Para que los sistemas solares térmicos produzcan combustibles solares o proporcionen calor industrial a temperaturas de 1500 °C, se están innovando varios diseños de receptores solares de alta temperatura para capturar y convertir el calor solar concentrado dirigido desde un campo solar de helióstatos.

IMAGEN@Casati et al. Una ventana solar caliente enfriada por agua de A Solar Receiver Delivering Heat at 1500℃ and above- Experimental Results – presentación.

Muchos diseños de receptores solares de alta temperatura necesitan una ventana para contener o presurizar las reacciones químicas o los fluidos del interior. Sin embargo, esta ventana se calienta mucho, lo que compromete la confiabilidad y durabilidad del sistema. Entonces, un desafío es cómo proteger la ventana de cuarzo. Entre los problemas más críticos en este sentido se encuentran la contaminación de las ventanas (por ejemplo, por la sublimación de componentes que se recondensan y se adhieren a la ventana) y su desvitrificación, el daño causado por el calentamiento y enfriamiento repetidos.

Una ventana solar caliente refrigerada por agua

Una solución para hacer que estos receptores sean más robustos sería encontrar una manera de evitar que solo la ventana exceda ciertas temperaturas. “Así que ese fue el punto de partida de mi investigación; ¿Cómo podemos hacer que estos receptores sean más robustos? Cómo mantener la ventana más fría”, dijo el investigador asociado Emiliano Casati, quien probó sus ideas en los laboratorios ETH en Suiza bajo la dirección del pionero de los combustibles solares de alta temperatura Aldo Steinfeld.

Ventana receptora solar caliente refrigerada por agua DWR IMAGE@Xasati et al

El simulador solar de alto flujo en ETH ofrece radiación concentrada para imitar las características de transferencia de calor radiativo de los sistemas solares de alta concentración utilizando una matriz de Xe-arcs.

El objetivo era encontrar una manera de garantizar que la ventana de cuarzo nunca supere los 300 °C, a pesar de las temperaturas superiores a 1500 °C en el receptor, mientras se logra una eficiencia térmica superior al 50 %.

Explicó que si bien es posible trabajar con la ventana a altas temperaturas en un laboratorio durante un período corto, la descarbonización a largo plazo requiere sistemas robustos, confiables y duraderos que puedan soportar las altas temperaturas a lo largo del tiempo. El diseño necesitaba ampliarse para un uso de tamaño completo y de larga duración en proyectos comerciales.

Para evitar la desvitrificación, mantenga una capa de líquido sobre la ventana de cuarzo durante el funcionamiento

El vidrio de cuarzo utilizado en la ventana sufre modificaciones a temperaturas tan bajas como 300°C, siendo necesario mantener la temperatura de la ventana por debajo de ese umbral para prolongar su vida útil. Por lo tanto, su diseño tenía como objetivo minimizar la desvitrificación controlando la temperatura de la ventana para que nunca exceda los 300°C.

Durante la conferencia internacional SolarPACES más reciente , Casati mostró fotografías y gráficos de rendimiento de los dos diseños que demostró a escala de banco de laboratorio en su presentación de los resultados, en A Solar Receiver Delivering Heat at 1500℃ and above- Experimental Results – presentación.

El concepto inicial de Casati fue el receptor de capa de agua libre (FLWR) , en el que el agua corre libremente por el interior de la ventana del receptor.

“Esta agua también se evapora y luego proporciona algo de vapor”, explicó.

“Este vapor luego se sobrecalienta a temperaturas muy altas, hasta 1600°C, al fluir a través de un absorbedor cerámico poroso iluminado directamente por la radiación solar concentrada. El absorbedor se calienta mucho y vuelve a irradiar radiación infrarroja hacia la ventana. Este es el mecanismo principal que causa el sobrecalentamiento de la ventana y una gran parte de las pérdidas de calor al ambiente. Sin embargo, la capa de agua que mantenemos en la ventana captura la mayor parte de esta «radiación que escapa», con los efectos simultáneos de prevenir el sobrecalentamiento y reducir las pérdidas de calor. También evita que las partículas dentro del receptor se adhieran a la ventana, causando depósitos y provocando puntos calientes y eventualmente fallas en la ventana”.

En este caso, Casati prevé que el fluido de transferencia de calor o uno de los reactivos dentro del receptor también sería vapor. Sugirió que podría haber una entrada separada opcional para inyectar otro gas o reactivo en el interior.

El siguiente concepto fue un receptor de doble ventana (DWR) , donde la capa de líquido está confinada entre dos capas de cuarzo. Los receptores se probaron en diferentes condiciones de entrada de energía y, por lo tanto, relación de concentración (el flujo de energía solar que llega a la apertura del receptor y se expresa en «soles», normalizado a 1 sol = 1 kW/m2).

Comparación de la eficiencia térmica y las temperaturas alcanzadas por DWR y FWLR con algunas investigaciones previas en CST o proyectos de CSP desarrollados IMAGE@Casati et al

Los resultados

Relación de concentración solar del receptor FWLR
: 2400
entrada de energía térmica 1368 vatios
de vapor generado a 1519 °C
la eficiencia térmica fue del 45 %
ventana mantenida por debajo de los 150 °C

Relación de concentración solar del receptor DWR
: 3800 entrada de potencia térmica 4774 vatios
de vapor generado hasta 1612 °C
eficiencia térmica de hasta el 81 %
ventana mantenida por debajo de unos 160 °C

Durante las pruebas preliminares, ambos diseños lograron los objetivos de entregar vapor a temperaturas superiores a los 1500 °C manteniendo la ventana por debajo de los 300 °C y con una eficiencia térmica que llegó hasta el 81 %.

La eficiencia térmica más alta del DWR en comparación con la del FWLR se debió al mayor espesor de la capa de agua permitido al encerrar el canal de agua entre dos capas de cuarzo. También se espera que esto mejore el blindaje del absorbedor y, por lo tanto, reduzca las pérdidas por re-radiación.

El futuro

Este novedoso concepto para mantener la ventana fresca mediante el uso de una capa de agua para mantenerla por debajo de los 300 °C tiene el potencial de ayudar a mejorar el diseño y desarrollo de receptores solares de concentración de alta temperatura. Casati y sus colaboradores han presentado una solicitud de patente y han sido contactados por empresas interesadas en la concesión de licencias.

Susan Kraemer, solarpaces.org