Durabilidade superfícies absorsoras para coletores solares térmicos

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

Durabilidade superfícies absorsoras para coletores solares térmicos

Sofia Gomes da Silva Mendo

Dissertação Versão pública

MESTRADO EM QUÍMICA TECNOLÓGICA Especialização em Química Tecnológica

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UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA E BIOQUÍMICA

Durabilidade de superfícies absorsoras para coletores solares térmicos

Sofia Gomes da Silva Mendo

Dissertação Versão pública

MESTRADO EM QUÍMICA TECNOLÓGICA Especialização em Química Tecnológica

Orientadora: Prof. Doutora Maria José Lourenço Coorientadora: Doutora Teresa Cunha Diamantino

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Durabilidade de superfícies absorsoras para coletores solares térmicos

Sofia Gomes da Silva Mendo – DQB – FCUL i

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer às minhas orientadoras, Doutora Maria José Lourenço e Doutora Teresa Cunha Diamantino, por todo o apoio e acompanhamento neste trabalho, assim como disponibilidade e simpatia sempre demonstrada.

Gostaria também de agradecer a toda a equipa do Laboratório de Materiais e Revestimentos (LMR), que de diferentes formas contribuíram para a realização e sucesso deste trabalho, Engª. Isabel Figueira, Dr.ª Isabel Nascimento, Doutora Cristina Ferreira, Engª. Rosário Costa, Dr.ª Rita Pimenta, Engª. Maria João Marques, Engª. Teresa Ferraz, Engª. Susana Dias, Engª. Joana Santos, Sr.ª Ana Esperto, Sr.ª Teresa Magalhães e Sr. Paulino Verdasca. Em especial, agradeço ao Eng.º José António dos Santos pela ajuda na montagem necessária à realização do ensaio de resistência à humidade e temperatura com condensação.

Os meus agradecimentos à Doutora Clarisse Nunes pelo apoio na determinação das propriedades óticas e à Doutora Alexandra Barreiros no estudo de algumas amostras por microscopia eletrónica de varrimento.

Agradeço à Doutora Maria João Carvalho, pelas facilidades e meios que me concedeu para a realização deste trabalho. Um obrigada ao Eng.º Nuno Mexa, pela visita guiada ao LES.

Agradeço ao Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG) pela oportunidade que me concedeu para a realização deste estágio no LMR.

Gostaria de agradecer à Fogãosol, em especial ao Sr. Ricardo Santos, por todas as facilidades que me concedeu para a realização deste trabalho.

Obrigada a todos os meus amigos e colegas de Química Tecnológica, em especial à Filipa e à Edna pela amizade que sempre demonstraram.

Não podia deixar de agradecer aos meus pais e ao meu irmão por todo o apoio e incentivo que me deram ao longo desta caminhada.

E por último, mas não menos importante, agradeço ao Emanuel por toda a paciência e compreensão, por aturar as minhas teimosias e persistências e por estar sempre ao meu lado, nos bons e maus momentos.

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ii Sofia Gomes da Silva Mendo – DQB –FCUL

Resumo

Este trabalho consistiu no estudo de três superfícies absorsoras solares para coletores solares térmicos (filme seletivo, revestimento orgânico seletivo e revestimento orgânico não seletivo), com o objetivo de estudar o seu comportamento em diferentes ensaios de envelhecimento acelerado, com vista à sua qualificação em termos de durabilidade, de acordo com procedimentos estabelecidos pelo projeto norma prEN12975-3-1:2011.

Inicialmente foi feita a caracterização dos revestimentos em termos das suas propriedades óticas (absortância solar e emissitância térmica), assim como a avaliação da espessura, da cor, do brilho e da aderência. Os revestimentos foram igualmente caracterizados através da microscopia eletrónica de varrimento com espectroscopia de dispersão de energias associada. De forma a estudar a durabilidade das superfícies absorsoras, procedeu-se à avaliação do desempenho e do comportamento das mesmas relativamente à temperatura, à humidade e temperatura com condensação e a contaminantes atmosféricos (cloreto de sódio e dióxido de enxofre), através da realização de ensaios de envelhecimento acelerado. Os dois primeiros ensaios foram realizados de acordo com os procedimentos estabelecidos no projeto norma. Os ensaios de resistência ao nevoeiro salino e ao dióxido de enxofre foram igualmente realizados segundo métodos normalizados.

De acordo com o referido no projeto norma, todas as superfícies absorsoras ficaram qualificadas em termos de resistência à temperatura e à humidade e temperatura com condensação, garantindo assim uma durabilidade superior a 25 anos. No entanto, no caso do revestimento orgânico não seletivo, os resultados obtidos foram inconclusivos, sendo por isso necessário realizar novos estudos. Verificou-se que, após o estudo das superfícies absorsoras sujeitas aos ensaios de resistência ao nevoeiro salino e ao dióxido de enxofre, o filme seletivo foi o que sofreu maior corrosão e consequentemente uma maior degradação das propriedades óticas. O revestimento orgânico seletivo apresentou um desempenho ótico satisfatório relativamente aos requisitos estudados, assim como uma maior proteção anticorrosiva face a atmosferas com nevoeiro salino e com dióxido de enxofre. Este revestimento constitui uma alternativa muito promissora como superfície absorsora solar para coletores solares térmicos.

Palavras-chave: absortância solar, emissitância térmica, critério de desempenho ótico,

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Sofia Gomes da Silva Mendo – DQB – FCUL iii

Abstract

This work consisted of the study of three solar absorber surfaces to solar thermal collectors (selective film, selective organic coating and nonselective organic coating), with the aim of studying their behavior in accelerated life testing with the purpose to qualify them in the terms of durability according to the test methods established in the draft prEN 12975-3-1:2011.

Initially, it was made the characterization of the coatings in terms of their optical properties (solar absorptance and thermal emittance), as well as the evaluating of the thickness, color, brightness and adhesion. The coatings were also characterized by scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy associated. In order to study the durability of the solar absorber surfaces, it was proceeded to their evaluating of the performance and the behavior in relation to temperature, temperature and humidity with condensation of water and atmospheric contaminants (sodium chloride and sulphur dioxide), by performing accelerated life tests. The first two tests were performed according to the procedures established in the draft standard. The tests for resistance to salt spray and sulphur dioxide were performed according to standard methods.

According to the referred draft standard, all the absorber surfaces were qualified with the respect to its thermal stability and to its temperature and humidity with condensation, ensuring a durability exceeding 25 years. However, in the case of nonselective organic coating, the results were inconclusive, being therefore necessary to conduct further studies.

It was found that after the study of the surfaces subjected to tests for resistance to salt spray and sulfur dioxide, the selective film suffered the greatest corrosion and therefore further degradation of optical properties. The optical performance of the selective organic coating was satisfactory regarding the requirements studied, as well as a greater anti-corrosive protection against atmospheres with salt spray and sulphur dioxide. This coating is a very promising alternative as solar absorber surface for solar thermal collectors.

Keywords: solar absorptance, thermal emittance, optical performance criteria,

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iv Sofia Gomes da Silva Mendo – DQB –FCUL

Enquadramento do trabalho na Instituição

Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Materiais e Revestimentos (LMR), nas instalações do Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG), no pólo do Lumiar, em Lisboa, durante o ano de 2012. O LMR é um centro especializado nos domínios da caracterização, da corrosão/degradação e da proteção anticorrosiva de materiais, tendo como missão desenvolver atividades de I&DT e de apoio técnico e tecnológico dirigidas para o tecido empresarial contribuindo para a inovação e o desenvolvimento sustentado do País em termos de Política Energética.

O trabalho desenvolvido insere-se num projeto em curso no LMR juntamente como o Laboratório de Energia Solar (LES), designado de DURASOL – novos materiais para coletores solares térmicos. Este projeto é realizado com uma empresa nacional da área da energia solar térmica, associada efetiva da APISOLAR (Associação Portuguesa da Indústria Solar).

O projeto DURASOL tem como objetivos, contribuir, em termos de durabilidade dos materiais, para a definição dos ensaios acelerados mais adequados a realizar durante o desenvolvimento e aprovação de um novo coletor solar térmico, assim como na predição do tempo de vida útil em atmosferas marítimas com base em estudos em estações atmosféricas de elevada corrosividade da orla costeira portuguesa. Com os resultados obtidos neste projeto pretende-se desenvolver procedimentos de ensaio de envelhecimento acelerado de materiais, correlacionáveis com as condições de exposição natural, contribuindo assim para a sua especificação com objetivo de os integrar nas especificações internacionais e em simultâneo para difundir em Portugal e noutros países com condições climatéricas semelhantes. Espera-se também conhecer a durabilidade, rendimento e fiabilidade dos materiais em ambientes com diferentes categorias de corrosividade, de forma a introduzir melhorias na conceção dos coletores solares térmicos, preparando as empresas para a normalização emergente em termos da Certificação Europeia de Coletores Solares Térmicos.

O trabalho realizado incidiu sobre uma das etapas deste projeto, em que foi feito o estudo de três superfícies absorsoras solares para coletores solares térmicos, com vista à sua avaliação/qualificação em termos de durabilidade. Este trabalho contribuiu significativamente para o conhecimento da empresa relativamente às superfícies absorsoras, assim como para a introdução de melhorias na conceção dos seus coletores solares térmicos.