RECUBRIMIENTOS SELECTIVOS Y LA ENERGÍA RENOVABLE Una Opción para Conversión de Energía Solar a Energía Térmica

RECUBRIMIENTOS SELECTIVOS Y LA ENERGÍA

RENOVABLE

Una Opción para Conversión de Energía Solar a Energía Térmica

Coss-Gómez, J.J. Alvarado-Gil, O. Arés y G. Oskam

Departamento de Física Aplicada, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (CINVESTAV-IPN), Mérida, Yucatán 97310, México

Las fluctuaciones políticas en los años 70 causaron un incremento abrupto en los precios del petróleo lo cual tuvo como resultado una mayor conciencia en encontrar fuentes de energía alternas con características de ser limpias y renovables. Actualmente el crecimiento de una población y su desarrollo económico se mide con las reservas y eficiencias energéticas. La revolución tecnológica, resultado de la necesidad del hombre de buscar el confort en su vida diaria, ha derivado que los recursos naturales se agoten. La mala administración de estos recursos, ha incrementado las emisiones CO2 por agotamiento de las fuentes energéticas fósiles y, por tanto, origina el fenómeno de calentamiento global.

La obtención de energía y el agotamiento de sus fuentes, están clasificados en un concepto importante para su entendimiento; que la energía es renovable o no. La energía no renovable tiene la característica que la fuente se almacena de forma subterránea o terrestre por millones de años y que es un recurso agotable con el tiempo; por ejemplo el carbón, gas natural, petróleo y uranio; solo por mencionar algunos. A diferencia, la energía renovable tiene menos emisiones de carbono, es más respetuosa con el medio ambiente, no emite estos gases efecto invernadero, es básica para frenar el calentamiento global y el cambio climático, ofrece un potencial prácticamente ilimitado y su regeneración parece no tener fin. Dado que las fuentes de energía no renovable se van agotando con su consumo; las energías renovables constituyen una opción indispensable. Aquí entra en función la principal fuente de energía renovable, esta es la energía solar; fuente limpia, natural e inagotable utilizada para la obtención de energía térmica. La energía solar-térmica es utilizada desde la época de los Griegos y Romanos (siglo III a.C.); ellos idearon instrumentos capaces de absorber la radiación solar en unos recipientes con interior reflejante y de forma parabólica. Con estos recipientes alcanzaban altas temperaturas en el foco del espejo que eran capaces de prender en segundos, las antorchas en los rituales religiosos [1].

México está ubicado geográficamente en una de las áreas de buena radiación solar en el mundo, con una irradiación media anual de aproximadamente 5 kWh/m2 _{por día. México, por lo tanto, es uno de los países a nivel} mundial que presenta buenas condiciones para el aprovechamiento de este tipo de energía. En la actualidad, las técnicas para lograr la conversión de energía solar-térmica ha encontrado numerosas aplicaciones que van desde sistemas de baja a muy alta temperatura. La mayor eficiencia para la conversión de energía solar-térmica se logra gracias a la aplicación de recubrimientos selectivos solares sobre superficies metálicas altamente reflejantes. Pero, ¿qué es un recubrimiento selectivo solar? Son recubrimientos que absorben la mayor parte de la energía solar y aplicados en los colectores solares, permiten la conversión eficiente de luz solar a energía térmica. Los recubrimientos solares selectivos, idealmente, deben absorber toda la radiación solar entrante que corresponde a una alta absorbancia solar, sin embargo, esto se debe combinar con una baja emisión térmica en el infrarrojo cercano al medio tras el calentamiento del sustrato y del absorbedor selectivo solar (SSA). Un recubrimiento selectivo ideal absorbería completamente la luz de longitud de onda inferior a aproximadamente 2.5 μm y reflejaría completamente radiación con longitud de onda superior a 2.5 μm.

Figura 1. Espectros esquemáticos normalizados de la luz solar (área amarilla) y de la emisión térmica al calentar un material a 100 ºC (área naranja). La línea azul indica el comportamiento de un recubrimiento selectivo ideal.

En la Figura 1, la línea azul representa el comportamiento de un recubrimiento selectivo ideal. En el rango del espectro solar (0.3-2.5 µm) el material se caracteriza por una muy baja reflectancia, lo que indica una alta absortancia solar, es decir, que el recubrimiento absorbe casi toda la luz que incide sobre él. A diferencia, en el rango de 2.5-50 µm, el cual está relacionado con la radiación térmica emitida por una superficie en relación a la de un cuerpo negro, la reflectancia debe ser alta, que traduce en una muy baja emitancia térmica. En resumen, un recubrimiento ideal tendría una baja reflectancia en el rango solar y alta reflectancia en el rango infrarrojo (IR).

Los recubrimientos solares se aplican en calentadores de agua solares residenciales que funcionan a temperaturas inferiores a 100 ºC y en hornos solares donde la energía solar concentrada puede alcanzar temperaturas por encima de los 2000 ºC, solo por mencionar algunos. Existen varios métodos para fabricar un SSA para colectores solares a térmicos, como los recubrimientos de oxinitruro de titanio (TiNxOy) mediante la técnica PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) [2], recubrimiento SOLKOTE HI/SORB-II™ aplicado en spray, el depósito galvanostático de materiales como cromo negro, níquel negro (BN), cobalto negro (BC) entre otros; sobre metales reflectantes como: cobre (Cu), aluminio (Al) y acero inoxidable (SS). Actualmente se está estudiando la aplicación en spray del Vantablack S-VIS en colectores solares, este es el recubrimiento más oscuro creado por el hombre y desarrollado por Surrey NanoSystems que atrapa una cantidad masiva del 99.8% de la luz incidente [3]. Sin embargo, no reportan datos de la emitancia; que es importante para poder catalogarlo como un recubrimiento selectivo solar óptimo.

El estudio de las diferentes técnicas de depósito y tipos de películas, es diseñar recubrimientos para tubos, placas, aletas, tanques destinados a los fabricantes de plantas solares que garanticen una vida útil de entre 20 y 25 años y que permitan una mayor eficiencia en la generación de energía térmica a la temperatura deseada en la aplicación específica. Existen diferentes tipos de recubrimientos selectivos, como los cermets que se componen varias capas de materiales dieléctricos dopados con elementos metálicos, por ejemplo nanopartículas, que actúan como capas absorbentes de la radiación solar y una capa dieléctrica que actúa como estructura antirreflejante; los de estructura de multicapa, que proporciona las propiedades de absorbente de radiación solar, formada por capas metálicas y dieléctricas alternadas de espesor muy pequeño (inferior a 10 nm), que pueden ser homogéneos para las capas metálicas, por un lado, y dieléctricas, por otro, en toda la estructura, diferenciados en varias zonas o con espesores que varían gradualmente a lo largo de la estructura, y los de pintura tipo epoxy, hechas con cristales metálicos altamente absorbentes a la luz solar; solo por mencionar algunos.

El Centro de Investigaciones y de Estudios Avanzados (CINVESTAV-Mérida) desarrolla en el Laboratorio de Tecnología de Energía Termosolar, diferentes tipos de recubrimientos selectivos solares por depósito electroquímica y sputtering. Los depósitos electroquímicos tienen algunas ventajas importantes en comparación con los otros métodos, esto es; el bajo costo, depósitos a gran escala, el procesamiento a baja temperatura, el control directo del grosor de la película, entre otros, logrando en sus recubrimientos resistencia a las altas temperaturas, adherencia y bajo coeficiente de expansión térmica. El laboratorio trabaja con recubrimientos para aplicaciones de conversión de energía solar a térmica de baja a media temperatura en sustratos metálicos varios (placas 4 x 4 cm y escalamiento en aletas y tubos), incrementando la absortancia solar en el rango de la luz visible y disminuyendo la emisividad térmica en el infrarrojo. El método de sputtering es mejor para el depósito de capas muy delgadas y de elementos usados para aplicaciones de alta temperatura (> 500 ºC), y allí se busca también escalar los procesos para poder recubrir tubos de hasta 2 m de longitud. Los recubrimientos se caracterizan por microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (XRD) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los espectros de reflectancia total en el UV-visible e IR son medidos antes y después de un tratamiento térmico, para observar la variación de sus propiedades ópticas; lo que ha sugerido un desarrollo en la técnica de depósito y la estabilidad térmica de los recubrimientos selectivos. Las propiedades ópticas y térmicas de nuestros recubrimientos, se compararon con los medidos de una muestra comercial de procedencia alemana, la misma posee un recubrimiento de TiNxOy (oxinitruro de titanio). Según el catálogo del fabricante, esta muestra posee una absorptancia solar de 95% y una emitancia térmica de 4%.

Un recubrimiento selectivo basado en níquel negro es compatible con la técnica de electrodepósito, para el cual se reporta valores de absorptancia solar de 96% y emitancia térmica de 10% a 100 o_{C sobre acero inoxidable. Sus} propiedades ópticas son estables por largo periodos de operación en un rango de temperatura baja entre 60-250 o_{C. A} pesar que en trabajos previos se ha experimentado con níquel negro, las formulaciones existentes para el depósito electroquímico de éste material son basadas en reactivos de alto costo y con componentes que afectan la durabilidad del recubrimiento. Por eso estamos trabajando en obtener níquel negro, pero con una variación a las formulaciones de los baños de electrodepósito y sobre sustratos con distintas geometrías. Estamos estudiando sus propiedades ópticas y como los parámetros de síntesis afectan estas [4]. También se trabaja en un recubrimiento selectivo de níquel negro con capa inferior de níquel brillante y electrodepositado sobre cobre. Estos recubrimientos selectivos tiene valores de absortancia solar de 92% y emitancia térmica de 9% a 100 o_{C. La estabilidad de los recubrimientos} selectivos sobre cobre se evaluó después de un tratamiento térmico en aire de 12 horas a 200 o_{C, mostrando que para} tener un recubrimiento estable, la intercapa de níquel metálico es indispensable [5].

Figura 2. Diseño de recubrimiento multicapa bajo investigación en el Laboratorio de Tecnología de Energía Termosolar de CINVESTAV-Mérida.

Actualmente el Laboratorio de Tecnología de Energía Termosolar está desarrollando estudios de electrodepósito de recubrimientos selectivos basados en cobalto negro en una película metálica de níquel sobre sustratos de cobre y acero inoxidable. Los esfuerzos en el desarrollo de materiales con buena estabilidad térmica han demostrado que el cobalto negro tiene excelentes propiedades ópticas y una estabilidad térmica significativa a temperaturas inferiores a 400 °C en el aire sin una degradación óptica considerable. Las mediciones de reflectancia total reportan que las películas con las propiedades ópticas óptimas, equilibradas se lograron por electrodepósito durante sólo 30 s para ambos sustratos, presentando una baja reflectancia visible (absorptancia: sobre cobre 94±2% y sobre acero inoxidable 96±2%) y alta reflectancia infrarroja (emitancia térmica: sobre cobre y acero inoxidable 7±1%), que son características excelentes de los recubrimientos selectivos. Esto sugiere que para las películas delgadas de cobalto negro la emitancia se determina por el níquel brillante de la capa inferior, sin embargo, para películas más gruesas (120 s), la emitancia está dominado por una alta emisividad de la película de cobalto negro, resultando en un poco desempeño. Los resultados anteriores ilustran la necesidad de mantener un equilibrio entre la absorptancia solar y la emitancia térmica, que puede ser controlado por el tiempo de electrodepósito, relacionada con el espesor de la película de cobalto negro. Se obtuvieron recubrimientos de buena adherencia a los sustratos. Los ensayos de envejecimiento térmico mostraron excelentes propiedades ópticas [5].

Figura 3. Escalamiento de recubrimientos selectivos solares de níquel negro y cobalto negro en tubos y lámina.

Los recubrimientos evaluados anteriormente por el CINVESTAV-Unidad Mérida serán estudiados en un proyecto a futuro con el Instituto de Energías Renovables (IER-UNAM) para colectores solares de tipo CPC y aletas. El objetivo de esta colaboración entre ambas instituciones es la innovación, crecimiento tecnológico y sustentabilidad energética en México.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a CONACyT, SENER y el IER-UNAM por el financiamiento a través del Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CeMIE-Sol), Proyecto P-18: "Materiales selectivos y reflejantes para sistemas de conversión de energía solar en energía térmica". De igual forma al Programa de Movilidad de la Red de Energía Solar por el financiamiento otorgado para la realización de la estancia corta en el Instituto de Energías Renovables (UNAM).

Referencias

[1] Oviedo-Salazar, J.L., M.H. Badii, A. Guillen y O. Lugo Serrato, Daena: International Journal of GoodConscience. 10(1), 1-18 (2015). ISSN 1870-557X.

[2] C. Lasorsa, N. Di Lalla, P. Perillo, P. Morando y R. Versaci, Congreso: 8vo Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales, CONAMET /SAM 2008, Santiago de Chile.

[3] Vantablack S-VIS el recubrimiento más oscuro creado por el hombre ahora en spray. Página Web: http://www.sapiensa.org/tecnologia/vantablack-s-vis-recubrimiento-oscuro-creado-hombre-ahora-en-spray/. Publicado: 30 marzo, 2016.

[4] F.I. Lizama-Tzec, J.D. Macías, M.A. Estrella-Gutiérrez, A.C. Cahue-López, O. Arés, R. de Coss, J.J. Alvarado-Gil y G. Oskam, J Mater Sci: Mater Electron, 26, 5553-5561 (2015).

[5] M.A. Estrella-Gutiérrez, F.I. Lizama-Tzec, O. Arés-Muzio y G. Oskam, Electrochimica Acta, 213, 460-468 (2016).