Innovación en recubrimientos para la energía solar térmica de concentración

Abstract

Este trabajo de tesis se enmarca dentro del campo de la tecnología de concentración solar. Esta tecnología permite obtener energía eléctrica a partir de la concentración de la energía solar. La situación climática del planeta demanda una intensificación de la producción energética y eléctrica a partir de fuentes renovables. La tecnología de concentración solar es una tecnología madura y de uso industrial, pero su optimización para obtener el máximo rendimiento, así como el desarrollo de nuevas soluciones preocupa a la comunidad científica, política y social, siendo responsabilidad de los investigadores contribuir a su desarrollo. Las plantas de torre dentro de esta tecnología hacen uso de los receptores solares, que son calderas o intercambiadores de calor que permiten el calentamiento de un fluido por concentración de la radiación solar. Una de las opciones para maximizar el rendimiento de las plantas y los receptores solares es la modificación superficial de la zona donde se realiza el intercambio energético, que puede contribuir a un aumento del aprovechamiento energético. Así, la modificación superficial de los receptores solares con recubrimientos que aumenten la ganancia de energía por absorción y disminuyan las pérdidas por reflexión, emisividad, etc… es una de las técnicas empleadas en los dispositivos actuales. Los recubrimientos utilizados industrialmente son pinturas de base silicona. Estas pinturas absortivas presentan problemas de durabilidad debido a las condiciones de trabajo a las que se ven sometidas, ciclados y gradientes térmicos, fatiga y fluencia termo-mecánica. Las pérdidas de producción y la necesidad de reparación imponen la mejora de los recubrimientos existentes conociendo sus mecanismos de fallo. También es precisa la propuesta de nuevos recubrimientos que garanticen las propiedades ópticas como los requisitos mecánicos y de durabilidad que permitan el aumento de la eficiencia de los receptores solares. Uno de los objetivos de este trabajo de tesis es la mejora del recubrimiento de pintura absortiva existente, perfeccionando su fabricación, tanto por métodos convencionales de curado y vitrificado en horno como por nuevas alternativas con radiación infrarroja. Para evaluar los resultados de los distintos procesos de fabricación, se han estudiado las microestructuras y las propiedades mecánicas. Se han realizado ensayos de relajación para estudiar el comportamiento dependiente del tiempo de los recubrimientos debido a la naturaleza viscosa de su matriz polimérica. Para estudiar los procesos y mecanismos que provocan la pérdida de integridad estructural de estos recubrimientos, se han diseñado una serie de ensayos térmicos. Se han realizado ciclos térmicos tanto con largos periodos de exposición térmica constante, como con periodos cortos. También, se han realizado ciclos térmicos con distintas velocidades de calentamiento y enfriamiento, así como choques térmicos bruscos. Además, para evaluar el efecto del sustrato en el comportamiento del recubrimiento se han llevado a cabo estos mismos ensayos sobre los materiales utilizados como sustratos: aleaciones base níquel, con una gran resistencia a la oxidación y buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas, y aceros de baja aleación, con moderada resistencia a la oxidación. La evaluación de los resultados obtenidos tras estos ensayos se ha realizado analizando la evolución de las propiedades ópticas, absortancia y emitancia, y de la microestructura. Por último, se realizaron ensayos de degradación de los recubrimientos para evaluar el efecto de la radiación concentrada, que será la verdadera fuente energética de la aplicación en servicio. Para estos ensayos de ciclado térmico con radiación, se usó como fuentes de radiación el sol, concentrando su radiación con una lente Fresnel, y también un simulador solar de lámpara de xenón. También se midieron las propiedades ópticas y se caracterizaron las microestructuras obtenidas. En una línea distinta de trabajo se ha planteado un recubrimiento cerámico alternativo fabricado por proyección térmica utilizando un sistema de proyección por plasma compacto. Esta técnica de fabricación permite la obtención de recubrimientos duraderos y resistentes. Se utiliza en otros sectores industriales como el aeronáutico, un ejemplo está en la fabricación de recubrimientos de barrera térmica utilizados en componentes de turbina. Se realizó un diseño de experimentos para relacionar la capacidad como absorbedor solar del recubrimiento con los parámetros de fabricación. El método de las superficies de respuesta permitió evaluar el efecto de las distintas variables de proceso con la función de deseabilidad. Tras una selección de posibles materiales candidatos, se optimizó el proceso de fabricación del óxido de cromo (Cr2O3) para obtener la mejor combinación de propiedades ópticas. Esta función combina los valores más altos de absortancia por encima de 92% y valores por debajo de 85% para la emisividad. Los resultados muy prometedores, muestran recubrimientos de Cr2O3 con valores de absortancia en el intervalo de 95 a 96.8% y de emisividad del 93.6 al 95.7% en los mejores casos. Para poder encontrar la correspondencia entre fabricación y propiedades ópticas, así como los mecanismos o especies responsables de dichas propiedades se ha realizado un extenso estudio microestructural usando técnicas de microscopía óptica, electrónica de barrido y de transmisión, así como, mediante técnicas de microanálisis de rayos X asociadas a las técnicas de microscopía electrónica. Las fases cristalinas mayoritarias en cada recubrimiento se analizaron mediante difracción de rayos X. En este trabajo se ha conseguido diseñar un tratamiento térmico de consolidación en horno de la pintura Pyromark, que ofrece las mejores propiedades mecánicas. (curado durante 2 h a 125 °C y 1 h a 250 °C para vitrificado) La evolución de las propiedades funcionales del recubrimiento Pyromark en función de los ensayos de degradación muestran que la absortancia inicial, con un valor de 96%, sufre un aumento marginal al comienzo de la exposición a altas temperaturas. Las exposiciones a temperaturas más altas y choque térmico más severo no varían significativamente las propiedades ópticas, mientras se mantiene la integridad del recubrimiento. Sin embargo, los choques térmicos con gradiente térmico son más agresivos para la integridad de la pintura, provocando una disminución de absortancia a un número muy inferior de ciclos. Como alternativa a la pintura siliconada, se ha depositado un recubrimiento cerámico de Cr2O3 con unas propiedades ópticas similares. Este recubrimiento cerámico se ha proyectado térmicamente sobre un acero ferrítico, incorporando una aleación base níquel (Ni20Cr) como capa de anclaje. Para la fabricación de los recubrimientos se utilizó un sistema compacto de proyección térmica por plasma de baja potencia. Se ha comprobado que los parámetros de proyección afectan considerablemente al comportamiento de los recubrimientos como absorbentes solares, y que la mayor absorción solar obtenida en algunos recubrimientos de Cr2O3 se debe a la formación de la fase CrO3 ortorrómbico. Otras fases presentes en la microestructura de estos recubrimientos son Cr2O3 romboédrico y Cr2O3 cúbico. Los estos resultados y conclusiones obtenidos en esta tesis abren nuevos caminos de trabajo, por ejemplo, profundizar en la búsqueda de ensayos estandarizados que permiten calificar la durabilidad de los recubrimientos, tanto para los recubrimientos comerciales actuales, como para nuevos recubrimientos prometedores como el desarrollado de Cr2O3 desarrollados en esta tesis.