Recubrimientos absorbentes solares: la clave para una captación solar térmica de alta eficiencia

Recubrimientos absorbentes solares: la clave para una captación eficiente de luz y calor

En la ola global de búsqueda de energía sostenible, la tecnología de aprovechamiento solar térmico, con su método directo y eficiente de conversión de energía, siempre ha ocupado un lugar indispensable. En el núcleo de esta tecnología se encuentra un elemento clave que determina el rendimiento de todo el sistema: el recubrimiento de absorción solar. Aunque está oculto dentro del colector, es el corazón de todo el proceso de conversión de energía. Cada pequeño avance en su rendimiento se traduce en una mejora significativa en la eficiencia del aprovechamiento solar térmico. Este artículo profundizará en el principio de funcionamiento de los recubrimientos de absorción solar, explorará exhaustivamente sus amplios escenarios de aplicación, analizará objetivamente su estado actual de desarrollo y anticipará sus prometedoras perspectivas de futuro.

Especificaciones y datos

1) La línea de soldadura láser desarrolló un pequeño baño de fusión, lo que significa una mayor resistencia de conexión entre el absorbedor y las tuberías ascendentes, el resultado es una promesa de mayor vida útil del absorbedor solar; 

2) La apariencia del colector solar sin línea de soldadura es más hermosa y se integra bien con el techo del edificio; 

3) No se destruye la superficie de la película de recubrimiento azul en el colector solar de placa plana; 

4) La distancia entre dos puntos de soldadura es de 3 mm, más puntos de soldadura generan una mayor transmisión al sistema.

1. Absorción selectiva espectral: "Tamiz de luz" inteligente

El absorbedor solar es un componente clave que transforma la energía de la radiación solar en energía térmica y la transfiere al agua. La elección del material, la estructura y el revestimiento superficial del núcleo absorbente influyen decisivamente en el rendimiento del calentador de agua. La placa de absorción de calor debe tener una cierta capacidad de carga, buena compatibilidad con el agua y un alto rendimiento térmico.

La radiación solar es una fuente de energía de amplio espectro, cuya energía principal se concentra en el rango de longitud de onda de 0,3 a 2,5 micrómetros (incluyendo rayos ultravioleta, luz visible y rayos infrarrojos cercanos). Cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto también pierde energía por radiación térmica, y su longitud de onda suele ser superior a 2,5 micrómetros (rayos infrarrojos medios y lejanos).

1. Principio de funcionamiento: la magia de la luz y el calor en el micromundo.

La misión de los recubrimientos de absorción solar parece sencilla: captar la radiación solar al máximo y convertirla en energía térmica, minimizando al máximo la pérdida de su propio calor. Sin embargo, lograr este objetivo requiere un ingenioso diseño fisicoquímico, cuyo núcleo reside en la selectividad espectral.

La pintura negra común absorbe la luz de todas las longitudes de onda por igual, pero al calentarse, también irradia calor hacia el exterior con la misma eficiencia. El recubrimiento de absorción selectiva espectral, por otro lado, es un "guardián inteligente" con dos caras completamente diferentes:

Alta tasa de absorción (α ≥ 0,94): Muestra una capacidad "devoradora" extremadamente fuerte de la banda de onda corta de la radiación solar (0,3-2,5 µm), reflejando la menor cantidad de luz solar posible.

Baja emisividad (ε ≤ 0,05): exhibe una capacidad de "supresión" extremadamente alta para la banda de onda larga (>2,5 µm) de su propia radiación térmica, evitando que el preciado calor se irradie en forma de rayos infrarrojos.

Esta característica de alta absorción y baja emisión permite que el recubrimiento se caliente rápidamente y conserve firmemente el calor. Su rendimiento se mide generalmente mediante la relación de eficiencia de conversión fototérmica (α/ε), y cuanto mayor sea esta relación, mayor será el rendimiento del recubrimiento.

2. Lograr enfoques técnicos selectivos

Esta propiedad mágica no es accidental sino que se consigue a través de los siguientes micromecanismos principales:

Absorción intrínseca: Las propiedades inherentes del material de recubrimiento determinan que solo absorba energía con intensidad en bandas específicas. Mediante una cuidadosa selección de materiales compuestos, como óxidos metálicos, nitruros o carburos, es posible lograr que sus bandas de absorción se superpongan con las principales regiones energéticas del espectro solar.

Efecto de interferencia: El recubrimiento está diseñado como una estructura de película multicapa (como una película compuesta de metal y dieléctrico), cada una con un espesor de tan solo nanómetros. Cuando la luz solar se refleja en diferentes interfaces, se producen interferencias constructivas e interferencias destructivas, lo que mejora la absorción en ondas cortas y la reflexión en ondas largas.

Textura de la superficie y dispersión: Al fabricar la superficie del recubrimiento en una estructura rugosa microscópica o nanopartículas, la luz incidente sufre múltiples reflexiones y se dispersa dentro de ella, siendo así absorbida por completo, como si estuviera atrapada en una "trampa de luz".

3. Proceso de preparación avanzado

Para conseguir estas microestructuras se adoptan principalmente las siguientes técnicas avanzadas de preparación:

Deposición física de vapor (PVD)/pulverización catódica con magnetrón: Este proceso consiste en bombardear con plasma, en un entorno de vacío, un objetivo metálico, provocando que sus átomos se depositen sobre el sustrato para formar una película densa y uniforme. Esta es la tecnología más avanzada para la fabricación de recubrimientos comerciales de alto rendimiento y larga duración, con alta pureza y fuerte adhesión.

Métodos electroquímicos (como el anodizado y la galvanoplastia): Se forma una película de conversión o capa de deposición sobre la superficie de un sustrato metálico (como aluminio o cobre) mediante reacciones químicas en el electrolito. El coste es relativamente bajo, pero su rendimiento suele ser inferior al de los recubrimientos PVD.

Método sol-gel: Un método químico húmedo que forma una película delgada mediante reacciones químicas en una solución. Tiene potencial en la preparación de recubrimientos con componentes y estructuras especiales, pero su estabilidad y durabilidad para aplicaciones a gran escala se siguen optimizando continuamente.

Ii. Escenarios de aplicación: Un vasto mundo más allá de los calentadores de agua

La aplicación de recubrimientos de absorción de energía solar ha trascendido desde hace mucho tiempo los calentadores de agua domésticos tradicionales y se ha extendido a diversos campos, desde el uso civil y comercial hasta el industrial.

1. Aplicaciones de baja temperatura (<100 °C): agua caliente sanitaria y calefacción de edificios.

Calentadores solares de agua domésticos: Ya sean colectores de tubos de vacío o colectores de placa plana, su núcleo es el cuerpo absorbente de calor recubierto con un revestimiento de absorción selectiva. Proporciona agua caliente sanitaria a bajo costo a millones de familias en todo el mundo.

Sistema Solar Integrado en Edificios (BIST): Los revestimientos se integran en fachadas de edificios, barandillas de balcones o techos, recolectando energía térmica y al mismo tiempo sirviendo como componentes del edificio para proporcionar energía para calefacción y agua caliente.

Calefacción de piscinas: Incluso los colectores sencillos descubiertos utilizan revestimientos absorbentes resistentes a la intemperie para elevar la temperatura del agua de la piscina.

2. Aplicaciones de temperatura media (100 °C - 400 °C): Energía térmica industrial y accionamiento

Calentamiento de procesos industriales: Este es un mercado con un enorme potencial de "océano azul". En industrias como el procesamiento de alimentos, la impresión y el teñido de textiles, la ingeniería química y la galvanoplastia, se requiere una gran cantidad de vapor o agua caliente a media y baja temperatura. Los campos termosolares basados ​​en recubrimientos de alto rendimiento pueden reemplazar los combustibles fósiles y suministrar energía directamente a estos procesos, logrando así la conservación de energía y la reducción de carbono.

Refrigeración solar: al utilizar el calor generado a partir de la recolección de calor solar para impulsar refrigeradores de absorción o adsorción, se logra el efecto de enfriamiento ecológico de "cuanto más fuerte el sol, más frío el aire acondicionado".

Desalinización de agua de mar: La tecnología de desalinización de agua de mar mediante energía solar térmica se basa en la energía térmica recogida por el revestimiento para evaporar el agua de mar y obtener agua dulce.

3. Aplicaciones de alta temperatura (>400 °C): Generación de energía solar concentrada y sistemas de energía avanzados.

Energía solar concentrada (CSP): En centrales de CSP, como las de tipo cilindroparabólico y las de torre, se aplican recubrimientos de absorción a los tubos o receptores de captación de calor. En condiciones de alta concentración de luz, deben soportar temperaturas de cientos o incluso miles de grados Celsius y transferir eficientemente el calor al fluido caloportador (como sales fundidas) para impulsar la turbina de vapor y generar energía. El recubrimiento es fundamental para que la central alcance una alta eficiencia de conversión fotoeléctrica.

III. Estado de desarrollo actual: las tecnologías maduras coexisten con una competencia feroz

Después de décadas de desarrollo, la industria de recubrimiento por absorción de energía solar ha formado un patrón con una clara jerarquía tecnológica y una feroz competencia en el mercado.

Madurez tecnológica y estratificación del mercado: Recubrimientos como la película azul y el cromo negro, producidos mediante pulverización catódica por magnetrón, se han convertido en configuraciones estándar para colectores de placa plana y tubos de vacío de gama media y alta. Esta tecnología está muy desarrollada y tiene una vida útil de hasta 15 a 20 años. El mercado ofrece simultáneamente recubrimientos electroquímicos y recubrimientos PVD rentables que buscan el máximo rendimiento.

Avances continuos en los cuellos de botella del rendimiento: el foco de la investigación y el desarrollo siempre ha estado en mejorar la relación α/ε y mejorar la estabilidad térmica (no degradarse a altas temperaturas) y la resistencia a la intemperie (la capacidad de resistir la erosión ambiental como la humedad y la niebla salina) del recubrimiento.

Fuerte competencia de la energía fotovoltaica: La caída abrupta del precio de los módulos fotovoltaicos ha generado una fuerte presión en el mercado de la energía solar térmica de media y baja temperatura. En escenarios donde solo se necesita agua caliente sanitaria de baja calidad, el modelo de "fotovoltaica + calefacción eléctrica" ​​supone un gran reto para el mercado solar térmico tradicional debido a su sencilla instalación y las ventajas de la inversión inicial.

La persistencia de la presión de los costos: la inversión en líneas de producción de recubrimiento PVD de alto rendimiento es enorme, lo que genera costos elevados y dificulta su promoción en mercados sensibles a los precios.

IV.Perspectivas de desarrollo: el futuro de la integración transfronteriza impulsada por la innovación

Frente a los desafíos, el futuro de los recubrimientos de absorción solar no es sombrío sino más bien repleto de oportunidades para abrir nuevos horizontes a través de tecnología de materiales de vanguardia e innovación de sistemas.

1. En busca del máximo rendimiento: nuevos materiales y estructuras de recubrimiento

Sistemas de película de gradiente multicapa y metamateriales: Mediante diseño asistido por computadora, se construyen sistemas de película multicapa más complejos para lograr una personalización precisa de la absorción espectral. Aprovechando conceptos emergentes como los cristales fotónicos y los metamateriales plasmónicos, se espera fabricar recubrimientos ideales con espectros de absorción extremadamente amplios y una emisividad extremadamente baja.

Avance en estabilidad a altas temperaturas: Se han desarrollado nuevos materiales de recubrimiento basados ​​en nitruros de metales de transición, carburos, etc., que les permiten permanecer estables durante un largo periodo de tiempo a temperaturas superiores a 400 °C y en el aire. Esto reducirá significativamente los costes de operación y mantenimiento de las centrales termoeléctricas y mejorará su eficiencia.

2. Recubrimientos inteligentes y adaptativos

Recubrimiento adaptativo espectral: Esta es una línea de vanguardia. Investigación sobre recubrimientos "inteligentes" que pueden ajustar automáticamente su emisividad según la temperatura ambiente. Mantienen una baja emisividad durante la captación de calor. Cuando la temperatura es demasiado alta y puede dañar el sistema, este puede cambiar a un estado de alta emisividad para mejorar la disipación de calor y desempeñar una función de autoprotección.

3. Papel central en los sistemas fotovoltaicos y solares térmicos (PV-T)

El sistema fotovoltaico (PV-T) puede generar electricidad y calor simultáneamente y es la estrella de la energía distribuida del futuro. En este sentido, el recubrimiento de absorción de alto rendimiento desempeña un papel crucial: como disipador de calor para la lámina posterior de las células fotovoltaicas, recoge eficientemente el calor residual generado por las células. Esto no solo enfría los módulos fotovoltaicos (mejorando su eficiencia energética y vida útil), sino que también genera energía térmica gratuita, maximizando así la eficiencia de utilización integral de la energía solar por unidad de superficie.

4. Fabricación inteligente y optimización de costes

Al mejorar la tasa de utilización de los objetivos de pulverización catódica, desarrollar la tecnología de recubrimiento continuo rollo a rollo y mejorar el nivel de automatización de las líneas de producción, el costo de producción de recubrimientos de alto rendimiento se puede reducir continuamente, haciéndolos competitivos en un mercado más amplio.

Conclusión

El recubrimiento absorbente solar, esta fina capa con un espesor medido en micrómetros, es un ejemplo perfecto de la integración de la ciencia de los materiales, la óptica y la termodinámica. Aunque se encuentra oculto dentro del colector, es el motor principal que impulsa el desarrollo de toda la industria de la energía solar térmica. En el contexto de la transformación de la estructura energética mundial hacia la neutralidad de carbono, los recubrimientos de absorción solar desempeñan un papel insustituible, ya sea proporcionando calor a las familias, inyectando energía a las industrias o, en última instancia, iluminando las ciudades mediante la generación de energía concentrada. Su continua evolución no solo está relacionada con la competitividad de la tecnología solar térmica en sí, sino también con la capacidad de capturar y utilizar la enorme energía de esta estrella de forma más eficiente y económica. En el futuro, con la continua aparición de nuevos materiales y nuevas estructuras, esta "llave" que abre la puerta a la energía solar térmica eficiente sin duda nos abrirá las puertas a un nuevo mundo energético más limpio y sostenible.