Estimación del tiempo de vida útil de materiales para reflectores solares.
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| Published: |
2022
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| Online Access: | http://hdl.handle.net/10835/14098 |
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| author | Buendia Martinez, Francisco |
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| institution | Universidad de Cuenca |
| language | Spanish / Castilian |
| publishDate | 2022 |
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| spelling | oai:repositorio.ual.es:10835-140982023-05-29T08:35:01Z Estimación del tiempo de vida útil de materiales para reflectores solares. Lifetime estimation of materials for solar reflectors. Buendia Martinez, Francisco Fernández García, Aránzazu ENERGÍA SOLAR PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES REFLECTORES SOLARES PREDICCIÓN DE TIEMPO DE VIDA 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. Doctorado en Ciencias Aplicadas al Medio Ambiente (RD99/11) (8904) 2022-11-28T07:31:46Z 2022-11-28T07:31:46Z 2022-11-28 2022-12-20 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis http://hdl.handle.net/10835/14098 es info:eu-repo/semantics/openAccess |
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