Aplicación de cerámica avanzada en sistemas de energía solar térmica
La generación de energía solar térmica es una tecnología de energía limpia que utiliza colectores para convertir la radiación solar en energía térmica, que luego se utiliza para generar electricidad mediante un ciclo termodinámico. Los sistemas de energía solar existentes en todo el mundo se pueden clasificar en tres categorías según la temperatura de funcionamiento: sistemas cilindroparabólicos, sistemas de torre y sistemas parabólicos. Algunos materiales cerámicos avanzados se pueden aplicar a los receptores de sistemas de energía solar térmica de torre.
1. Principios de funcionamiento de los sistemas de energía solar térmica cilindro-parabólica, parabólica y de torre
Sistema de energía solar térmica cilindro-parabólica
Este sistema utiliza espejos cilindroparabólicos para enfocar la luz solar en un tubo receptor, calentando el fluido de trabajo. El fluido calentado genera vapor a través de un intercambiador de calor, que luego impulsa una turbina de vapor conectada a un generador, produciendo electricidad.
Sistema de plato
También conocido como sistema de plato parabólico, utiliza un espejo con forma de plato parabólico para concentrar la luz solar en un receptor en el punto focal. Estructuralmente se parece a una gran antena de radar parabólica. Debido al foco puntual de la antena parabólica, la relación de concentración puede alcanzar desde varios cientos hasta varios miles, lo que permite alcanzar temperaturas extremadamente altas. Se pueden conectar múltiples sistemas parabólicos en paralelo para formar una pequeña planta de energía solar para satisfacer la demanda de electricidad.
Sistema de torre
También conocido como sistema de receptor central, utiliza una serie de grandes espejos (helióstatos) instalados en el suelo. Cada helióstato sigue el sol en dos ejes, reflejando y concentrando con precisión la luz solar en un receptor en la parte superior de una torre central. La energía solar concentrada calienta el fluido de trabajo en el receptor, generando vapor sobrecalentado, que luego ingresa al subsistema de energía para completar el proceso de conversión de energía térmica.
2. Materiales cerámicos aplicables en sistemas de energía solar.
El sistema de energía solar térmica de torre es muy apreciado por su alta relación de concentración (200-1000 kW/m²), alta temperatura del ciclo termodinámico, baja pérdida de calor, estructura simple del sistema y alta eficiencia. El receptor, al ser el componente central del sistema de energía solar térmica de la torre, debe soportar intensidades de radiación entre 200 y 300 veces superiores a las de la luz solar natural, con temperaturas de funcionamiento superiores a los 1.000 °C. Por lo tanto, su desempeño es crucial para el funcionamiento estable y la eficiencia del sistema de generación de energía. Los receptores metálicos tradicionales tienen limitaciones de temperatura, lo que hace que los materiales receptores cerámicos sean un nuevo foco de investigación.
Debido a la densidad del flujo solar desigual e inestable, se imponen los siguientes requisitos a los materiales receptores cerámicos:
(1)Resistencia a la oxidación a alta temperatura
El material no debe sufrir daños oxidativos en entornos de trabajo de alta temperatura a largo plazo.
(2)Buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y resistencia al choque térmico.
Para evitar daños materiales por puntos térmicos.
(3)Alta tasa de absorción de radiación solar
Para garantizar que el material pueda absorber completamente la energía solar.
(4)Estructura conectada tridimensional o bidimensional.
Garantizar una alta permeabilidad, baja resistencia al flujo de aire y una distribución uniforme y estable del flujo de aire.
(5) Alta superficie específica
Proporcionar una gran área de intercambio de calor para garantizar un intercambio de calor suficiente con el aire.
Los siguientes materiales cerámicos se pueden utilizar como materiales receptores:
Estos pueden soportar temperaturas superiores a 1000 °C, tienen alta resistencia mecánica y estabilidad química, y son resistentes a ácidos y álcalis, con buena conductividad térmica, resistencia de aislamiento, resistividad y resistencia al desgaste. Sin embargo, sus desventajas incluyen una baja conductividad térmica y una baja tasa de absorción de la radiación solar, lo que requiere un recubrimiento superficial para aumentar la absorción de la radiación solar. Durante el uso a alta temperatura, el sustrato y el recubrimiento pueden agrietarse y la mala resistencia a los golpes limita la aplicación práctica.
(2) Cerámica de cordierita
Tienen bajos coeficientes de expansión térmica, buena resistencia al choque térmico y grandes superficies específicas. Sin embargo, debido a su baja resistencia, materiales como la mullita ycirconitaA menudo se añaden para mejorar la fuerza. Comocerámica de alúmina, las cerámicas de cordierita son adecuadas sólo para aplicaciones de temperatura media.
(3)Cerámica de carburo de silicio
Estos exhiben alta resistencia, gran superficie específica, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, buen aislamiento térmico, resistencia al choque térmico y resistencia a altas temperaturas. En comparación con las cerámicas de alúmina y cordierita, las cerámicas de carburo de silicio tienen un mejor rendimiento a altas temperaturas. Las investigaciones indican que los receptores de carburo de silicio sinterizado pueden alcanzar temperaturas de salida de aire de hasta 1200 °C sin daños materiales.
La cerámica avanzada aún no se ha implementado ampliamente en el mercado solar debido a los costos técnicos. Sin embargo, con los avances tecnológicos, las actualizaciones de productos y la mejora de la eficiencia de producción, se introducirán ampliamente en el mercado productos cerámicos que combinen de manera efectiva y eficiente con los sistemas de energía solar térmica.
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