An experimental study of the applicability of Interfacial Solar Steam Generation (ISSG) as Solar Heat for Industrial Processes (SHIP)

Solar steam generation above 100 °C can drive the decarbonization efforts of the industry. It is estimated that 10% of industrial heat demand could be met by solar heat but high up-front cost and system complexity are still slowing this crucial development. This thesis aims to demonstrate direct solar steam generation in a simple setup with basic materials. The conceived system integrates a high-efficiency interfacial evaporator into a solar vacuum tube with the possibility to superheat the steam and, for the first time, generate steam continuously. The experimental procedure for a laboratory setup was established, testing different configurations, materials and steam flow to understand the potential and points of improvement. In parallel, a thermodynamic model was developed to understand the internal energy flows. The steam generator successfully demonstrated continuous steam generation with tunable steam temperatures from 90 to 200 °C and an efficiency from 11 to 32% under an average of 750 W/m2 artificial illumination. The configuration with a maximum efficiency of 32% and 0.37 kg/h.m2 of steam production was observed at steam temperatures of 110 °C, ideal for industrial use. It was found that improving the vapor flow increased the efficiency by 6% compared to the original design found in the literature. Using larger evaporators covering more of the active absorber area and using simple reflectors increased efficiency by as much as 21%. The final efficiency is still lower than current systems making further design iterations necessary. Effective improvements have been identified and can increase efficiency to a competitive rate. An outlook for studying the economic positioning is given. The developed system could eventually supply a market of smaller systems for the decarbonization of industries where low cost and system complexity is especially important.

La generazione di vapore solare a temperature superiori a 100 °C può guidare gli sforzi di decarbonizzazione dell'industria. Si stima che il 10 % della domanda di calore industriale potrebbe essere soddisfatta dal calore solare, ma gli alti costi iniziali e la complessità del sistema rallentano ancora questo sviluppo cruciale. Questa tesi mira invece a dimostrare la generazione diretta di vapore solare in una configurazione semplice con materiali di base. Il sistema concepito integra un evaporatore interfacciale ad alta efficienza in un tubo solare sottovuoto con la possibilità di surriscaldare il vapore e, per la prima volta, di generare vapore in modo continuo. È stata stabilita una procedura sperimentale in ambiente di laboratorio, testando diverse configurazioni, materiali e flussi di vapore per comprendere le potenzialità e i punti di miglioramento. Parallelamente, è stato sviluppato un modello termodinamico per comprendere i flussi interni di energia. Il generatore di vapore ha dimostrato con successo una generazione continua di vapore con temperature del vapore regolabili da 90 a 200 °C e un'efficienza dall'11 al 32 % con un'illuminazione artificiale media di 750 W/m2. La configurazione con un'efficienza massima del 32 % e 0,37 kg/h.m2 di produzione di vapore è stata osservata a temperature del vapore di 110 °C, ideali per l'uso industriale. È stato rilevato che il miglioramento del flusso di vapore ha aumentato l'efficienza del 6 % rispetto al progetto originale presente in letteratura. L'utilizzo di evaporatori più grandi che coprono una parte maggiore dell'area attiva dell'assorbitore e l'uso di riflettori semplici hanno aumentato l'efficienza fino al 21 %. L'efficienza finale è ancora inferiore a quella dei sistemi attuali, rendendo necessarie ulteriori iterazioni di progettazione. Sono stati individuati miglioramenti efficaci che possono aumentare l'efficienza a un livello competitivo. Viene fornita una prospettiva per lo studio del posizionamento economico. Il sistema sviluppato potrebbe infine fornire un mercato di sistemi più piccoli per la decarbonizzazione delle industrie in cui il basso costo e la complessità del sistema sono particolarmente importanti.