Efecto de la radiación solar concentrada en el envejecimiento a tiempos largos de receptores solares de alta concentración.
- Autores: Eneko Setién Solas
- Directores de la Tesis: María J. Ariza (dir. tes.), Mónica Álvarez de Lara Sánchez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Almería ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Effect of concentrated solar radiation in long term aging of solar receivers
- Tribunal Calificador de la Tesis: Eduardo Zarza Moya (presid.), Manuel Pérez García (secret.), Marta Serrano Garcia (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente por la Universidad de Almería
- Materias:
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- Resumen
Urge encontrar una solución a la amenaza de la irreversibilidad del calentamiento global producido por el abuso de las energías no renovables. En este sentido los sistemas solares de foco central se presentan como parte de la solución para la generación de energía limpia. Su gran eficiencia térmica, junto con su capacidad para gestionar la producción de energía, la convierten en una de las opciones más atractivas.
Esta tecnología está basada en la concentración de la energía solar en un receptor donde se alcanzan altísimas temperaturas con las que se puede generar electricidad. Las condiciones extremas a las que tiene que operar los receptores, junto con los fallos prematuros reportados en los proyectos de investigación, hacen que tengan asociado un elevado riesgo tecnológico, lo que los convierte en uno de los elementos más críticos de este tipo de plantas. Por tanto, para que esta tecnología se implante de forma masiva es necesario disminuir la incertidumbre existente sobre la durabilidad del receptor.
Los receptores tienen que soportar durante toda la vida útil de la planta un número elevadísimo de arranques y paradas, debido a la intermitencia de la radiación solar, altos flujos de radiación y altas temperaturas. Es conocido que la alta temperatura y el ciclado térmico provocan el envejecimiento de estas aleaciones, es decir, su composición química y microestructura se modifican, afectando al comportamiento mecánico y óptico del receptor, pero poco se sabe sobre el efecto a largo plazo que la radiación solar concentrada pueda tener en los mecanismos de degradación.
Esta tesis surge, por tanto, de la necesidad de estudiar el envejecimiento a largo plazo de los materiales que se utilizan en los receptores solares y de la falta de información disponible sobre el efecto de la radiación solar concentrada en éste.
Entre los distintos tipos de receptores solares existentes se ha optado por estudiar los receptores de tubos, por ser los únicos que están siendo usados hoy día a escala comercial. Estos receptores están típicamente fabricados en costosas superaleaciones de níquel, como la aleación 625, y recubiertos con pintura absorbente, típicamente Pyromark 2500. Una de las degradaciones más comunes de este tipo de receptores es el desprendimiento de la pintura absorbente, dejando al material metálico expuesto a la radiación solar concentrada y al medio oxidante. Para conocer la degradación de las áreas sin recubrimiento se han ensayado muestras de receptor con y sin recubrimiento.
El estudio del efecto de la radiación solar en el envejecimiento de los receptores se ha abordado realizando ensayos de envejecimiento de receptores con radiación solar concentrada y sin ella, de modo que la comparación de las muestras envejecidas con los dos tipos de envejecimientos permita discernir el efecto de cada uno de las variables; radiación solar concentrada, temperatura y ciclado.
Por un lado, los ensayos de envejecimiento realizados sin radiación solar concentrada se han diseñado para evaluar el efecto de la temperatura y del ciclado térmico en el envejecimiento, variando la duración del ciclo y la velocidad de las rampas de calentamiento y enfriamiento de los ciclos. Por otro lado, los ensayos de envejecimiento realizados con radiación solar concentrada combinan, como no puede ser de otra forma, radiación solar concentrada, temperatura y ciclado. La realización de estos últimos ensayos ha requerido que previamente se diseñe, construya y caracterice una instalación para exponer los materiales del receptor a altos flujos de radiación solar. Además de las muestras ensayadas en esta instalación durante el transcurso de esta tesis, también se ha realizado el estudio post-mortem de uno de los pocos receptores en del mundo con más de 1000 horas en operación en condiciones reales.
Otro de los objetivos de esta tesis ha sido alcanzar tiempos de envejecimiento muy largos. Dentro de las limitaciones temporales que tiene el desarrollo de una tesis doctoral, se han realizado ensayos de incluso de 10000 horas de duración. Con radiación solar concentrada se alcanzarán las 500 horas, tiempos también muy largos si los comparamos con la bibliografía disponible.
El envejecimiento de los materiales del receptor en forma de tubos se ha evaluado a partir del estudio de la microestructura en el núcleo de la aleación y en la zona cercana a la superficie externa de los tubos, donde se encuentra el recubrimiento absorbente y se desarrolla la oxidación. La oxidación de la superficie se ha seguido mediante el estudio de las cinéticas de oxidación y las propiedades ópticas y mecánicas se han analizado mediante medidas de reflectancia y dureza respectivamente.
Los resultados han revelado numerosos y complejos mecanismos de degradación, hasta ahora no reportados en la bibliografía. Al contrario de lo que esperábamos, la pintura absorbente no protege al metal de la oxidación a alta temperatura pero sí retarda la rotura de los óxidos formados y su posterior pérdida, incluso en condiciones cíclicas.
Una vez desprendida la pintura, se forman óxidos con buena absortancia (aunque siempre menor que la de la pintura) pero que se desprenden más fácilmente, dando paso a la re-oxidación de la superficie de forma reiterada, pérdida de material cerca de la superficie y desarrollo de poros y grietas que penetran en el material. La oxidación y re-oxidación de la superficie modifican la microestructura cercana a la superficie otorgándole una mayor dureza que en el núcleo de la aleación. Por su parte, el núcleo de la aleación se endurece con el tiempo trascurrido a alta temperatura y con el ciclado térmico cuando no se utiliza la RSC hasta tiempos del orden de 10000 y 5000 horas respectivamente.
Respecto al envejecimiento con RSC, hemos visto que los gradientes de RSC en la superficie de los tubos, que se traducen en gradientes de temperatura y tensiones tanto longitudinales como circunferenciales, generan una compleja distribución de microestructuras en el tubo que modifican sus propiedades mecánicas y en las regiones altamente irradiadas se ha llegado a observar de forma prematura síntomas de fluencia. No obstante, esta mayor degradación interna no afecta de forma significativa a las propiedades ópticas de la superficie externa del tubo. Además se ha demostrado que la RSC acelera la oxidación de la aleación 625 hasta 10 veces, lo que se traduce en una mayor degradación de la zona del tubo más cercana a la superficie externa.
Estos resultados demuestran que la degradación del material de los tubos de los receptores solares es muy compleja con RSC, lo que tendrá un efecto negativo en la durabilidad de los receptores. Las complejas condiciones a las que están expuestos los receptores tubulares se traducen en complicados niveles de envejecimiento de la aleación que no se pueden simplificar con ensayos de laboratorio sin RSC.
