Revestimentos absorventes solares: a chave para uma recolha térmica solar de alta eficiência

Revestimentos de absorção solar: a chave para uma recolha eficiente de luz e calor

Na onda global de procura de energia sustentável, a tecnologia de aproveitamento solar térmico, com o seu método de conversão de energia direta e eficiente, sempre ocupou uma posição indispensável. No cerne desta tecnologia está um elemento-chave que determina o desempenho de todo o sistema: o revestimento de absorção solar. Embora esteja escondido dentro do coletor, é o "coração" de todo o processo de conversão de energia. Cada pequeno avanço no seu desempenho leva a uma melhoria significativa da eficiência do aproveitamento solar térmico. Este artigo irá aprofundar o princípio de funcionamento dos revestimentos de absorção solar, explorar de forma abrangente os seus amplos cenários de aplicação, analisar objetivamente o seu estado atual de desenvolvimento e analisar as suas promissoras perspetivas futuras.

Especificação e dados

1) A linha de soldadura a laser desenvolveu uma pequena poça de fusão, o que significa que aumentou a resistência da ligação entre o absorvedor e os tubos ascendentes, o que garante uma maior vida útil ao absorvedor solar; 

2) O aspeto do coletor solar sem linha de soldadura é mais bonito e bem integrado no telhado do edifício; 

3) Não há destruição da superfície da película de revestimento azul no coletor solar de placa plana; 

4) A distância entre dois pontos de soldadura é de 3 mm, mais pontos de soldadura requerem uma transmissão elevada para o sistema.

1. Absorção seletiva espectral: "Peneira de luz" inteligente

O absorvedor solar é um componente essencial que converte a energia da radiação solar em energia térmica e transfere calor para a água. A escolha do material, da estrutura e do revestimento da superfície do núcleo absorvedor de calor influencia decisivamente o desempenho do aquecedor de água. A placa de absorção de calor deve ter uma certa capacidade de suportar a pressão, uma boa compatibilidade com a água e um elevado desempenho térmico.

A radiação solar é uma fonte de energia de largo espectro, estando a sua energia principal concentrada na gama de comprimentos de onda de 0,3 a 2,5 micrómetros (incluindo raios ultravioleta, luz visível e raios infravermelhos próximos). Qualquer objeto com uma temperatura acima do zero absoluto também perde energia através da radiação térmica, e o seu comprimento de onda é geralmente superior a 2,5 micrómetros (raios infravermelhos médio-distantes).

1.º Princípio de funcionamento: a magia da luz e do calor no micromundo

A missão dos revestimentos de absorção solar parece simples: captar a radiação solar ao máximo e convertê-la em energia térmica, minimizando ao máximo a perda do seu próprio calor. No entanto, atingir este objetivo requer um design físico-químico engenhoso, cujo cerne reside na "seletividade espectral".

A tinta preta comum absorve luz de todos os comprimentos de onda de igual forma, mas, quando aquecida, também irradia calor com a mesma eficiência. O revestimento de absorção seletiva espectral, por outro lado, é um "porteiro" inteligente, com dois lados completamente diferentes:

Elevada taxa de absorção (α ≥ 0,94): Apresenta uma capacidade de "devoração" extremamente forte para a gama de ondas curtas da radiação solar (0,3-2,5 µm), refletindo o mínimo de luz solar possível.

Baixa emissividade (ε ≤ 0,05): exibe uma capacidade de "supressão" extremamente elevada para a gama de ondas longas (> 2,5 µm) da sua própria radiação térmica, impedindo que o calor precioso seja irradiado sob a forma de raios infravermelhos.

Esta característica de “alta absorção e baixa emissão” permite que o revestimento aqueça rapidamente e “bloqueie” firmemente o calor. O seu desempenho é geralmente medido pela relação “eficiência de conversão fototérmica” (α/ε), e quanto maior for esta relação, mais notável será o desempenho do revestimento.

2.º Alcançar abordagens técnicas seletivas

Esta propriedade mágica não é acidental, mas é conseguida através dos seguintes micromecanismos principais:

Absorção intrínseca: As propriedades inerentes do material de revestimento determinam que este absorva energia apenas fortemente em gamas específicas. Ao selecionar cuidadosamente materiais compósitos, como óxidos metálicos, nitretos ou carbonetos, as suas gamas de absorção podem sobrepor-se às principais regiões de energia do espectro solar.

Efeito de interferência: O revestimento é concebido como uma estrutura de filme multicamadas (como um filme composto dielétrico de metal), sendo que cada camada tem uma espessura de apenas o nível nanométrico. Quando a luz solar é refletida em diferentes interfaces, ocorrem interferências construtivas e interferências destrutivas, aumentando assim a absorção em ondas curtas e a reflexão em ondas longas.

Textura e dispersão da superfície: Ao fabricar a superfície do revestimento numa estrutura microscópica rugosa ou nanopartículas, a luz incidente sofre múltiplas reflexões e espalha-se no seu interior, sendo totalmente absorvida, como se estivesse presa numa "armadilha de luz".

3. Processo de preparação avançada

Para obter estas microestruturas, são adotadas principalmente as seguintes técnicas avançadas de preparação:

Deposição física de vapor (PVD)/pulverização catódica por magnetrão: Trata-se de um processo em que, em ambiente de vácuo, o plasma é utilizado para bombardear um alvo metálico, fazendo com que os seus átomos se depositem no substrato, formando uma película densa e uniforme. Esta é a tecnologia mais avançada para o fabrico de revestimentos comerciais de alto desempenho e longa vida útil, com elevada pureza e forte aderência.

Métodos eletroquímicos (como a anodização e a galvanoplastia): Um filme de conversão ou camada de deposição é formado na superfície de um substrato metálico (como o alumínio ou o cobre) através de reações químicas no eletrólito. O custo é relativamente baixo, mas o seu desempenho é geralmente inferior ao dos revestimentos PVD.

Método sol-gel: Método químico húmido que forma uma película fina através de reações químicas numa solução. Tem potencial na preparação de revestimentos com componentes e estruturas especiais, mas a estabilidade e durabilidade para aplicações em larga escala ainda estão a ser continuamente otimizadas.

Ii. Cenários de Aplicação: Um Vasto Mundo para Além dos Esquentadores

A aplicação de revestimentos de absorção de energia solar transcendeu há muito tempo os aquecedores de água domésticos tradicionais e permeou vários campos, desde o uso civil e comercial ao industrial.

1. Aplicações a baixa temperatura (<100°C): água quente sanitária e aquecimento de edifícios

Aquecedores solares de água domésticos: Quer se trate de coletores de tubo de vácuo ou de coletores de placa plana, o seu núcleo é o corpo absorvedor de calor revestido com um revestimento de absorção seletiva. Fornece água quente doméstica de baixo custo a milhões de famílias em todo o mundo.

Sistema Solar Integrado de Construção (BIST): Os revestimentos são integrados em fachadas de edifícios, grades de varandas ou telhados, recolhendo energia térmica e servindo também como componentes de construção para fornecer energia para aquecimento de ambientes e água quente.

Aquecimento de piscinas: Mesmo os coletores simples sem cobertura utilizam revestimentos absorventes resistentes às intempéries para aumentar a temperatura da água da piscina.

2. Aplicações de média temperatura (100°C - 400°C): Energia térmica industrial e acionamento

Aquecimento de processos industriais: Este é um enorme mercado potencial de "oceano azul". Em setores como o processamento de alimentos, estamparia e tingimento têxtil, engenharia química e galvanoplastia, é necessária uma grande quantidade de vapor ou água quente de média e baixa temperatura. Os campos solares térmicos baseados em revestimentos de alto desempenho podem substituir os combustíveis fósseis e fornecer energia diretamente a estes processos, conseguindo a conservação de energia e a redução de carbono.

Arrefecimento solar: Ao utilizar o calor gerado pela recolha de calor solar para acionar os frigoríficos de absorção ou adsorção, consegue o efeito de arrefecimento verde de "quanto mais forte o sol, mais frio o ar condicionado".

Dessalinização da água do mar: a tecnologia de dessalinização solar térmica da água do mar depende da energia térmica recolhida pelo revestimento para evaporar a água do mar e obter água doce.

3. Aplicações a alta temperatura (>400°C): geração de energia solar concentrada e energia avançada

Energia solar concentrada (CSP): Nas centrais elétricas CSP, como as de calha parabólica e as de torre, são aplicados revestimentos de absorção nos tubos ou recetores de recolha de calor. Em condições de luz altamente concentrada, a energia solar deve suportar temperaturas de centenas ou mesmo milhares de graus Celsius e transferir calor de forma eficiente para o fluido de transferência de calor (como o sal fundido) para acionar a turbina a vapor para a geração de energia. O revestimento, neste caso, é a tábua de salvação para que a central atinja uma elevada eficiência de conversão fotoelétrica.

Iii. Estado atual de desenvolvimento: As tecnologias maduras coexistem com uma concorrência feroz

Após décadas de desenvolvimento, a indústria de revestimentos de absorção de energia solar formou um padrão com uma clara hierarquia tecnológica e uma concorrência de mercado feroz.

Maturidade tecnológica e estratificação do mercado: Revestimentos como a película azul e o cromo negro, produzidos pela tecnologia de pulverização catódica por magnetrão, tornaram-se configurações padrão para coletores de placas planas e tubos de vácuo de médio a alto padrão. A tecnologia é altamente madura e tem uma vida útil de até 15 a 20 anos. O mercado oferece simultaneamente revestimentos eletroquímicos e revestimentos PVD com uma boa relação custo-benefício, que procuram o máximo desempenho.

Avanços contínuos nos estrangulamentos de desempenho: O foco da investigação e do desenvolvimento sempre foi melhorar a relação α/ε e melhorar a estabilidade térmica (não se degradando a altas temperaturas) e a resistência às intempéries (capacidade de resistir à erosão ambiental, como humidade e névoa salina) do revestimento.

Forte concorrência da energia fotovoltaica: A queda abrupta do preço dos módulos fotovoltaicos exerceu uma enorme pressão sobre o mercado de aproveitamento térmico de média e baixa temperatura na energia solar. Em cenários onde apenas é necessária água quente de baixa qualidade, o modelo "aquecimento fotovoltaico + elétrico" representa um sério desafio ao mercado solar térmico tradicional devido à sua instalação simples e às vantagens do investimento inicial.

A persistência da pressão dos custos: O investimento em linhas de produção de revestimento PVD de alto desempenho é enorme, resultando em custos elevados e dificultando a sua promoção em mercados sensíveis ao preço.

4.Perspetivas de desenvolvimento: o futuro da integração transfronteiriça e impulsionada pela inovação

Perante os desafios, o futuro dos revestimentos de absorção solar não é sombrio, mas sim repleto de oportunidades para abrir novos horizontes através de tecnologia de materiais de ponta e inovação de sistemas.

1. Procurar o máximo desempenho: novos materiais e estruturas de revestimento

Sistemas de filmes multicamadas com gradiente e metamateriais: Através do design assistido por computador, são construídos sistemas de filmes multicamadas mais complexos para alcançar a "personalização precisa" da absorção espectral. Aproveitando conceitos emergentes, como cristais fotónicos e metamateriais plasmónicos, espera-se fabricar revestimentos "ideais" com espectros de absorção extremamente amplos e emissividade extremamente baixa.

Avanço na estabilidade a altas temperaturas: Foram desenvolvidos novos materiais de revestimento à base de nitretos, carbonetos e outros metais de transição, permitindo que se mantenham estáveis ​​durante um longo período a temperaturas acima dos 400 °C e no ar. Isto reduzirá significativamente os custos de operação e manutenção das centrais elétricas CSP e aumentará a sua eficiência.

2. Revestimentos inteligentes e adaptativos

Revestimento adaptativo espectral: Esta é uma direção de vanguarda. Pesquisas sobre revestimentos "inteligentes" que podem ajustar automaticamente a sua emissividade de acordo com a temperatura ambiente. Manter uma baixa emissividade durante a recolha de calor; quando a temperatura é demasiado elevada e pode danificar o sistema, este pode mudar para um estado de elevada emissividade para aumentar a dissipação de calor e desempenhar um papel de autoproteção.

3. Papel central em sistemas fotovoltaicos e solares térmicos (PV-T)

O sistema fotovoltaico pode gerar eletricidade e calor simultaneamente e é a estrela da energia distribuída no futuro. Aqui, o revestimento de absorção de alto desempenho desempenha um papel crucial: como dissipador de calor para a camada inferior das células fotovoltaicas, recolhe eficientemente o calor residual gerado pelas células. Isto não só arrefece os módulos fotovoltaicos (aumentando a sua eficiência de geração de energia e vida útil), como também adquire energia térmica gratuita, maximizando a eficiência de utilização abrangente da energia solar por unidade de área.

4. Fabrico Inteligente e Otimização de Custos

Ao melhorar a taxa de utilização dos alvos de pulverização catódica, ao desenvolver a tecnologia de revestimento contínuo Roll-to-Roll e ao aumentar o nível de automatização das linhas de produção, o custo de produção de revestimentos de alto desempenho pode ser continuamente reduzido, tornando-os competitivos num mercado mais vasto.

Conclusão

O revestimento de absorção solar, esta fina camada com uma espessura medida em micrómetros, é um exemplo perfeito da integração da ciência dos materiais, da óptica e da termodinâmica. Embora esteja oculto dentro do coletor, é o motor central que impulsiona o desenvolvimento de toda a indústria de utilização da energia solar térmica. No contexto da transformação da estrutura energética global em direcção à neutralidade carbónica, os revestimentos de absorção solar desempenham um papel insubstituível, quer seja fornecendo calor às famílias, injectando energia nas indústrias ou, em última análise, iluminando as cidades através da geração concentrada de energia. A sua evolução contínua não está apenas relacionada com a competitividade da tecnologia solar térmica em si, mas também com a capacidade de captar e utilizar a tremenda energia desta estrela de forma mais eficiente e económica. No futuro, com o contínuo surgimento de novos materiais e novas estruturas, esta "chave" que abre a porta à energia solar térmica eficiente irá certamente abrir-nos um novo mundo energético mais limpo e sustentável.