Development of a pilot low temperature solar thermal co-generation system for water distillation and energy production.
Date
2023-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This study aimed to develop a pilot system for low temperature solar thermal combined power and clean water co-generation. The system comprised a solar thermal steam generation system (6.5 kWth external compound parabolic concentrating collector array and kettle-type boiler) coupled to a condensing steam engine (reciprocating steam expander and condenser). The system uses solar thermal energy to produce steam at ~1 atm from raw feedwater. The steam is used to drive the steam expander (both through steam work and condensation) to produce mechanical work (which can be used directly for pumping or converted to electricity). The vapor exiting the engine is condensed and collected, providing distilled water for human use. The steam expander was designed by the University of Southampton and was manufactured at Stellenbosch University. The rest of the overall system (solar steam generator and condenser) was designed and constructed as part of this work with the intent to integrate the expander. Unfortunately, the expander did not operate, and this thesis thus reports on the design of the overall system and the measured performance of the solar steam generator and condenser (including measured distilled water production). The mechanical and electrical energy generation of the system was estimated using the measured steam generation and engine thermal efficiencies from literature. Results from three day-long on-sun tests are provided and prove that the steam generation system was able to meet its performance requirements (specifically providing steam at the required flow rate and condition to the condensing engine). The system produced distillate at an average specific energy consumption (SEC) of 2125 kWh/m3 and an estimated average mechanical energy output of 0.039 kWh/m2 of collector aperture area per day. The monthly and annual distillate production and energy generation were also estimated to illustrate the longer term expected performance with an estimated annual yield of 17.1 kWh/m2 mechanical energy and 1012 L distilled water. Compared to existing low temperature energy systems (e.g. organic Rankine cycles for low-grade power generation), and various technologies for solar desalination (notably solar PV powered reverse osmosis), the investigated system proves to be infeasible based on its high SEC, low overall efficiency and relative complexity (notably in terms of the condensing engine).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het gemik om 'n prototipe te ontwikkel vir laetemperatuur-sontermiese gekombineerde krag en skoonwater-ko-opwekking. Die stelsel het bestaan uit 'n sontermiese stoom-opwekkingstelsel (6.5 kWtermies eksterne saamgestelde paraboliese konsentreerder en ketel) gekoppel aan 'n kondenserende stoomenjin. Die stelsel gebruik sontermieseenergie om stoom teen ~1 atm van onbehandelde voerwater te genereer. Die stoom word gebruik om die stoomuitbreider aan te dryf (beide deur stoomwerk en kondensasie) en om meganiese werk te vervaardig (wat direk vir pompwerk gebruik kan word of omgeskakel kan word na elektrisiteit). Die damp wat die enjin verlaat, word gekondenseer en versamel, wat gedistilleerde water vir menslike gebruik verskaf. Die algehele en stoomopwekkingstelsels is ontwerp as deel van hierdie werk en vorm die primêre fokus van hierdie studie. Die stoomuitbreider is ontwerp deur die Universiteit van Southampton en is vervaardig deur Stellenbosch Universiteit. Die res van die algehele stelsel (sonkrag-stoomgenerator en kondensor) is ontwerp en gebou as deel van hierdie werk met die doel om die uitbreider te integreer en geïntegreer in die algehele stelsel in hierdie projek. Ongelukkig het die enjinuitbreider nie gewerk nie, en hierdie tesis doen dus verslag oor die ontwerp van die algehele stelsel en die gemete werkverrigting van die stoomopwekkingstelsel sonstoomopwekker en kondensor (insluitend gemete skoon gedistilleerde waterproduksie). Die meganiese en elektriese energieopwekking van die stelsel is beraam deur gebruik te maak van die gemete stoomopwekking en enjin se termiese doeltreffendheid uit literatuur. Resultate van drie daglange sonop toetse word verskaf en bewys dat die stoomopwekkingstelsel in staat was om aan sy werkverrigtingvereistes te voldoen (spesifiek die verskaffing van stoom teen die vereiste vloeitempo en toestand aan die kondensenjin). Die stelsel het distillaat geproduseer teen 'n gemiddelde spesifieke energieverbruik (SEC) van 2125 kWhsonkrag/m3 en 'n geskatte gemiddelde meganiese kraglewering van 0.039 kWh/m2 van die versamelaar-openingoppervlakte per dag. Die maandelikse en jaarlikse distillaatproduksie en energieopwekking is ook beraam om die verwagte verrigting op langer termyn te illustreer met 'n geskatte jaarlikse opbrengs van 17.1 kWh/m2 meganiese energie en 1012 L gedistilleerde water. In vergelyking met bestaande laetemperatuur-energiestelsels (bv. organiese Rankine-siklusse vir laegraadse kragopwekking), en verskeie tegnologieë vir sonkrag-ontsouting (veral sonkrag-PV-aangedrewe tru-osmose), blyk die ondersoekde stelsel onuitvoerbaar te wees op grond van sy hoë SEC, lae algehele doeltreffendheid en relatiewe kompleksiteit (veral in terme van die kondenserende enjin).
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie het gemik om 'n prototipe te ontwikkel vir laetemperatuur-sontermiese gekombineerde krag en skoonwater-ko-opwekking. Die stelsel het bestaan uit 'n sontermiese stoom-opwekkingstelsel (6.5 kWtermies eksterne saamgestelde paraboliese konsentreerder en ketel) gekoppel aan 'n kondenserende stoomenjin. Die stelsel gebruik sontermieseenergie om stoom teen ~1 atm van onbehandelde voerwater te genereer. Die stoom word gebruik om die stoomuitbreider aan te dryf (beide deur stoomwerk en kondensasie) en om meganiese werk te vervaardig (wat direk vir pompwerk gebruik kan word of omgeskakel kan word na elektrisiteit). Die damp wat die enjin verlaat, word gekondenseer en versamel, wat gedistilleerde water vir menslike gebruik verskaf. Die algehele en stoomopwekkingstelsels is ontwerp as deel van hierdie werk en vorm die primêre fokus van hierdie studie. Die stoomuitbreider is ontwerp deur die Universiteit van Southampton en is vervaardig deur Stellenbosch Universiteit. Die res van die algehele stelsel (sonkrag-stoomgenerator en kondensor) is ontwerp en gebou as deel van hierdie werk met die doel om die uitbreider te integreer en geïntegreer in die algehele stelsel in hierdie projek. Ongelukkig het die enjinuitbreider nie gewerk nie, en hierdie tesis doen dus verslag oor die ontwerp van die algehele stelsel en die gemete werkverrigting van die stoomopwekkingstelsel sonstoomopwekker en kondensor (insluitend gemete skoon gedistilleerde waterproduksie). Die meganiese en elektriese energieopwekking van die stelsel is beraam deur gebruik te maak van die gemete stoomopwekking en enjin se termiese doeltreffendheid uit literatuur. Resultate van drie daglange sonop toetse word verskaf en bewys dat die stoomopwekkingstelsel in staat was om aan sy werkverrigtingvereistes te voldoen (spesifiek die verskaffing van stoom teen die vereiste vloeitempo en toestand aan die kondensenjin). Die stelsel het distillaat geproduseer teen 'n gemiddelde spesifieke energieverbruik (SEC) van 2125 kWhsonkrag/m3 en 'n geskatte gemiddelde meganiese kraglewering van 0.039 kWh/m2 van die versamelaar-openingoppervlakte per dag. Die maandelikse en jaarlikse distillaatproduksie en energieopwekking is ook beraam om die verwagte verrigting op langer termyn te illustreer met 'n geskatte jaarlikse opbrengs van 17.1 kWh/m2 meganiese energie en 1012 L gedistilleerde water. In vergelyking met bestaande laetemperatuur-energiestelsels (bv. organiese Rankine-siklusse vir laegraadse kragopwekking), en verskeie tegnologieë vir sonkrag-ontsouting (veral sonkrag-PV-aangedrewe tru-osmose), blyk die ondersoekde stelsel onuitvoerbaar te wees op grond van sy hoë SEC, lae algehele doeltreffendheid en relatiewe kompleksiteit (veral in terme van die kondenserende enjin).
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2023.