Recubrimientos de absorción solar altamente selectivos: una tecnología clave para avances en la eficiencia de la conversión fototérmica. Introducción.

En el campo del aprovechamiento de la energía solar térmica, el rendimiento del recubrimiento de absorción determina directamente la eficiencia de conversión energética de todo el sistema. Como material fundamental de la tecnología solar térmica, los recubrimientos de absorción solar altamente selectivos logran una eficiente absorción de la radiación solar y una supresión eficaz de la radiación térmica gracias a sus propiedades ópticas únicas, lo que los convierte en un factor clave para mejorar el rendimiento de los colectores solares. Este artículo profundizará en los principios técnicos, las características de rendimiento, los procesos de preparación y las perspectivas de aplicación de los recubrimientos de absorción solar altamente selectivos, proporcionando una completa referencia técnica para profesionales del sector y usuarios finales.

I. Principios y características técnicas

Los recubrimientos de absorción solar altamente selectivos son materiales funcionales con propiedades ópticas especiales. Su principio fundamental es lograr una alta tasa de absorción en la banda de radiación solar (0,3-2,5 μm) y mantener una baja emisividad en la banda de radiación térmica (2,5-25 μm). Esta característica de absorción selectiva se logra mediante el diseño preciso de una estructura de película multicapa, que generalmente consta de componentes como una capa reflectante, una capa de absorción, una capa antirreflectante y una capa protectora.

Características de rendimiento óptico

La tasa de absorción (α) de los recubrimientos de absorción de alta selectividad y alta calidad puede alcanzar entre 0,95 y 0,98, la emisividad (ε) puede ser tan baja como 0,04-0,08 y la relación de rendimiento óptico (α/ε) puede superar 12. Bajo el espectro solar estándar AM1.5, su eficiencia de conversión fototérmica supera el 92 %, lo que supone un 20-30 % superior a la de los recubrimientos convencionales. Las características selectivas del recubrimiento le permiten absorber la máxima cantidad de energía solar a la vez que minimizan la pérdida de radiación térmica.

Rendimiento de estabilidad térmica

Tras 2000 horas de pruebas de envejecimiento a alta temperatura a 350 °C, la tasa de degradación del rendimiento fue inferior al 3 %. Tras 3000 horas de pruebas en un entorno húmedo y caluroso de 85 °C y una humedad relativa del 85 %, el recubrimiento no mostró desprendimiento ni decoloración, lo que demuestra una excelente adaptabilidad ambiental. La resistencia a la niebla salina alcanza las 1500 horas sin corrosión, lo que lo hace apto para diversas condiciones climáticas.

Ii. Proceso de preparación y progreso tecnológico

Tecnología de pulverización catódica por magnetrón

El proceso de preparación más avanzado actualmente es la tecnología de pulverización catódica por magnetrón. Mediante el control preciso de los parámetros de pulverización catódica en un entorno de alto vacío, se logra la deposición de películas con precisión nanométrica. Este proceso permite preparar estructuras de película multicapa con espesor uniforme y composición precisa, garantizando la consistencia y repetibilidad del rendimiento del recubrimiento. La moderna línea de producción adopta un sistema de control totalmente automático, con una precisión de control del espesor de película de ±0,5 nm.

Tecnología de deposición electroquímica

En algunos escenarios de aplicación, la deposición electroquímica sigue siendo un método de preparación importante. Optimizando la fórmula del electrolito y los parámetros de deposición, se pueden obtener recubrimientos de absorción selectiva con un excelente rendimiento. Este método tiene un costo relativamente bajo y es adecuado para la producción a gran escala, pero es inferior a la pulverización catódica con magnetrón en cuanto a precisión y consistencia del control.

método sol-gel

La tecnología emergente de preparación sol-gel se encuentra en rápido desarrollo. Este método permite preparar recubrimientos de absorción selectiva con nanoestructuras a temperaturas relativamente bajas. Es especialmente adecuado para sustratos flexibles y sustratos con formas especiales, lo que ofrece nuevas posibilidades para aplicaciones de recubrimiento.

iii. Análisis de ventajas de rendimiento

Excelente eficiencia de conversión fototérmica

En comparación con los recubrimientos tradicionales, la eficiencia térmica de los recubrimientos de absorción altamente selectivos aumenta en más de un 25 %. En las mismas condiciones de iluminación, la temperatura del agua de salida del colector con este recubrimiento aumenta entre 10 y 15 °C, y la ganancia térmica del sistema se incrementa en más de un 30 %. Especialmente en aplicaciones de temperatura media y alta, sus ventajas de rendimiento son aún más evidentes.

Durabilidad duradera

Las pruebas de envejecimiento acelerado muestran que la vida útil de los recubrimientos de absorción altamente selectivos puede superar los 30 años. En condiciones reales de uso, tras 15 años de pruebas de exposición al aire libre, la tasa de absorción del recubrimiento solo disminuyó un 2,5 %, la emisividad aumentó un 0,9 % y la tasa de degradación del rendimiento fue muy inferior a los requisitos estándar de la industria.

Amplia adaptabilidad de aplicaciones

Este recubrimiento se puede aplicar a diversos sustratos, incluyendo materiales metálicos como cobre, aluminio y acero inoxidable, así como ciertos materiales flexibles. Ajustando los parámetros del proceso de preparación, se pueden satisfacer los requisitos específicos de cada aplicación y lograr una producción personalizada.

Iv. Campos de aplicación y análisis de casos

Aplicación de colectores de placa plana

En el campo de los colectores planos, los recubrimientos de absorción altamente selectivos se han convertido en la configuración estándar para productos de alta gama. Tras la adopción de este recubrimiento por una reconocida marca de colectores planos, la eficiencia instantánea se incrementó al 85 %, un 15 % superior a la de los productos convencionales. La temperatura de salida del producto puede superar los 100 °C, satisfaciendo así las necesidades de calefacción industrial.

Aplicación de colectores de tubos de vacío

En los colectores de tubos de vacío, se aplica un recubrimiento de absorción altamente selectivo a la superficie exterior de los tubos, lo que mejora significativamente la eficiencia de captación de calor. El colector de tubos de vacío con este recubrimiento, utilizado en un proyecto, alcanzó una eficiencia del sistema del 70 %, un 18 % superior a la de los productos tradicionales, y el periodo de amortización se redujo a 3,5 años.

Generación de energía termosolar por concentración

En el campo de la CSP, los recubrimientos de absorción altamente selectivos son la tecnología clave para lograr la generación de energía a alta temperatura. Una central termosolar utiliza absorbedores de calor con este recubrimiento, alcanzando una temperatura de trabajo superior a 400 °C, lo que aumenta la eficiencia de generación de energía en un 25 % y reduce el coste por kilovatio-hora en un 30 %.

Aplicación de construcción integrada

En los sistemas BIPV/T, se utilizan recubrimientos de absorción altamente selectivos para mejorar la eficiencia de la absorción de calor, a la vez que se garantizan los requisitos estéticos arquitectónicos mediante un diseño optimizado. Los datos de un proyecto de demostración muestran que el sistema que utiliza este recubrimiento tiene una eficiencia general del 78 %, un 22 % superior a la del sistema convencional.

V. Tendencias del desarrollo tecnológico

Dirección de innovación de materiales.

Los investigadores están desarrollando nuevos tipos de nanocompuestos, como nanotubos de carbono, grafeno y otros nuevos materiales de carbono, así como materiales nanoestructurados de óxido metálico. Se espera que estos nuevos materiales aumenten la tasa de absorción por encima de 0,98 y reduzcan la emisividad por debajo de 0,03.

Optimización del diseño estructural

El diseño de sistemas de películas multicapa está evolucionando hacia un mayor número de capas y un control de espesor más preciso. Se logra una mejor selectividad espectral mediante el diseño de optimización óptica computacional. Se están explorando y aplicando nuevos conceptos, como la estructura del índice de refracción en gradiente y la estructura cristalina fotónica.

Innovación en el proceso de preparación.

Nuevos procesos, como la tecnología de preparación a baja temperatura y la tecnología de producción continua rollo a rollo, se están desarrollando rápidamente. Estos procesos pueden reducir los costos de producción, mejorar la eficiencia y minimizar el impacto ambiental. Tecnologías de vanguardia como la deposición de capas atómicas (ALD) también se han comenzado a aplicar en la preparación de recubrimientos de absorción selectiva.

Desarrollo inteligente

Los recubrimientos inteligentes de respuesta constituyen una importante línea de desarrollo para el futuro. Estos recubrimientos pueden ajustar automáticamente sus características de radiación en función de la temperatura ambiente. Se están estudiando nuevos materiales funcionales, como los de cambio de fase y los termocrómicos, para la preparación de recubrimientos inteligentes de absorción selectiva.

Vi. Normas de calidad y métodos de prueba

Sistema de estándares internacionales

Las pruebas y la evaluación del rendimiento de los recubrimientos de absorción solar altamente selectivos han conformado un sistema completo de normas internacionales. Este incluye principalmente las normas ISO 22975 y EN 12975, entre otras. Estas normas estipulan los métodos de prueba y los requisitos para el rendimiento óptico, la durabilidad, la adaptabilidad ambiental y otros indicadores de los recubrimientos.

Método de prueba de rendimiento

Las pruebas de velocidad de absorción suelen emplear un espectrofotómetro con esfera integradora, mientras que las pruebas de emisividad emplean un espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier. Las pruebas de durabilidad incluyen una serie de pruebas de envejecimiento acelerado, como las de alta temperatura, calor húmedo, niebla salina y ultravioleta.

Sistema de certificación de calidad

La certificación Solar Keymark es una certificación de calidad reconocida mundialmente para productos solares. Los productos que la han superado demuestran que su rendimiento y calidad han alcanzado un nivel avanzado internacional. Además, cada país cuenta con su propio sistema de certificación, como la Certificación Golden Sun de China y la certificación SRCC de Estados Unidos.

Vii. Análisis de beneficios económicos

Análisis de composición de costos

Los costos de producción de recubrimientos de absorción altamente selectivos incluyen principalmente costos de materiales, depreciación de equipos, consumo de energía y costos de mano de obra, etc. Entre ellos, la inversión en equipos de pulverización catódica por magnetrón representa más del 40% del costo total, el consumo de materiales objetivo representa alrededor del 30% y el consumo de energía representa el 15%.

Análisis del retorno de la inversión.

Aunque la inversión inicial es entre un 50 % y un 80 % superior a la de los recubrimientos convencionales, gracias a su mayor eficiencia y vida útil, el periodo de amortización se acorta de 2 a 4 años. A lo largo de su ciclo de vida, puede generar más de un 35 % más de energía térmica y aumentar los beneficios económicos globales en más de un 60 %.

Evaluación del valor de mercado

Se prevé que el mercado global de recubrimientos de absorción solar altamente selectivos alcance los 5 mil millones de dólares estadounidenses para 2025, con una tasa de crecimiento anual superior al 15 %. La reducción de costes y la mejora del rendimiento derivadas del progreso tecnológico impulsan el rápido desarrollo de este mercado.

Viii. Conclusiones y perspectivas

Como material fundamental de la tecnología de aprovechamiento solar térmico, los recubrimientos de absorción solar altamente selectivos impulsan a toda la industria hacia una alta eficiencia y una eficacia a largo plazo. Su excelente rendimiento y sus considerables beneficios económicos los convierten en la tecnología preferida para la actualización y sustitución de colectores solares. 

En el futuro, con la continua aparición de nuevos materiales y procesos, el rendimiento de los recubrimientos de absorción altamente selectivos mejorará aún más y sus costos se reducirán aún más. Especialmente en aplicaciones de temperatura media y alta, este recubrimiento desempeñará un papel cada vez más importante. Mientras tanto, con el desarrollo de la fabricación inteligente y la nanotecnología, el proceso de preparación de recubrimientos será más preciso y respetuoso con el medio ambiente. 

Sugerimos que las empresas e instituciones de investigación pertinentes incrementen la inversión en investigación y desarrollo, promuevan la innovación tecnológica, reduzcan costos y mejoren el rendimiento. Los departamentos gubernamentales pertinentes deben mejorar el sistema de normalización, fortalecer la supervisión de calidad y promover el desarrollo sostenible de la industria. Al elegir productos solares, los usuarios finales deben prestar especial atención a los parámetros de rendimiento y a la certificación de calidad del recubrimiento para garantizar la mejor rentabilidad de la inversión. 

El desarrollo de una tecnología de recubrimiento de absorción solar altamente selectiva hará contribuciones significativas a la transición energética global y a los objetivos de reducción de carbono, e impulsará la industria de utilización de energía solar térmica a una nueva etapa de desarrollo.