ES2909665T3 - Procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiaciones solares para una central solar térmica de concentración, elemento absorbente de radiaciones solares - Google Patents

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Abstract

Procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiaciones solares, para una central solar térmica de concentración, que comprende la formación de un revestimiento selectivo (1) en una superficie exterior (2) de un sustrato (3) de acero, de manera que el revestimiento selectivo absorbe al menos el 75% de la radiación solar y que tiene una emisividad inferior al 25%, caracterizado porque la formación del revestimiento selectivo (1) incluye las etapas sucesivas siguientes: - suministrar un sustrato (3) de acero que tiene especialmente un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5% en peso, un contenido de carbono comprendido entre el 0,07% y el 0,23%, un contenido de manganeso comprendido entre el 0,2% y el 1,3%, un contenido de molibdeno comprendido entre el 0,2% y el 2,3%, un contenido de tungsteno comprendido entre el 0% y el 2,5%, un contenido de vanadio comprendido entre el 0% y el 0,4% y un contenido de aluminio inferior o igual al 0,05% en peso, - realizar un tratamiento térmico a una temperatura comprendida entre 400°C y 900°C en una atmósfera oxidante, que contiene al menos el 5% de un precursor de oxígeno elegido entre el grupo constituido por O2, H2O y O3, de manera que forma una capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) en la superficie del sustrato (3), estando el grosor de la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) comprendido entre 10 nm y 1.000 nm.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiaciones solares para una central solar térmica de concentración, elemento absorbente de radiaciones solares
Campo técnico de la invención
La invención es relativa a un elemento absorbente de radiaciones solares, para una central solar térmica de concentración y a su procedimiento de realización, con especialmente la formación de un revestimiento selectivo en una superficie exterior de un sustrato de acero.
Estado de la técnica
Una central solar térmica de concentración, también denominada central solar termodinámica (CSP, por «Concentrating Solar Power Plant») es una central destinada a concentrar los rayos de sol, con ayuda de espejos para calentar un fluido caloportador. El fluido caloportador sirve así de fuente caliente en un ciclo termodinámico con vistas a producir la electricidad. La concentración de las radiaciones solares permite alcanzar temperaturas más elevadas y beneficiarse de una conversión termodinámica importante.
Existen diferentes técnicas para concentrar las radiaciones solares, para transportar y opcionalmente almacenar el calor y para convertir el calor en electricidad. En cualquier caso, uno de los elementos esenciales de una central solar térmica de concentración es el elemento absorbente de radiaciones solares que forma una parte del receptor.
Para maximizar el rendimiento del absorbente, este incluye en general un revestimiento, denominado revestimiento selectivo o tratamiento selectivo. El revestimiento selectivo está destinado a permitir una absorción máxima de la energía solar incidente a la vez que reemite la menor cantidad posible de radiaciones infrarrojas (principio del cuerpo negro). En particular, dicho revestimiento selectivo se considera perfecto si absorbe todas las longitudes de onda inferiores a una longitud de onda de corte y refleja todas las longitudes de onda superiores a esta misma longitud de onda de corte.
A modo de ejemplo, la solicitud internacional WO 2009/051595 propone un revestimiento selectivo solar que recubre la superficie exterior de un tubo absorbente de radiación solar, normalmente de acero inoxidable, y que incluye un apilamiento de varias capas que tienen, cada una, una función y un grosor determinados por simulación óptica. En una realización particular, el tubo absorbente de radiación solar está recubierto sucesivamente por una sucesión de bicapas compuestas por una capa de material que refleja las radiaciones IR y por una capa de material que absorbe la radiación solar, seguido por la aplicación de una capa reflectante. El tubo absorbente de radiación solar es, por ejemplo, de acero inoxidable de estructura austenítica, por ejemplo de tipo AISI 316, 321, 347 o 304L.
La patente US 4,268,324 y el artículo «Influence de l'oxydation et de la rugosité sur les caractéristiques radiatives des aciers inoxydables» de Ph. Demont (Journal de Physique, Colloque C1, Tomo 42, 1981) describen el uso de un tratamiento térmico para obtener una capa de óxido en la superficie de sustratos de acero inoxidable tales como AISI 321, 304 y 316. La capa de óxido desempeña el papel de revestimiento selectivo. Las temperaturas usadas, para el tratamiento térmico, están comprendidas entre 300°C y 1.000°C aproximadamente. La patente US 4,268,324 precisa que la temperatura óptima de formación del revestimiento selectivo para el acero inoxidable AISI 321 es de 570°C, y es a esta temperatura a la que es más elevada la absorción de la capa de óxido obtenida, a la vez que se conserva una emisividad relativamente baja.
La solicitud internacional WO 2012/168577 describe también la formación de una capa de óxido en la superficie de un sustrato de acero inoxidable por tratamiento térmico. Las temperaturas del tratamiento térmico están comprendidas entre 550°C y 650°C.
La patente US 4,097,311 describe la formación de una capa de óxido en la superficie de un sustrato de acero inoxidable por templado en un baño oxidante a una temperatura comprendida entre 70°C a 120°C.
El conjunto de estos tipos de revestimientos selectivos no permite responder simultáneamente a las necesidades de rendimiento y de resistencia en el tiempo, especialmente en una atmósfera oxidante. De hecho, los revestimientos disponibles comercialmente en la actualidad, para temperaturas de uso elevadas (normalmente superiores a 400°C), necesitan a menudo el uso de una envoltura de protección al vacío, lo que por una parte aumenta los costes de fabricación y, por otra parte, plantea problemas de estabilidad en el tiempo.
Además, los sustratos así obtenidos presentan riesgos de ruptura por fatiga térmica, lo que disminuye su tiempo de vida. La solicitud internacional WO2013/077363 propone un acero ferrítico resistente al calor que comprende un material de base que comprende, en porcentaje en masa, C: 0,01 a 0,3%, Si: 0,01 a 2%, Mn: 0,01 a 2%, P: como máximo el 0,10%, S: como máximo el 0,03%, Cr: 7,5 a 14,0%, Al sol.: como máximo el 0,3%, y N: 0,005 a 0,15%, siendo el resto del Fe e impurezas, y una película de óxido que se forma en el material de base y que contiene del 25 al 97% de Fe y del 3 al 75% de Cr. Este acero ferrítico resistente al calor es excelente en términos de absortividad fotoselectiva y de resistencia a la oxidación.
Objeto de la invención
El objeto de la invención pretende proponer un elemento absorbente de radiaciones solares, para una central solar térmica de concentración, que comprende un revestimiento selectivo eficaz, duradero y estable, no solo para temperaturas de uso superiores a 400°C, sino también en una atmósfera oxidante tal como el aire. El elemento absorbente debe presentar también riesgos bajos de ruptura por fatiga térmica.
Se pretende alcanzar este objeto mediante las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Otras ventajas y características resultarán más evidentes a partir de la descripción que se dará posteriormente de las realizaciones particulares de la invención proporcionadas a modo de ejemplos no limitantes y representados en los dibujos adjuntos, en los que:
- las figuras 1 a 4 representan esquemáticamente y en sección transversal diferentes etapas de un procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiación solar, según la invención.
Descripción de modos preferentes de la invención
Se propone realizar un elemento absorbente de radiaciones solares que se adecue especialmente a las centrales solares térmicas de concentración y que resuelva los inconvenientes de la técnica anterior.
Como se ilustra en las figuras 1 a 4, el procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiaciones solares, para una central solar térmica de concentración, comprende la formación de un revestimiento selectivo 1 en una superficie exterior 2 de un sustrato 3 de acero, incluyendo la formación del revestimiento selectivo 1 las etapas sucesivas siguientes:
- suministrar un sustrato 3 de acero,
- realizar un tratamiento térmico (flechas F1 en la figura 2), de manera que forme una capa de óxido 4 a la superficie del sustrato 3.
El acero que entra en la composición del sustrato, en el que se forma el revestimiento selectivo, se selecciona específicamente.
Preferentemente, el acero es un acero denominado «de fuerte aleación», es decir, que contiene un elemento de aleación presente en más del 5% en peso con respecto al peso total del acero.
Con respecto a los aceros inoxidables, los aceros de fuerte aleación poseen una mejor conductividad térmica, un coeficiente de dilatación térmica más bajo y mejores propiedades mecánicas. Ventajosamente, estas propiedades los hacen menos sensibles a la fatiga térmica y permiten tener una mejor transmisión del calor desde el exterior del tubo hacia el fluido caloportador.
El acero tiene un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5% en peso, preferentemente, entre el 6% y el 11,6% en peso, más preferentemente todavía, entre el 6% y el 11,5% en peso y todavía más preferentemente entre el 6% y el 10,5% en peso.
Por contenido de cromo de un acero se entiende el porcentaje en peso de cromo, con respecto al peso total de los elementos que constituyen el acero. Se trata del contenido o del porcentaje mínimo referido generalmente para una clase determinada de acero.
El uso de dicho acero permite mejorar la conducción del calor con respecto a un acero inoxidable. Ventajosamente, estos aceros presentan una dilatación térmica más baja, lo que permite limitar las restricciones térmicas y, por tanto, disminuir la fatiga en ruptura.
Además, el acero del sustrato 2 puede elegirse, más en concreto, entre los aceros que presentan un contenido de níquel inferior al 1% en peso, y, preferentemente, entre los aceros que presentan un contenido de níquel inferior al 0,5%. Ventajosamente, la presencia de níquel en estos porcentajes permite aumentar la resistencia mecánica del sustrato.
El acero presenta, también, un contenido de aluminio inferior al 1% en peso. Preferentemente el contenido de aluminio es inferior o igual al 0,05%, y más preferentemente todavía, inferior al 0,04%.
Dicho contenido de aluminio mejora, ventajosamente, los rendimientos en fluencia a la vez que afina suficientemente el grano de la matriz. Según la invención, el sustrato de acero tiene un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5% en peso, un contenido de carbono comprendido entre el 0,07% y el 0,23%, un contenido de manganeso comprendido entre el 0,2% y el 1,3%, un contenido de molibdeno comprendido entre el 0,2% y el 2,3%, un contenido de tungsteno comprendido entre el 0% y el 2,5%, un contenido de vanadio comprendido entre el 0% y el 0,4% y un contenido de aluminio inferior o igual al 0,05% en peso,
El acero del sustrato 2 se elige, ventajosamente, entre los aceros designados por X11CrMo9-1, X10CrMoVNb9-1, X10CrWMoVNb9-2 y X11CrMoWVNb9-1-1 que corresponden, respectivamente, a los aceros definidos por 1.7386, 1.4903, 1.4901 y 1.4905 según el sistema numérico europeo (norma EN 10027-2), y entre los aceros T91 (K90901), T92 (K02460), T911 (K91061) y el T122 (K91271) de las normas ASTM (UNS).
El acero puede elegirse también entre los aceros designados por X20CrMoV11-1, X20CrMoV12-1 y X19CrMoNbVN11-1 que corresponden, respectivamente, a los aceros definidos por 1.4922, 1.7175 y 1.4913 según el sistema numérico europeo DIN (norma EN 10027-2).
Según un modo preferente, la composición del acero se suministra en la tabla mostrada a continuación:
Tabla 1
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Dicha proporción de cromo en el acero permite obtener un acero de aleación fuerte. Ventajosamente, dicha proporción de cromo permite obtener una capa de óxido con propiedades ópticas, una resistencia mecánica y una estabilidad en el tiempo mejoradas.
La presencia de carbono, manganeso, molibdeno, vanadio y tungsteno, en estas proporciones, en el sustrato, permite mejorar las propiedades mecánicas de la capa de óxido obtenida por oxidación del sustrato.
El acero puede incluir también impurezas, por ejemplo, plomo, estaño, azufre, fósforo, arsénico o antimonio. Por impureza se entiende un elemento presente en menos del 0,1% con respecto al peso total del acero.
El resto de los porcentajes en peso corresponde al porcentaje en peso de hierro. La aleación contiene al menos el 50% en peso de hierro.
Además, como los aceros usados presentan una buena conductividad térmica y un bajo coeficiente de dilatación, es decir, del orden del 30% inferior al de los aceros inoxidables austeníticos, se limitarán así los riesgos de ruptura por fatiga térmica durante el uso.
Los aceros usados para realizar el elemento absorbente de radiación solar poseen una resistencia a la corrosión muy superior a las aleaciones con aleación débil, lo que incluye especialmente entre el 1 y el 5% de cromo, tal como por ejemplo el acero 10CrMo9-10; las propiedades mecánicas también resultan claramente mejoradas.
Ventajosamente, estas aleaciones son más resistentes en caliente, lo que permite reducir los grosores del sustrato usado, y disminuir los gradientes térmicos así como los riesgos de ruptura por fatiga térmica.
El sustrato 3 de acero tiene un grosor entre 1 mm y 8 mm. Según una realización preferente, el sustrato 3 de acero tiene un grosor comprendido entre 1 mm y 7 mm. Ventajosamente, el uso de acero de bajo grosor permite limitar la formación de restricciones residuales durante el tratamiento térmico.
En particular, el sustrato 3 de acero presenta una superficie exterior 2 en la que se realiza el revestimiento selectivo. Puede ser de cualquier tipo de forma, adaptado para su uso como elemento absorbente de radiaciones solares selectivo, para una central solar térmica de concentración (por ejemplo, una central solar de tipo Fresnel o cilindroparabólica).
El uso de un sustrato de acero que presenta un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5%, y preferentemente, entre el 6% y el 11,6%, y más preferentemente todavía, entre el 6% y el 11,5% en peso permite formar, gracias a un tratamiento térmico, una capa delgada superficial intrínsecamente selectiva, en la superficie exterior de dicho sustrato. Ventajosamente, esto permite también formar una capa de óxido estable en el tiempo que no se descama. La presencia del cromo contribuye a buenas propiedades mecánicas en temperatura.
Por capa delgada superficial intrínsecamente selectiva se entiende una capa delgada superficial que, debido a su naturaleza intrínseca, es capaz de absorber un máximo de energía solar incidente y de reemitir un mínimo de radiación infrarroja. Por absorber un máximo de energía se entiende que la capa delgada superficial permite absorber al menos el 75% de la radiación solar. Por reemitir un mínimo de radiación infrarroja se entiende que la emisividad de la capa delgada superficial es inferior al 25%.
Ventajosamente, la temperatura del tratamiento térmico es superior a la temperatura de funcionamiento del elemento absorbente, es decir, la temperatura de tratamiento térmico es superior a 400°C.
El revestimiento selectivo 1, también denominado tratamiento selectivo, así obtenido es estable en aire, para temperaturas de uso superiores a 400°C y presenta un largo tiempo de vida, durante numerosos años, por ejemplo del orden de 20 años.
Según la invención, el tratamiento térmico se realiza a una temperatura comprendida entre 400°C y 900°C. Preferentemente, el tratamiento térmico se realiza a una temperatura comprendida entre 500°C y 800°C.
En la medida en que la capa, responsable de las buenas propiedades ópticas de la superficie, se formó a temperatura más alta que su temperatura de uso, el óxido así obtenido, que contiene principalmente oxígeno, hierro y cromo, es estable en el transcurso de su uso, incluido un uso en atmósfera oxidante durante ciclos térmicos.
Por ejemplo, el tratamiento térmico se realiza usando una velocidad de elevación de temperatura de 5°C/min a 1°C/s, preferentemente de 0,3°C/s a 0,5°C/s.
El tiempo de duración del intervalo de temperatura durante el tratamiento térmico está comprendido entre 5 minutos y 240 minutos, en función de la temperatura elegida y de la rampa de temperatura usada.
La etapa de tratamiento térmico permite formar, en la interfaz con la superficie exterior 2 del sustrato 3, una capa delgada superficial 1. Esta operación de tratamiento térmico se simboliza mediante las flechas F1 en la figura 2. La etapa de tratamiento térmico se realiza en atmósfera oxidante. Por atmósfera oxidante se entiende de una manera general aire, aire enriquecido con dioxígeno o aire enriquecido con vapor de agua. La atmósfera oxidante contiene al menos el 5% en volumen de un precursor de oxígeno, por ejemplo, O2 , H2O, O3.
Por atmósfera muy poco oxidante se entiende una atmósfera de baja tasa de CO2 y muy baja tasa de O2.
Preferentemente, el tratamiento térmico se realiza en aire.
La capa delgada superficial 1 se obtiene, en particular, por oxidación de ciertos elementos contenidos en el acero que compone el sustrato 2. Esencialmente está compuesta por óxido.
Las medidas realizadas por difracción de rayos X (DRX) han puesto de relieve especialmente que la capa delgada superficial está compuesta por óxidos de hierro y de cromo. El óxido obtenido es de tipo (Fe,Cr)2O3.
La capa de óxido está constituida esencialmente por hierro, cromo y oxígeno.
Por constituida esencialmente se entiende que la capa de óxido está formada por hierro, cromo y oxígeno. La capa de óxido puede contener, opcionalmente, impurezas.
La capa delgada superficial 1 está en contacto directo con el sustrato 2 de acero. Al estar esta capa delgada superficial 1 formada por oxidación del sustrato, posee una excelente adherencia comparada especialmente con otras capas depositadas por deposiciones en capas delgadas como por ejemplo por deposición física en fase de vapor (o PVD del inglés physical vapor deposition) o por deposición química en fase de vapor (o CVD del inglés chemical vapor deposition).
El grosor de la capa de óxido 4 formada está comprendido entre 10 nm y 1.000 nm, y preferentemente, entre 20 nm y 500 nm. Más preferentemente todavía, el grosor de la capa de óxido está comprendido entre 50 nm y 100 nm. Cuanto más espeso es el óxido, mejor será la absorción en la gama de la radiación solar, pero más aumentará la emisividad del tratamiento selectivo en la gama del infrarrojo. El experto en la materia elegirá así grosores en la gama citada anteriormente.
Según una realización preferente, antes o después de la etapa de tratamiento térmico, se realiza un tratamiento de superficie en el sustrato 3 de manera que se obtenga una rugosidad Ra inferior a 1 jm, preferentemente inferior a 0,5 |jm, según la norma NF ISO 4287, para la superficie exterior 2 del sustrato 3.
La rugosidad Ra de la superficie exterior 2 del sustrato 3, después del tratamiento térmico, está comprendida, preferentemente, entre 0,05 jm y 0,5 jm lo que permite obtener una capa que presenta una buena absorción a la vez que presenta una baja emisividad. Por buena absorción se entiende una absorción superior a 0,75 en la gama de longitudes de onda de la radiación solar, y preferentemente superior a 0,9, y por baja emisividad, una emisividad inferior a 0,25 y preferentemente inferior a 0,2 en la gama del infrarrojo pertinente con respecto a la aplicación pretendida.
Cuanto más baja es la rugosidad más bajas serán la emisividad y la absorción. Una rugosidad comprendida entre 0,05 jm y 0,5 jm permite obtener a la vez una baja emisividad y una buena absorción de la radiación solar recibida, a la vez que puede realizarse desde un punto de vista industrial.
Para la realización del revestimiento selectivo 1 que recubre la superficie exterior 2 del sustrato 3, dicha superficie exterior 2 se pule, previamente, según procedimientos de pulido clásicos o procedimientos especiales de conformación.
Preferentemente, el tratamiento de superficie es un pulido mecánico o un pulido electrolítico o un tratamiento de superficie químico.
A modo de ejemplo, el pulido mecánico puede realizarse con ayuda de un papel de pulido de tamaño de granos decreciente (de P220 a P1200) y de un fieltro embebido con una suspensión de partículas adiamantadas monocristalinas que tienen normalmente 3 jm de diámetro.
Entre los procedimientos de conformación, el tratamiento de superficie puede realizarse también mediante estirado en frío del sustrato. El estirado es una etapa que forma parte del procedimiento de fabricación de los tubos sin soldadura. Ventajosamente, el estirado permite, a la vez, dar al tubo sus dimensiones finales y, al mismo tiempo, estructurar la superficie del tubo de manera que aumente la absorción del elemento absorbente.
Esta operación de tratamiento de superficie por pulido o estirado en frío permite, especialmente, controlar el estado de rugosidad de la superficie exterior 2 del sustrato 3, antes de la operación de tratamiento térmico y tiene especialmente una influencia en la emisividad de la superficie exterior 3 en la gama del infrarrojo.
Como se representa en la figura 4, según una realización particular, el procedimiento incluye la deposición de una capa antirreflectante 5 sobre la capa de óxido 4 en la superficie del sustrato 3.
El conjunto compuesto por la capa delgada superficial 4 revestida por la capa reflectante 5 forma así el revestimiento selectivo 1 del elemento absorbente de radiaciones solares.
La capa antirreflectante 5 permite, ventajosamente, mejorar la absorción. La capa antirreflectante 5 no emite en el infrarrojo, o lo hace muy poco, para no degradar los rendimientos del tratamiento selectivo.
La capa reflectante 5 es, por ejemplo, una capa en óxido de silicio SiO2, de alúmina AbO3, de nitruro de silicio o de óxido de titanio TiO2 o una combinación de estas diferentes capas o productos.
Esta capa tendrá, ventajosamente, un índice de refracción comprendido entre el del sustrato y el del aire. La capa antirreflectante 5 tiene, por ejemplo, un índice de refracción comprendido entre 1,5 y 3,5, y preferentemente entre 1,5 y 2,5. Ventajosamente, tiene un coeficiente de extinción muy bajo para evitar un aumento de la emisividad. Ventajosamente, la presencia de la capa antirreflectante 5 no debe aumentar más del 5% la emisividad del revestimiento selectivo 1 del elemento absorbente.
El grosor de la capa antirreflectante 5 está comprendido entre 30 nm y 250 nm, y preferentemente entre 50 nm y 200 nm, con el fin de obtener los mejores rendimientos. El grosor óptimo se determina en función de la longitud de onda objeto a la cual debe formarse el filtro de cuarto de onda. El filtro de cuarto de onda permite formar interferencias destructivas y minimizar la reflexión. Por ejemplo, la longitud de onda elegida permitirá tener una absorción máxima de la radiación solar incidente de aproximadamente 500 nm.
La capa antirreflectante 5 está formada, por ejemplo, por una técnica de deposición al vacío, tal como la deposición física en fase de vapor (pulverización catódica o evaporación) o por deposición química en fase de vapor. Según una realización preferente, la capa antirreflectante se deposita por deposición por vía química en fase de vapor asistida por plasma o PACVD por «Plasma-Assisted Chemical Vapour Deposition». La deposición por PACVD en atmósfera ambiente permite preparar una capa antirreflectante 5 de bajo coste ya que esta deposición no necesita trabajar al vacío. Por atmósfera ambiente se entiende una presión del orden de 1 atm, es decir, del orden de 1013 hPa, y una temperatura del orden de 20°C a 25°C.
La técnica del PACVD permite depositar especialmente capas de óxido que poseen índices de refracción bajos, como capas de SiO2 de índice n=1,5, o índices de refracción elevados como capas de TiO2 de índice n=2,55. Por tanto, con esta técnica, es sencillo realizar un apilamiento multicapas de bajo coste, de manera que cada capa puede tener un índice de refracción diferente.
Según una realización particular, se disponen varias capas de índice y de grosor diferentes en la superficie de la capa delgada de óxido para formar un apilamiento que permita disminuir la reflexión.
A modo de ejemplo se han realizado medidas de absortancia, emisividad y reflectancia sobre un elemento absorbente que incluye un sustrato de acero de designación numérica 1.4903, también designado, según las normas de los países, por ASTM A-213 T91 o X10CrMoVNb9-1 (EN 10216-2).
La composición teórica del acero se indica en la tabla siguiente:
Tabla 2
Figure imgf000007_0001
Se han sometido a ensayo varias configuraciones de medida:
- la muestra N° 1 corresponde al sustrato T91 sometido a un tratamiento térmico en aire durante 1 h a 600°C, - la muestra N° 2 corresponde a la muestra N° 1 que ha experimentado, además del tratamiento térmico, una primera etapa de envejecimiento a 350°C durante 750 h y una segunda etapa de envejecimiento a 450°C durante 250 h, - la muestra N° 3 corresponde a la muestra N° 2 en la que se depositó una capa antirreflectante, es decir, que la muestra N° 3 corresponde a un sustrato T91 sometido a un tratamiento térmico en aire a 600°C durante 1 h, y después a una primera etapa de envejecimiento a 350°C durante 750 h y a una segunda etapa de envejecimiento a 450°C durante 250 h, y en el que se depositó finalmente una capa antirreflectante,
- la muestra N° 4 corresponde a la muestra N° 3 que ha experimentado después de la deposición de la capa antirreflectante una etapa de envejecimiento a 350°C durante 250 h,
- la muestra N° 5 corresponde a la muestra N° 4 que ha experimentado una etapa adicional de envejecimiento a 450°C durante 250 h.
Los sustratos no pulidos presentan generalmente una rugosidad Ra superior a 1 pm. Los sustratos pulidos se han sometido a un pulido mecánico, lo que permite obtener una rugosidad Ra ~0,1 pm.
El tratamiento térmico se realiza a una temperatura de 600°C, en aire, durante 1 h. La operación de tratamiento térmico provoca la formación, directamente en la superficie exterior del sustrato, de una capa delgada superficial oxidada, que presenta un carácter intrínsecamente selectivo. La capa de óxido obtenida tiene un grosor entre 10 nm y 1.000 nm, y preferentemente, entre 20 nm y 500 nm.
La capa antirreflectante 5 se deposita por PACVD a presión atmosférica. Está en SiO2 y presenta un grosor del orden de 80 nm.
La reflectividad total del sustrato se midió en una gama de longitud de onda comprendida entre 320 nm y 10.000 nm. Estas medidas de reflectividad permiten calcular las magnitudes de absorción y de emisividad, que son las propiedades de superficie buscadas. Las medidas se realizaron en la gama de la radiación visible (0,32 pm-2,5 pm), gracias a un espectrofotómetro lambda 950 de Perkin Elmer, que posee una esfera de integración de 150 mm de diámetro, revestida con BaSO4. En la gama 2,5-10 |jm, la reflectancia se mide gracias a un espectrofotómetro Equinox 55, fabricado por Bruker y que posee una esfera de integración revestida con otro que es altamente reflector para estas longitudes de onda
Los resultados de las medidas ópticas realizadas en las muestras se recogen en la tabla siguiente:
Tabla 3
Figure imgf000008_0001
La presencia de la capa antirreflectante 5, en el revestimiento selectivo que recubre el sustrato 3 de acero, permite obtener una ganancia del 7 al 9% en absorción sin modificar la emisividad de la capa antirreflectante.
El uso de un sustrato 3 que presenta una rugosidad Ra inferior a 0,4 jm permite obtener un tratamiento selectivo que presenta una emisividad significativamente inferior a la obtenida para sustratos que tienen rugosidades más elevadas, normalmente superiores a 1 jm.
También se ha constatado que estos rendimientos son estables, incluso después de las etapas de envejecimiento del absorbente solar a 350°C y 450°C.
La capa de óxido 4 formada en la superficie exterior 2 del sustrato 3 es una capa de óxido estable a temperaturas superiores a la temperatura de uso del elemento absorbente de radiaciones solares (normalmente superior a 400°C) y en condiciones oxidantes (especialmente en aire).
Así, la formación de dicha capa delgada superficial permite que el revestimiento selectivo, que la comprende, sea eficaz, duradero y estable para temperaturas de uso hasta normalmente 500°C, que es la temperatura clásica de funcionamiento de los elementos absorbentes de radiaciones solares. Además, la realización de dicha capa delgada superficial es fácil de implementar y poco onerosa, ya que el tratamiento térmico, que permite realizar la oxidación superficial del sustrato, es un tratamiento sencillo de implementar a escala industrial.
Los aceros cuyo contenido de cromo es inferior al 11,6% en masa e incluso al 11,5% en masa tienen la reputación de formar un óxido no estable en el tiempo. Ahora bien, se ha demostrado que, en las condiciones descritas anteriormente, el óxido formado en la superficie del sustrato es estable en las condiciones de uso de una central solar (en aire y a temperaturas de funcionamiento inferiores a 500°C) y posee buenas propiedades ópticas.
Ventajosamente, se usarán tubos de acero de grandes longitudes para limitar el número de soldaduras que se realizarán para obtener un tubo de longitud muy grande. De hecho, las soldaduras son más difíciles de realizar en aceros de aleación fuerte con respecto a aceros de aleación débil o aceros inoxidables.
Los sustratos de acero, seleccionados en la gama descrita anteriormente, podrán usarse en instalaciones que funcionan a temperaturas más altas: normalmente hasta una temperatura de fluido caloportador de 550°C, para presiones comprendidas entre 3 bar y 150 bar por ejemplo, y hasta una temperatura de 600°C para un uso a baja presión, cercano a la presión atmosférica, entre 1 y 5 bar.
Estos aceros son especialmente interesantes como sustrato para la realización de elementos absorbentes en contacto directo con un fluido caloportador tal como vapor de agua, caloportador que se beneficia de un retorno de experiencia importante principalmente en las centrales térmicas.
Los elementos absorbentes, presentados a continuación, están adaptados para centrales solares de cualquier tipo, y, más en particular, para centrales de tipo Fresnel y cilindro-parabólicas, que necesitan un tratamiento selectivo estable en aire, especialmente para temperaturas superiores a 400°C. Debido a las propiedades térmicas de dichos aceros y a su menor coste de elaboración que los aceros inoxidables, estos aceros también pueden usarse para la fabricación de absorbentes en forma de un haz de tubos que tiene longitudes unitarias que pueden llegar a varios cientos de metros.
La realización de una central solar térmica de concentración incluye, por ejemplo, las etapas siguientes:
- suministrar un sustrato 3 de acero que tiene una superficie exterior 2 recubierta por un revestimiento selectivo 1 para la radiación solar, estando el sustrato 3 destinado a formar una cavidad que puede ser recorrida por un fluido caloportador; la forma la más clásica de este sustrato es especialmente el tubo cilíndrico,
- prever al menos un espejo dispuesto para concentrar una parte de la radiación solar recibida en el sustrato 3. El procedimiento de realización de una central solar térmica de concentración incluye también las etapas siguientes: - suministrar un sustrato 3 de acero, que tiene un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5% en peso, y preferentemente comprendido entre el 6% y el 11,6% en peso, y más preferentemente todavía comprendido entre el 6% y el 11,5%,
- realizar un tratamiento térmico, de manera que forma una capa de óxido 4 intrínsecamente selectivo a la radiación solar en la superficie del sustrato 3.
El procedimiento de realización de dicha superficie incluye también una etapa de tratamiento de superficie del sustrato de manera que se obtenga una rugosidad de sustrato inferior a 0,5 pm. La etapa de tratamiento de superficie se realiza antes o después del tratamiento térmico.

Claims (18)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de realización de un elemento absorbente de radiaciones solares, para una central solar térmica de concentración, que comprende la formación de un revestimiento selectivo (1) en una superficie exterior (2) de un sustrato (3) de acero, de manera que el revestimiento selectivo absorbe al menos el 75% de la radiación solar y que tiene una emisividad inferior al 25%, caracterizado porque la formación del revestimiento selectivo (1) incluye las etapas sucesivas siguientes:
- suministrar un sustrato (3) de acero que tiene especialmente un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5% en peso, un contenido de carbono comprendido entre el 0,07% y el 0,23%, un contenido de manganeso comprendido entre el 0,2% y el 1,3%, un contenido de molibdeno comprendido entre el 0,2% y el 2,3%, un contenido de tungsteno comprendido entre el 0% y el 2,5%, un contenido de vanadio comprendido entre el 0% y el 0,4% y un contenido de aluminio inferior o igual al 0,05% en peso,
- realizar un tratamiento térmico a una temperatura comprendida entre 400°C y 900°C en una atmósfera oxidante, que contiene al menos el 5% de un precursor de oxígeno elegido entre el grupo constituido por O2 , H2O y O3 , de manera que forma una capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) en la superficie del sustrato (3), estando el grosor de la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) comprendido entre 10 nm y 1.000 nm.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el acero del sustrato (3) se elige entre los aceros designados por X11CrMo9-1, X10CrMoVNb9-1, X10CrWMoVNb9-2, X11CrMoWVNb9-1-1, X20CrMoV11-1, X20CrMoV12-1 y X19CrMoNbVN11-1.
3. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el grosor de la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) está comprendido entre 20 nm y 500 nm.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tratamiento térmico se realiza a una temperatura comprendida entre 500°C y 800°C.
5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque, antes de la etapa de tratamiento térmico, se realiza un tratamiento de superficie en el sustrato (3) de manera que se obtenga una rugosidad Ra inferior a 1 pm para la superficie exterior (2) del sustrato (3).
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque la rugosidad Ra está comprendida entre 0,05 pm y 0,5 pm.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque el tratamiento de superficie es un pulido mecánico, un pulido electrolítico o un tratamiento de superficie químico o porque el tratamiento de superficie se realiza por estirado en frío del sustrato.
8. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el procedimiento incluye la deposición de una capa antirreflectante (5) sobre la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) en la superficie del sustrato (3).
9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque la capa antirreflectante (5) se deposita por deposición por vía química en fase de vapor asistida por plasma a presión atmosférica.
10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 y 9, caracterizado porque la capa antirreflectante (5) es de SO2 , AbO3, TO 2, o una combinación de estas diferentes capas.
11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque la capa antirreflectante (5) tiene un grosor comprendido entre 30 nm y 250 nm.
12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el sustrato (3) tiene un grosor comprendido entre 1 mm y 8 mm.
13. Elemento absorbente de radiaciones solares para una central solar térmica de concentración, que incluye:
- un sustrato (3) de acero, que presenta un contenido de cromo comprendido entre el 6% y el 12,5%, un contenido de carbono comprendido entre el 0,07% y el 0,23% en peso, un contenido de manganeso comprendido entre el 0,2% y el 1,3% en peso, un contenido de molibdeno comprendido entre el 0,2% y el 2,3% en peso, un contenido de tungsteno comprendido entre el 0% y el 2,5% en peso, un contenido de vanadio comprendido entre el 0% y el 0,4% en peso, y un contenido de aluminio inferior o igual al 0,05% en peso,
- una capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) en la superficie externa del sustrato (3), estando el grosor de la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) comprendido entre 10 nm y 1.000 nm para formar un revestimiento selectivo que absorbe al menos el 75% de la radiación solar y que tiene una emisividad inferior al 25%.
14. Elemento absorbente según la reivindicación 13, caracterizado porque el grosor de la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4) está comprendido entre 20 nm y 500 nm.
15. Elemento absorbente según cualquiera de las reivindicaciones 13 y 14, caracterizado porque el acero del sustrato (3) presenta un contenido de carbono comprendido entre el 0,07% y el 0,23%.
16. Elemento absorbente según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque el acero del sustrato (3) se elige entre los aceros designados por X11CrMo9-1, X10CrMoVNb9-1, X10CrMoVNb9-2 y X11CrMoWVNb9-1-1, T9, T91, T92, T911 y T122.
17. Elemento absorbente según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque se dispone una capa antirreflectante (5) sobre la capa de óxido de tipo (Fe,Cr)2O3 (4).
18. Elemento absorbente según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque el sustrato (3) tiene un grosor comprendido entre 1 mm y 8 mm.
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