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SISTEMAS SOLARES DE CONCENTRACIN
Recubrimientos especiales para tecnologas de concentracin solar. Fundamentos y reflectores solares.
Absorbentes solares selectivos.
ngel Morales Sabio
Laboratorio de Energa Solar Trmica
MATERIALES PARA SISTEMAS SOLARES DE CONCENTRACIN
Recubrimientos especiales empleados en sistemas solares de concentracin, para aplicaciones pticas:3 Introduccin propiedades pticas.3Reflectores solares.3Absorbentes selectivos.3Recubrimientos antirreflectantes (Gema San
Vicente).
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CUERPO NEGRO
Un cuerpo negro es aquel que absorbe y emite la misma cantidad de energa para cada valor de longitud de onda.Se encuentra en equilibrio trmico con sus
alrededoresLa energa absorbida y emitida depende
exclusivamente de la temperatura a la que se encuentra el cuerpo negro.
RADIACIN DE UN CUERPO NEGRO
La intensidad se define la energa emitida por un cuerpo negro por unidad de tiempo y por unidad de rea proyectada por lo que es independiente de la direccin de emisin.
El poder emisivo se define como la energa emitida por un cuerpo negro por unidad de tiempo y por unidad de rea superficial, por lo que depende de la direccin de emisin.
3
RADIACIN DE UN CUERPO NEGRO
( ) ( ) ( ) ,'cos',,' bbb eie ==ley de Lambert del coseno
1)-e(C2=)(e=)(i T/C5
1bb
2
cos
ley de Planck
donde: C1 = h Co2 = 3.7405x10-16 Wm-2 y C2 = h Co / K = 0.0143879 mK
CUERPOS REALES
El cuerpo negro es un modelo ideal y sirve como referencia a los cuerpos reales.
Los diferentes materiales y cuerpos reales no se comportan como un cuerpo negro, por lo que es necesario definir dos parmetros:
3Absorptancia3Emitancia
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EMITANCIA
La emitancia es una medida de la capacidad que tienen las superficies reales para emitir radiacin en comparacin con un cuerpo negro ideal.En concentracin solar, nos referimos a la emisividad total hemisfrica en el intervalo de longitudes de onda del infrarrojo trmico, luego:
T
dTiTe=)T(
A4
AbAm
mA
),(),(
25
5,2
ABSORPTANCIA
Se define como la fraccin de la energa incidente que es absorbida por un cuerpo.
La absorptividad solar se expresa como:
)dG(AM
)dG()AMT A,(=)T( m
m0
mA
m
5.1
5.1
5,2
3,
3,0
5,2
5
LEY DE KIRCHOFF
Si tenemos un cuerpo confinado en una unidad de volumen en equilibrio trmico, el cuerpo emitir y absorber la misma cantidad de energa de forma que la emitancia y la absorptancia son iguales. Este enunciado se cumple para todo cuerpo real, independientemente de sus propiedades superficiales y la naturaleza de la radiacin incidente.
( ) ( )AA TT ,,,,,, =
( ) ( )AA TT =
REFLECTANCIA Y TRANSMITANCIA
La radiacin no absorbida es reflejada o transmitida:
Radiacin incidente (I)Radiacin reflejada (R)
Radiacin transmitida (T)
Radiacin absorbida ()
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RELACIONES ENTRE , R Y T
Cuerpos opacos:
Cuerpos translucidos:
( ) ( ) 1=+ AA TT ( ) ( ) 1=+ AA TTa
1 = )( + )( + )( AAA TTT
1 = )( + )( + )( AAA TTT
MATERIALES APLICACIONES SOLARES TRMICAS
Materiales para aplicaciones pticas: reflectores, absorbentes y antirreflectantes.Requerimientos:3 Elevadas prestaciones pticas para aumentar
el rendimiento3 Durabilidad superior a 20 aos para reducir el
mantenimiento y aumentar la fiabilidad de lasplantas solares.3 Compromiso prestaciones/coste.
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REFLECTORES SOLARES
Requerimientos:3 Elevada reflectividad en el espectro solar.3 Elevada especularidad.3 Facilidad para conformar el reflector cilindro
parablico.3 Elevada durabilidad ambiental: qumica y
mecnica.3 Bajo coste.
TIPOS DE REFLECTORES SOLARES
Tipos de reflectores solares:3 Reflectores convencionales de vidrio.3 Reflectores polimricos.3 Reflectores de primera superficie.
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REFLECTORES CONVENCIONALES DE VIDRIO
Reflectores de plata depositada sobre vidrio y protegida por una capa de cobre y una de pintura.Reflectancia especular entre 0,92 y 0,94.
Prdidas pticas en ambas interfases del vidrio.Durabilidad superior a 20 aos.Son difciles de conformar.Elevado peso y fragilidad.Elevado coste (actualmente).
ESTRUCTURA DE UN REFLECTOR POLIMRICO
Sustrato
Adhesivo
Reflector
Capa pr otectora
Capa protectora
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REFLECTORES POLIMRICOS
Elevada reflectividad:0,96.Problemas de durabilidad: 5-10 aos.Se adhieren sobre sustratos previamente
conformados.Elevado coste debido a la escasa demanda.La empresa 3M ha dejado de fabricar
reflectores polimricos para aplicacionessolares.
ESTRUCTURA DE UN REFLECTOR DE PRIMERA SUPERFICIE
1. Recubrimiento dielctrico
2. Capa metlica reflectora
3. Barrera antidifusora
Substrato metlico
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REFLECTORES DE PRIMERA SUPERFICIE
Se evitan las prdidas pticas de los reflectoresde segunda superficieReflectancia especular>0,96.Se pueden depositar sobre cualquier substrato.Presentan problemas de durabilidad debido al
pequeo espesor de la pelcula protectora.
REFLECTORES PRIMERA SUPERFICIE COMERCIALES
Aluminio anodizado. 3 Reflectancia especular: 0,89. 3Muy fciles de conformar.3 Durabilidad en funcin del espesor de la pelcula
protectora. >espeso r
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PRINCIPALES REFLECTORES SOLARES COMERCIALES
0102030405060708090
100
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500Longitud de onda (nm)
Ref
lect
anci
a es
pec
ula
r
3M
AlanodFlagsol
SISTEMAS SOLARES DE CONCENTRACIN
Recubrimientos especiales para tecnologas de concentracin solar.
Absorbentes solares
ngel Morales Sabio
Laboratorio de Energa Solar Trmica
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SELECTIVIDAD ESPECTRAL
Este material se calentar al absorber la radiacin solar y no perder este calor en forma de radiacin infrarroja.
Estos materiales se denominan absorbentes o superficies selectivas.
00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000Longitud de onda (nm)
Pod
er e
mis
ivo
(W/m
2 m
)*10
4
5673 K
673 K
Ambos espectrosapenas se solapan.
Un material puedepresentar una elevadaabsorcin en el espectro solar y unabaja absorcin/emisinen el IR trmico.
PERFIL ESPECTRAL DE UN ABSORBENTE SOLAR SELECTIVO
5 0
1 0 0
curva de
reflexin
regin de
absorcin
regin de
reflexin
Longitud de onda (m)
Ref
lect
anci
a
0.3 0.5 1 5 10 20
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ABSORBENTES SELECTIVOS
Requerimientos:3 Elevada absorptancia solar, .3 Baja emisividad trmica, (T).3 Elevada durabilidad trmica. Temperatura del
recubrimiento entre 25 y 50 grados mayor que el fluido caloportador.3 Estabilidad trmica en aire por si se pierde el
vaco en la cubierta de vidrio.
ABSORBENTE SELECTIVO MS SIMPLE
Capa xido metlico: elevada absorcin de la radiacin solar y transparente al IR trmico.Sustrato metlico: elevada reflectancia en el
infrarrojo trmico
xido metlico negro
Sustrato metlico
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DEGRADACIN DE ABSORBENTES SOLARES
Degradacin del absorbente:3 Cambios de estado de oxidacin: xidos o metal
del cermet.3 Variacin del espesor del recubrimiento.
Degradacin del reflector IR3Oxidacin del metal reflector3 Difusin del metal reflector al sustrato o a la capa
absorbente.
Degradacin del conjunto:3 Agrietamiento, descascarillamiento por falta de
adhesin de alguna capa.
EMISIVIDAD DE LOS PRINCIPALES METALES
200 300 400 500 600 700 800 900 1000 11000
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
EMISIVIDAD TOTAL HEMISFRICAPARA VARIOS METALES
TEMPERATURA (K)
EM
ISIV
IDA
D T
OT
AL
HE
MIS
F
RIC
A
Ag Cu Al Mo Au Pt
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METALES EMPLEADOS COMO REFLECTORES IR
Metales como Cu, Al, Ag, W, Mo:3 Buena reflectancia IR.3 Baja estabilidad trmica.3 Elevado coeficiente de difusin.
Metales nobles: Au, Pt:3 Au RIR,=0,98, Pt RIR=0,93.3 Elevada estabilidad trmica.3 Elevado coeficiente de difusin.3 Se necesitan menos de 100 nm de
espesor.
ESTRUCTURA TPICA DE UN ABSORBENTE SELECTIVO
1. Capa antirreflectante
2. Cermet absorbente
3. Capa metlica reflectora IR
4. Barrera antidifusora
Substrato metlico
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TIPOS DE ABSORBENTES SOLARES
Se diferencian en el tipo de material del queest compuesta la capa absorbente:3Absorbentes tipo cermet3xidos metlicos simples o compuestos.3Oxinitruro de titanio
ABSORBENTE TIPO CERMET
Un cermet es un material mixto compuesto poruna matriz dielctrica con partculas metlicasen su interior.La radiacin solar es absorbida en las mltiples
reflexiones producidas en las partculasmetlicas.La radiacin infrarroja es transmitida sin apenas
absorcin.Estabilidad trmica en funcin del metal
empleado.
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ABSORBENTE DE XIDOS METLICOS
Elevada estabilidad trmica de la capa absorbente.Elevada absorptancia solar (0.90)Elevadas prdidas por reflexin en la interfase
absorbente/aire por lo que requieren una capa AR.Bajo precio.Mltiples tcnicas de deposicin.
ABSORBENTE DE OXINITRURO DE TITANIO
Elevada estabilidad trmica de la capa absorbente.Elevadas prdidas por reflexin en la
interfase absorbente/aire por lo que requieren una capa AR.Bajo precio.Se produce mediante PVD
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ABSORBENTE TIPO CERMET FABRICADO POR SOLEL
0
10
20
30
40
50
60
70
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
Longitud de onda (nm)
refle
ctan
cia
hem
isf
rica
MTODOS DE PRODUCCIN
Electrodeposicin3 Absorbentes tipo tndem como el cromo negro.
Pulverizacin catdica3 Absorbentes tipo cermet (Schott y Solel)3xidos y nitruros metlicos
Sol-gel3 Espinelas3 Absorbente tipo cermet y filtros DAD (Ciemat)
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DURABILIDAD DE LOS ABSORBENTES SOLARES
Deben soportar entre 25 y 50 grados ms quela temperatura del fluido caloportador.Deben ser estables en aire a dicha temperatura
para evitar la degradacin en caso de prdidadel vaco.No deben producir desgasificacin para evitar la
degradacin del vaco.Los tubos fabricados por Schott y Solel se
degradan en caso de prdida de vaco.
DEGRADACIN DE LOS ABSORBENTES SOLARES
Las principales consecuencias de la degradacin de los absorbentes solaresson:3 Disminucin de la absorptancia solar3 Aumento de la emisividad trmica3 Si se reduce la absorptancia y aumenta la
emitancia trmica el tubo presenta elevadasprdidas trmicas.3 Necesidad de reemplazar el tubo, por lo que se
debe cerrar una lnea completa de colectores. Elevado coste de mantenimiento.
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PROCESO SOL-GEL
Proceso en tres etapas: 1- Preparacin de la solucin
precursora a partir de alcxidos metlicos.
2- Deposicin del recubrimiento por extraccin, pulverizacin, centrifugacin o flujo laminar.
3- Densificacin de la pelcula mediante un tratamiento trmico.
Soplante aire T
Muestra
AlcxidoEtanolAgua
Catalizador
1-
v cte
Solucin
precursora
motor
2-
3-
DIP-COATING
Las soluciones precursoras no contienen alcxidos metlicos.Se preparan a partir de sales inorgnicas,
mucho ms baratas que los alcxidos.Elevada estabilidad de las soluciones
precursoras (aos).Mayores velocidades de extraccin (>50
cm/min).Mayor versatilidad.
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MATERIALES PREPARADOS POR SOL-GEL
xidos metlicos:3 SiO2, TiO2, Al2O3, etc
Mezclas de xidos metlicos3 SiO2+TiO2, SiO2 +Al2O3
Cermets:3 SiO2(Me), TiO2(Me)
MATERIALES PREPARADOS POR DIP-COATING
xidos metlicos:3 Co, Cu, Al, Mn, Al, etc
Mezclas de xidos metlicosCermets:3 Al2O3(Pt), Al2O3(Au), TiO2(Au)
Metales:3 Pt, Au
Sulfuros metlicos3 PbS, CdS, CuS
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REFLECTOR DE PRIMERA SUPERFICIE DESARROLLADO EN EL CIEMAT
00.10.2
0.30.40.50.60.7
0.80.9
1
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500Longitud de onda (nm)
Ref
lect
anci
a es
pec
ula
r
Ag
Ag/SiO2
REFLECTOR DE PRIMERA SUPERFICIE DESARROLLADO EN EL CIEMAT
Excelente reflectancia especular: 0,96Moderada durabilidad ambiental:
extrapolacin a 20 aos implica unareflectancia de 0,90.Depositado sobre sustratos de vidrio, acero
inoxidable y aluminio.Elevado coste, dependiendo del sustrato
empleado.Reflector protegido por una patente de
invencin en la Unin Europea.
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ESTRUCTURA DEL ABSORBENTE TIPO CERMET
Acero inoxidable
Slice densaBarrera antidifusora
Reflector platino
Cermet Pt/Al2O3
Capa AR de slice
Cermet Pt/Al2O3
Acero inoxidable
Slice densaBarrera antidifusora
Reflector platino
Cermet Pt/Al2O3
Capa AR de slice
Cermet Pt/Al2O3
ABSORBENTE TIPO CERMET DESARROLLADO EN EL CIEMAT
0
10
20
30
40
50
60
70
80
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500Longitud de onda (nm)
Ref
lect
anci
a
50Pt
50Pt/20Pt
50Pt/20Pt/SiO2
24
ABSORBENTE TIPO CERMET DESARROLLADO EN EL CIEMAT
Excelentes propiedades pticas: =0.94 y (500)=0.14.
Durabilidad trmica superior a 500C sobre sustratode acero inoxidable y 450C sobre acero al carbono.
Elevado coste: 35-40 Euros por tubo 4 metros. Buen compromiso coste/fiabilidad. El coste de un
tubo completo es de 900 Euros. Absorbente protegido por una patente de invencin
en la Unin Europea.
ABSORBENTE TIPO ESPINELA DESARROLLADO EN EL CIEMAT
Excelentes propiedades pticas: =0,95-0,97, (500)=0,10-0,18.Durabilidad trmica superior a 500C sobre
sustrato de acero inoxidable y 450C sobreacero al carbono.Elevado coste: 30-35 Euros por tubo 4 metros.Buen compromiso coste/fiabilidad. El coste de
un tubo completo es de 900 Euros.Absorbente protegido por una patente de
invencin en la Unin Europea.
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ABSORBENTE TIPO ESPINELA DESARROLLADO EN EL CIEMAT
Sustrato acero 321
Capa protectora de slice
Barrera antidifusora
Reflector IR de platino
Barrera antidifusora
Capa de espinela
Capa AR de slice
ABSORBENTE TIPO ESPINELA DESARROLLADO EN EL CIEMAT
0102030405060708090
100
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
longitud de onda (nm)
Ref
lect
anci
a h
emis
fri
ca
Abs
Abs+AR
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COMPARATIVA DE ABSORBENTES SELECTIVOS
0102030405060708090
100
250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500
longitud de onda (nm)
Ref
lect
anci
a h
emis
fri
ca
Ciemat
Solel
SELECTIVIDAD ESPECTRAL A ALTA TEMPERATURA
Al aumentar la temperatura de trabajo de una planta solar, el espectro de emisin del absorbente y el del sol se solapan ms, disminuyendo la selectividad espectral.Se usan pinturas negras con una absorptancia
solar de 0,96 y una emisividad trmica > 0,90.El problema de preparar un absorbente
selectivo para alta temperatura es la difusin del reflector infrarrojo.
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CONSIDERACIONES ECONMICAS DE REFLECTORES SOLARES
Los reflectores convencionales de vidrio presentan buenas propiedades pticas, excelente durabilidad y el vidrio es barato. Elevado potencial de reduccin de precios.Los reflectores polimricos son ms caros que
los de vidrio y presentan problemas de durabilidad.Reflectores de primera superficie: excelentes
propiedades pticas, pero sustrato? durabilidad? precio?
CONSIDERACIONES ECONMICAS DE ABSORBENTES SELECTIVOS (I)
Coste del tubo de unos 600 y la reposicin de un tubo en las plantas SEGS de 1000$.Actualmente, todos los absorbentes selectivos
de baja y media temperatura se producen por pulverizacin catdica.Coste de una planta de pulverizacin catdica
para fabricacin de tubos: 600.000.Elevado coste del tubo metlico (AISI 321), del
vidrio borosilicato y la soldadura vidrio/metal.Coste del recubrimiento absorbente?
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CONSIDERACIONES ECONMICAS DE ABSORBENTES SELECTIVOS (II)
Absorbentes preparados por pulverizacin catdica: W, Mo, Al2O3. Coste moderado.Absorbentes preparados por dip-coating: 3 Reflector de Platino. Material caro3 Absorbente MnxCoyCuzOn..Coste bajo.
Precio estimado del absorbente formado por espinela sobre platino: 30-35.
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