Innovación en recubrimientos para la energía solar térmica de concentración
Fecha
2022
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Editor
Universidad Rey Juan Carlos
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Resumen
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.
Descripción
Tesis Doctoral leída en la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid en 2022. Directores
Pedro A. Poza Gómez
Claudio J. Múnez Alba
Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales:
Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica y de los
Materiales
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