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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

4

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 ()

6

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

9

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.