portée de nombreuses communautés. Cette étude examine un petit dispositif peu onéreux qui utilise uniquement la lumière du soleil pour convertir l’eau salée en eau douce de manière plus efficace et moins coûteuse que les modèles courants.

Une nouvelle forme pour produire de l’eau solaire

Les distillateurs solaires traditionnels sont généralement de simples caisses avec un couvercle en verre où l’eau salée s’évapore sous l’effet du soleil puis condense en eau douce. Les auteurs ont conçu une forme différente : un tube transparent ovale posé à l’horizontale. À l’intérieur du tube se trouve un plateau métallique peu profond peint en noir contenant l’eau salée. La lumière du soleil peut entrer de toutes parts, réchauffer l’eau qui s’évapore puis condenser sur la surface intérieure plus fraîche du tube ovale. Les gouttelettes ruissellent et sont collectées comme eau potable. Ce distillateur tubulaire ovale (DTTO) offre une surface de condensation plus grande que les dispositifs à toit plat, ce qui contribue à augmenter la production.

Stocker la chaleur du jour pour la nuit

Une faiblesse majeure des distillateurs solaires est qu’ils cessent de produire beaucoup d’eau douce après le coucher du soleil. Pour y remédier, les chercheurs ont ajouté une « batterie thermique » dissimulée sous le plateau d’eau salée. Ils ont utilisé de la cire de paraffine, un matériau courant qui fond lorsqu’il est chauffé et se solidifie en refroidissant tout en stockant et en libérant d’importantes quantités de chaleur. La cire est placée dans un compartiment métallique inférieur directement sous l’eau. Pendant les heures ensoleillées, elle fond et emmagasine la chaleur ; après le coucher du soleil, elle se solidifie lentement et restitue cette chaleur à l’eau. Des expériences au Caire avec une eau peu profonde (particulièrement à 0,5 cm de profondeur) ont montré que la cire maintenait l’eau du bassin plus chaude en soirée, augmentant la production d’eau douce de jour comme de nuit d’environ 28 % par rapport au même tube sans cire.

Améliorer le transfert de chaleur avec de petits additifs

Bien que la cire de paraffine puisse stocker beaucoup de chaleur, elle conduit mal la chaleur. Pour accélérer les échanges thermiques, l’équipe a incorporé de très petites particules d’oxyde d’aluminium, créant ce qu’ils appellent de la cire de paraffine améliorée par nanoparticules. Ces nanoparticules sont des milliers de fois plus petites qu’un grain de sable mais augmentent sensiblement la capacité de la cire à conduire la chaleur. Les chercheurs ont testé plusieurs concentrations de particules et ont constaté qu’une quantité modeste (0,3 % en masse) fonctionnait le mieux. Avec ce mélange, la cire se réchauffe et se refroidit plus rapidement, transmettant davantage de chaleur à l’eau en fin d’après-midi et en soirée. En conséquence, le distillateur a produit jusqu’à 7,26 litres d’eau douce par mètre carré de surface de bassin et par jour — environ 42 % de plus que le même dispositif sans cire, et 11 % de plus qu’avec de la cire ordinaire.

Mesurer l’efficacité et le coût

Au-delà du simple comptage des litres, l’étude a examiné l’efficacité avec laquelle le DTTO convertit l’énergie solaire reçue en évaporation utile et combien coûterait cette eau sur la durée de vie de l’appareil. Le tube ovale sans cire convertissait environ 43 % de l’énergie solaire incidente en évaporation ; l’ajout de cire a porté ce chiffre à près de 61 %, et la cire améliorée par nanoparticules l’a poussé à plus de 68 %. Une mesure plus détaillée et qualitative de l’énergie, appelée efficacité d’exergie, s’est également améliorée régulièrement à chaque amélioration. Les auteurs ont ensuite estimé les coûts matériels et d’exploitation pour une durée de vie de dix ans dans des conditions égyptiennes. Bien que la cire avancée et les nanoparticules ajoutent un coût initial, la production accrue a réduit le coût par litre d’environ 2,1 cents à 1,63 cents en dollars US, rendant le système amélioré à la fois plus productif et plus économique.

Ce que cela signifie pour les régions assoiffées

En termes simples, les chercheurs montrent qu’une combinaison soigneuse d’un nouveau design de tube ovale et de matériaux de stockage de chaleur intelligents peut extraire beaucoup plus d’eau douce à partir de la même quantité de soleil. Le dispositif reste relativement simple — juste un tube transparent, un plateau métallique peu profond et une couche de cire spéciale avec de minuscules particules mélangées — pourtant il produit plus d’eau, fonctionne plus longtemps la nuit et réduit le prix au litre. Pour les communautés isolées et ensoleillées qui n’ont pas accès à de grandes usines énergivores, de tels distillateurs solaires pourraient offrir une solution pratique et peu exigeante en maintenance pour sécuriser de l’eau potable en utilisant rien d’autre que l’eau de mer et le soleil.

Citation: Aly, W.I.A., Tolba, M.A. & Abdelmagied, M. Experimental performance, exergy, and economic analysis of an oval tubular solar still integrated with nano-enhanced phase change material. Sci Rep 16, 11365 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43990-y

Mots-clés: dessalement solaire, distillateur solaire, matériau à changement de phase, nanoparticules, eau potable