Estimación del tiempo de vida útil de materiales para reflectores solares
- Autores: Juan Francisco Buendía Martínez
- Directores de la Tesis: Aránzazu Fernández García (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Número de páginas: 174
- Títulos paralelos:
- Lifetime estimation of materials for solar reflectors
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (presid.), Francisco Manzano Agugliaro (secret.), Marc Röger (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: riUAL
- Resumen
- español
Debido a la escasez del petróleo y al aumento de gases de efecto invernadero provocado por la generación de energía mediante fuentes tradicionales, las energías renovables cada vez están copando una mayor cuota en el mercado eléctrico. En lo que respecta a la energía termosolar de concentración (en inglés “concentrating solar termal” CST), su uso es indispensable en la transición del sistema eléctrico hacia fuentes de energía menos nocivas gracias a su facilidad para almacenar la energía en forma de calor y su versatilidad para suministrarla cuando el mercado eléctrico lo requiere.
Uno de los principales componentes que se necesitan para la construcción de una planta CST son los reflectores solares y la viabilidad de dicha planta depende en gran medida de su rendimiento óptico. Los reflectores deben de mantener sus propiedades ópticas durante toda la vida de la planta solar ya que un fallo provocaría una pérdida de rendimiento que tendría consecuencias desastrosas. Normalmente, se utilizan reflectores cuyo material reflectante está formado por una delgada capa de plata que está protegida por la parte frontal mediante un vidrio solar y por la parte posterior por diversas capas de pintura que evitan que penetren los agentes atmosféricos. Sin embargo, en algunos lugares, estas protecciones no son suficientes. Además, en ciertas tecnologías CST, se utilizan reflectores secundarios para disminuir la cantidad de radiación dispersa que proviene del reflector primario y que no alcanza el receptor solar. El uso de este tipo de componentes es muy habitual en tecnologías tipo Fresnel donde las temperaturas son inferiores a 150ºC. No obstante, para tecnologías CST donde se consiguen concentraciones de radiación superiores y se alcanzan temperaturas de operación por encima de los 500ºC, es un reto el uso de estos componentes ya que están sometidos a condiciones de estrés muy elevadas. Actualmente, no existen reflectores secundarios comerciales para tecnologías de alta concentración ya que se degradan con gran facilidad. Por lo tanto, es necesario estudiar, cuantificar y modelar la degradación de los reflectores (tanto primarios como secundarios) durante su vida útil para determinar la viabilidad de una planta solar. En esta tesis doctoral se han realizado aportaciones tanto en la metodología de caracterización de la degradación como en los protocolos de estudio del tiempo de vida útil de los materiales reflectores.
La medida correcta de la degradación de los reflectores es vital para determinar su rendimiento óptico y, por consiguiente, el de la planta solar. Para ello, en esta tesis se cuantificó la incertidumbre expandida de los dos instrumentos de medida óptica más utilizados para caracterizar los reflectores: el reflectómetro y el espectrofotómetro. Se llevaron a cabo diversos estudios para identificar los principales parámetros que podrían afectar a las medidas tomadas con dichos instrumentos, como son: la temperatura, la experiencia del operador, el patrón de referencia utilizado, la velocidad de medida, la luz ambiental… Con todo ello, se calculó la incertidumbre expandida de los dos equipos y se expusieron varias recomendaciones para disminuir la incertidumbre de las medidas. En este mismo sentido, se denotó que los actuales protocolos existentes para reflectores solares (UNE 206016:2018 y Guideline SolarPACES “Parameters and Method to Evaluate Reflectance Properties of Reflector Materials for Concentrating Solar Power Technology”) solo son adecuados cuando los reflectores no muestran degradación. En el supuesto caso de que el reflector sufra cualquier tipo de corrosión, estos protocolos no son válidos ya que no tienen en cuenta las zonas afectadas por la corrosión. Por dicho motivo, se diseñó un nuevo protocolo de medida que es capaz de cuantificar dicho parámetro. Para ello, se analizaron imágenes del reflector y se obtuvo el porcentaje de área corroída del mismo mediante tratamiento de imágenes. Además, se identificaron dos mecanismos de degradación totalmente diferentes que pueden originar la corrosión de la capa de plata en reflectores primarios.
En cuanto a predicción de tiempo de vida, en primer lugar se trabajó con reflectores primarios. Para identificar la degradación de los reflectores primarios, se expusieron varias muestras de reflectores comerciales y prototipos de bajo coste en 10 emplazamientos de gran interés para la energía CST con el objetivo de identificar los principales mecanismos de degradación en función del tipo de clima y estimar la durabilidad de los reflectores mediante ensayos de envejecimiento acelerado. Se desarrolló un modelo matemático para correlacionar los resultados obtenidos en intemperie durante 3 años y los conseguidos mediante ensayos de envejecimiento acelerado, basados principalmente en ensayos de CASS y niebla salina para reproducir corrosión y ensayos UV con lámpara fluorescente para simular la degradación provocada por este tipo de radiación. Por último, se obtuvieron los factores de aceleración entre intemperie y los ensayos en cámara y se determinó la durabilidad de los diferentes reflectores solares para cada tipo de clima.
De igual manera, se desarrolló un protocolo para estudiar la degradación de los reflectores secundarios, que están expuestos a altas concentraciones de radiación y, por consiguiente, temperatura. En primer lugar, se establecieron las diferentes condiciones a las que está sometido un reflector secundario durante una jornada de operación. Se discernieron 3 etapas claramente diferenciadas: en condiciones de operación donde la radiación incide directamente en el secundario y las temperaturas son extremadamente altas durante un largo periodo de tiempo, choques térmicos que se producen durante la puesta en marcha, apagado de la planta solar y cuando existen transitorios que bloquean la radiación y, por último, durante la noche donde el reflector secundario se encuentra en condiciones ambientales (en ocasiones dañinas por combinación de temperatura y humedad). Con estas 3 etapas bien diferenciadas, se desarrolló un protocolo para reproducir los mecanismos observados mediante ensayos de envejecimiento acelerado y estimar la durabilidad del reflector secundario. Este protocolo fue validado mediante un ensayo realizado en un horno solar donde se reproducen perfectamente las condiciones reales de operación.
- English
Due to the scarcity of oil and the increase in greenhouse gas emissions caused by traditional energy generation, renewable energies are taking an increasing share of the electricity market. TSC energy is indispensable in the transition of the electricity system to less harmful energy sources due to its ability to store thermal energy and its versatility in supplying it when the electricity market requires it.
One of the main components needed for the construction of a TSC plant are the solar reflectors and the viability of such a plant essentially depends on their optical performance. Reflectors must maintain their optical properties throughout the life of the solar plant, since a failure would result in a loss of performance with disastrous consequences. Normally, the reflectors used consist of a thin layer of silver as reflective material which is protected on the front side by solar glass and on the back side by a cupper layer and several paint layers which prevent the penetration of atmospheric agents. However, in some places, these protections are insufficient. In addition, in some TSC technologies secondary reflectors are used to reduce the amount of scattered radiation from the primary reflectorsthat does not reach the solar receiver. The use of such components is very common in lineal Fresnel reflector technologies where temperatures are below 150 °C. Nevertheless, for TSC technologies, where higher radiation concentrations are achieved and operating temperatures above 500 °C are reached, the usage of these components is a challenge as they are subjected to very high stress conditions. Currently, there are no commercially available secondary reflectors for high concentration technologies as they degrade very easily. Therefore, it is necessary to study, quantify and model the degradation of reflectors (both primary and secondary) during their lifetime to determine the feasibility of a solar plant. In this doctoral thesis, contributions are made to both the degradation characterisation methodology and the protocols for studying the lifetime of reflector materials.
An accurate measurement of the reflector’s degradation is vital to determine their optical performance and, consequently, that of the solar plant. To this end, the expanded uncertainty of the two optical measuring instruments most commonly used to characterise reflectors, the reflectometer and the spectrophotometer, have been quantified in this thesis. Several studies were carried out to identify the main parameters that could affect the measurements taken with these instruments, such as temperature, operator experience, the reference standard used, measurement speed, ambient light, etc. With all this, the expanded uncertainty of the two instruments was calculated and several recommendations were made to increase the measurements accuracy. In the same vein, it was indicated that the current existing protocols for solar reflectors (the UNE 206016:2018 standard and the SolarPACES Guideline "Parameters and Method to Evaluate Reflectance Properties of Reflector Materials for Concentrating Solar Power Technology under Laboratory Conditions") are only adequate when the reflectors are not degraded. If the reflector suffers from any kind of corrosion, these protocols are not valid as they do not take into account the areas affected by corrosion. For this reason, a new measuring protocol was designed that is capable of quantifying this parameter. Thus, images of the reflector were analysed and the percentage of corroded area of the reflector was obtained by image processing. In addition, two completely different degradation mechanisms that can cause the corrosion of the silver layer in primary reflectors were identified.
In terms of lifetime prediction, several studies were firstly performed with primary reflectors. A number of commercial reflector samples and low-cost prototypes were exposed in ten sites of high interest for TSC energy in order to identify the main degradation mechanisms depending on the climate type and to estimate the durability of the reflectors through accelerated ageing tests. A mathematical model was developed to correlate the results obtained outdoors for three years and those obtained by accelerated ageing tests, based mainly on salt spray tests to reproduce corrosion and UV tests with fluorescent lamps to simulate the degradation caused by this type of radiation. Finally, the acceleration factors between outdoor weathering and chamber tests were obtained and the durability of the different solar reflectors for each type of climate was determined.
Likewise, a protocol was developed to study the degradation of secondary reflectors, which are exposed to high concentrations of radiation and, consequently, high temperatures. Firstly, the different conditions to which a secondary reflector is subjected during a day's operation were established. Three clearly differentiated stages were discerned: operating conditions where the radiation directly affects the secondary and the temperatures are extremely high for a long period of time; thermal shocks that occur during start-up and shut-down of the solar plant and when there are transients that block the radiation; and during the night where the secondary reflector is in ambient conditions (sometimes harmful due to a combination of high temperature and humidity). With these three stages, a protocol was developed in order to reproduce the mechanisms observed by accelerated ageing tests and to estimate the durability of the secondary reflector. This protocol was validated by means of a test performed in a solar furnace where the real operating conditions are perfectly reproduced.
- español
