BRPI0708239A2 - coletor solar concentrador - Google Patents

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Abstract

COLETOR SOLAR CONCENTRADOR. A invenção se refere a um coletor solar concentrador que compreende uma cobertura (1) transparente aos raios solares, um refletor cilindro-parabólico (2), um elemento de transferência de calor (3), e um transformador (5) que permite a redução das perdas de energia por emissividade, o referido transformador (5) não estando em contato com o referido elemento de transferência de calor (3).

Description

RELATÓRIO DESCRITIVO
Pedido de Patente de Invenção para "COLETOR SOLARCONCENTRADOR"
Campo da Invenção
A presente invenção se refere a um coletor solar concentrador.
Estado da Técnica
O princípio de operação geral de um coletor solar é a capturada radiação solar para transformá-la em calor ou eletricidade.
Existem dois tipos principais de coletores, os coletores de"placas planas" e os coletores "concentradores". Os coletores de placasplanas transformam a radiação solar em calor por sobre toda a superfície docoletor, sem concentrá-la, enquanto que os coletores concentradoresconcentram a radiação solar no ponto focai por meio de um refletor ou demeios ópticos utilizando um efeito de lente de ampliação.
Entre os coletores solares concentradores, é feita a seguintedistinção: de um lado, existem os coletores que utilizam um refletor naforma de uma parábola de revolução. Esses coletores concentram os raiossolares no ponto focai da parábola em um motor Stirling, um motor no qualo calor é transformado em movimento, um movimento que é transformadoem eletricidade por meio de um alternador.
Por outro lado, há coletores que utilizam um refletor cilindro-parabólico e que concentram os raios solares em um conversor que permiteque os raios solares sejam transformados em calor. O conversor tambémcompreende um tubo em que um fluido de transferência de calor circula.
Esse fluido irá permitir que o calor armazenado seja acumulado em umreservatório de armazenamento, ou recuperado através de um trocador decalor.
O conversor precisa não só possuir um alto nível de absorçãodo espectro inteiro da radiação solar, mas também possuir umaemissividade reduzida, isto é, re-emissão de calor reduzida. Além disso,nos coletores solares concentradores, a superfície do conversor égeralmente mais fraca do que a da abertura do coletor.
Tais coletores solares concentradores são bem conhecidos. Osconversores utilizados apresentam uma seção transversal retangular, ouuma seção transversal circular, enquanto que os refletores, por sua vez,podem ser hemi-cilíndricos ou ciclo-parabólicos.
Os documentos EP 0033054, US 3321012 e US 4024852descrevem coletores solares em que o conversor apresenta uma seçãotransversal retangular. Como descrito no documento EP 0033054, o refletorpode possuir a forma de uma curva contínua composto por ao menos cincoarcos de um círculo que unem uns aos outros tangencialmente, mas eletambém pode possuir uma forma hemi-cilíndrico, como a descrita nodocumento US 3321012, ou até mesmo uma forma ciclo-parabólica, comoa descrita no documento US 4024852.
Os documentos US 4059094, AT 402114 e AT 344375descrevem coletores solares nos quais o conversor possui uma seçãotransversal circular. Como descrito nos documentos AT 402114 e AT344375, o refletor pode ter uma forma hemi-cilíndrica, ou até mesmo umaforma ciclo-parabólica como a descrita no documento US 4059094.
Soluções diferentes foram sugeridas para melhorar a eficiênciados coletores solares concentradores. Algumas destas soluções sãobaseadas no uso de diferentes materiais para fazer os elementosconstituintes de um coletor para aumentar o rendimento da transferência deenergia solar em calor.
Outras soluções, como as descritas nos documentos AT344375 e AT 402114, sugerem a maximização da quantidade de radiaçãosolar recebida pelo coletor através da utilização de um "absorvente", umelemento auxiliar que seja parte integrante do conversor. Esse absorventecaptura parte da radiação solar indireta e transfere o calor suplementar,assim absorvido, para o fluido de transferência de calor.
No entanto, essas soluções produzem um rendimento deenergia que é ainda muito baixo e têm a desvantagem de não limitar asperdas de calor causadas por um fenômeno de re-emissão de calor,particularmente no nível do conversor.
Objetivos da Invenção
A presente invenção visa a oferecer um coletor solarconcentrador que não apresente as desvantagens do estado da técnica.
Ela visa em particular a fornecer um coletor solar concentradorcom eficiência aumentada. Ela também visa a fornecer um coletor solar,que possa ser utilizado na forma de painéis solares e que possam, alémdisso, ser utilizados para a geração de eletricidade, aquecimento,condicionamento do ar, e dessalinização da água.
As expressões "coletor", "célula" e "captador" são utilizadassinonimamente na descrição da invenção a seguir.
Descrição Resumida da Invenção
A presente invenção descreve um coletor solar concentradorque compreende uma cobertura que é transparente aos raios solares, umrefletor com uma seção transversal cilindro-parabólica, um elemento detransferência de calor e um transformador que reduz as perdas de energiaatravés da emissividade, o referido transformador não estando em contatocom o referido elemento de transferência de calor.
De acordo com modalidades particulares, a invenção inclui umou mais dos seguintes recursos característicos:
- o elemento de transferência de calor é arranjado dentro de umtubo de vácuo.
- o transformador é fixo à cobertura e/ou ao refletor e/ou ao tubode vácuo.o transformador é uma lâmina que repousa no plano desimetria da seção transversal do refletor.
o transformador é uma lâmina de carbono ou de sílica, ou umalâmina metálica.
o transformador compreende lamelas.
o transformador é coberto com uma substância de alta emissãotérmica.
a cobertura do coletor é feita de um material sintéticotransparente ou de vidro solar.
- o volume é um volume preenchido com um gás ou um líquido.
o coletor compreende adicionalmente uma abertura quepermite que o gás ou o líquido seja injetado para dentro ou evacuado parafora do volume.
o elemento de transferência de calor tem uma seção transversalretangular, uma seção transversal circular, uma seção transversal oval, ouuma forma quadrada.
o elemento de transferência de calor é um tubo metálico ou umtubo feito de um material plástico.
a superfície do elemento de transferência de calor é parcial ouinteiramente coberta com uma substância que tenha uma alta absorção doespectro solar e uma baixa emissão térmica.
o elemento de transferência de calor possui as característicasde um tubo de calor.
o elemento de transferência de calor está localizado no pontofocai do coletor solar.
o elemento de transferência de calor contém um líquido ou gásde transferência de calor.
o coletor compreende adicionalmente um isolante térmico.o isolante térmico é escolhido a partir de uma espuma depoliuretano, espuma de poliestireno, fibra de rocha e fibra de vidro.
o coletor compreende adicionalmente ao menos um meio delocalização do sol.
A presente invenção, além disso, descreve o uso do coletorsolar na forma de painéis solares.
A presente invenção também descreve o uso do coletor solarpara a geração de eletricidade, aquecimento, condicionamento do ar, oudessalinização da água.
Breve Descrição dos Desenhos
A Fig. 1 mostra uma vista esquemática de uma modalidadeparticular do coletor solar de acordo com a invenção.
A Fig. 2 mostra uma vista esquemática de uma modalidadeparticular do transformador.
A Fig. 3 mostra uma vista esquemática de uma multiplicidadede coletores solares de acordo com a invenção, formando um painel solar.Descrição Detalhada dos Desenhos
No coletor solar concentrador de acordo com a invenção, aradiação solar é concentrada em um elemento de transferência de calor 3por intermédio de um refletor longitudinal com uma seção transversalcilindro-parabólica 2.
A radiação solar recebida pelo elemento de transferência decalor 3 é absorvida; contudo, parte dessa energia absorvida é re-emitidapara dentro do volume 7. Essa energia re-emitida pode passar através dacobertura 1, em cujo caso será definitivamente perdida, ou pode serabsorvida pela cobertura 1 do coletor solar.
A originalidade da presente invenção está no uso de umtransformador 5 que permite que uma parte da radiação solar,preferivelmente da radiação solar indireta, seja utilizada para reduzir asperdas de energia através da emissividade e para limitar a quantidade deenergia irradiada.
"Energia irradiada" significa energia emitida durante ofenômeno natural chamado emissividade térmica, um fenômeno durante oqual qualquer material atingido pela radiação solar emite uma radiaçãoinfravermelha se esfriando. Assim, a energia irradiada compreende aenergia re-emitida pelos elementos que compõem o coletor solar, emparticular através do elemento de transferência de calor.
O coletor solar de acordo com a invenção compreende umacobertura 1, um refletor com uma seção transversal cilindro-parabólica 2,um elemento de transferência de calor 3, assim como um transformador 5.
De acordo com uma modalidade particular da invenção, amontagem do refletor 2 e do elemento de transferência de calor 3 ésuportada sobre, ou incluída dentro, de uma camada de um isolante térmico6 que repousa em uma armação 8 ou uma moldura, sobre a qual a cobertura1 repousa (Fig. 1). A referida armação 8 tem preferivelmente uma formaquadrada ou retangular.
A cobertura 1 é preferivelmente feita de um material que sejatransparente aos raios solares, que tenha um baixo grau de reflexão e umaalta transmissão. Vantajosamente, o material é um material transparentesintético ou um vidro solar.
"Vidro solar" significa um vidro que tenha um baixo conteúdoem ferro e cuja superfície seja tratada de maneira a reduzir os efeitos dareflexão. O tratamento da superfície pode ser alcançado através daaplicação de uma camada, ou película, de Teflon.
Vantajosamente, a superfície interior da cobertura 1 pode sercoberta com uma substância que reflita os raios infravermelhos.
O refletor 2 tem uma seção transversal cilindro-parabólica eum formato longitudinal. Ele permite que a concentração da radiação solarseja obtida no elemento de transferência de calor 3, que está situado noponto focai da parábola.
O refletor 2 tem uma superfície altamente refletora. Elepreferivelmente possui as características de um espelho. Com estepropósito em vista, o refletor 2 pode ser feito de um material rígido, porexemplo, vidro, sobre o qual uma camada de uma substância refletora éaplicada.
Preferivelmente, o refletor 2 é feito de alumínio.
O elemento de transferência de calor 3, no qual um fluido detransferência de calor circula, preferivelmente possui uma seção transversalretangular, uma seção transversal circular, uma seção transversal oval ouuma forma quadrada. Ele pode ser um tubo metálico ou um tubo feito deum material plástico resistente às temperaturas de operação do coletorsolar. O referido elemento de transferência de calor é preferivelmente feitode cobre ou de alumínio.
A superfície do elemento de transferência de calor 3 épreferivelmente coberta, inteira ou parcialmente, com uma camada de ummaterial com uma alta absorção do espectro solar e uma baixa emissãotérmica. Contudo, no caso de uma cobertura parcial do referido elementode transferência de calor 3, a substância com uma alta absorção do espectrosolar e baixa emissão térmica terá que cobrir a superfície do referidoelemento 3, que é voltado em direção à abertura da parábola.
O elemento de transferência de calor 3 contém um gás ou umlíquido de transferência de calor. O gás de transferência de calor pode ser o ar. O líquido de transferência de calor pode ser a água, com ou semaditivos, ou, para temperaturas de operação acima de 200°C, o referidofluido pode ser um óleo estável, que não desintegre em altas temperaturas.
Vantajosamente, o elemento de transferência de calor 3 possuias características de um tubo de calor.O tubo de calor é um tubo vazado que contém um fluido detransferência de calor sob vácuo, que é escolhido em função de suatemperatura de condensação/vaporização. O tubo de calor permite que ocalor seja padronizado e deslocado o mais rapidamente possível, graças aum fenômeno alterador de fase. A energia solar concentrada pelo refletordentro do conversor permite que o fluido de transferência de calor sejavaporizado. Esta energia é então recuperada no nível de uma zona maisfria, em um trocador de calor, por exemplo, através da condensação dofluido de transferência de calor.
Preferivelmente, o elemento de transferência de calor 3 édisposto dentro de um tubo de vácuo 4. O referido tubo 4 permite que asperdas de energia do elemento de transferência de calor 3 sejam limitadas.
Vantajosamente, o referido tubo de vácuo 4 é feito de ummaterial transparente, preferivelmente de um vidro solar ou um vidro deborossilicato. O referido tubo 4 pode ser coberto com uma camada de umasubstância que tenha propriedades anti-refletoras.
O isolamento térmico do coletor solar de acordo com ainvenção é assegurado, por um lado, pela presença da cobertura 1 e, poroutro lado, por um isolante térmico 6.
O isolante 6 é preferivelmente uma espuma de poliuretano oude poliestireno, fibra de rocha ou fibra de vidro.
O transformador 5 permite que as perdas de calor devidas àemissividade do elemento de transferência de calor 3 sejam diminuídas eportanto desempenhem no isolamento do coletor solar ao criar uma barreiratérmica contra as re-emissões de infravermelho do elemento detransferência de calor 3. Ao capturar parte da radiação solar, otransformador 5 esquenta e re-emite energia irradiada que é transferida aovolume 7.O transformador 5 não fica em contato com o elemento detransferência de calor 3, nem diretamente e nem indiretamente. Não hácontato sólido-sólido entre o referido transformador 5 e o referido elementode transferência de calor 3. Na modalidade em que o elemento detransferência de calor 3 é arranjado dentro de um tubo de vácuo 4, otransformador 5 pode estar em contato com o referido tubo 4 desde que nãoesteja em contato com o elemento de transferência de calor 3.
O transformador 5 é fixo à cobertura 1, e/ou ao refletor 2, e/ouao tubo de vácuo 4. O referido transformador 5 está situado no plano desimetria da seção transversal do refletor, ao longo de todo o comprimentodo coletor solar. Mais precisamente, se o elemento de transferência de calor3, que está localizado no ponto focai do refletor cilindro-parabólico 2,estiver situado no fundo da parábola, como representado na Fig. 1, oreferido transformador 5 estará disposto debaixo da placa da abertura 1,enquanto que, se o elemento de transferência de calor 3 estiver situado soba cobertura 1, o referido transformador 5 estará arranjado entre o elementode transferência de energia 3 e o fundo da parábola. Para todas as situaçõesintermediárias, ou seja, todas as posições que o elemento de transferênciade energia 3 possa assumir ao longo do plano de simetria da seçãotransversal do refletor 2, o transformador 5 pode possuir a forma de doiselementos distintos, que estão dispostos nos dois lados do elemento detransferência de calor 3, um em direção à cobertura, e o outro em direçãoao fundo da parábola.
O transformador 5 é um bom condutor de calor epreferivelmente uma lâmina de carbono ou de sílica, ou ainda uma lâminaou pedaço metálico ou de ligas metálicas. O referido metal pode ser, porexemplo, o cobre, o alumínio, a prata, ouro, tungstênio, latão, estanho, ouuma liga de um ou mais dos metais referidos acima.Em uma modalidade preferida da invenção, o transformador 5é feito de qualquer material que seja coberto por uma substância com umaalta emissão térmica. Esta pode ser qualquer substância escurecida,preferivelmente de natureza metálica. Pode ser o carbono em qualquer umade suas formas, fuligem ou grafite, por exemplo, ou sílica. Ela pode ser ummetal tal como o cobre, o alumínio, alumínio anodizado, a prata, ouro,tungstênio, latão, estanho, ou uma liga de um ou mais dos metais referidosacima.
O transformador 5 tem preferivelmente uma forma retangular.
Vantajosamente, o transformador 5 pode compreender tambémlamelas que podem ser interligadas (Fig. 2). Essa modalidade particular doelemento 5 permite uma melhor difusão e distribuição da radiação emitidapelo transformador 5 no volume 7. Isto permite que as turbulências quepossam estar presentes no volume 7 sejam reduzidas.
O volume 7 corresponde ao espaço existente entre o refletor ea cobertura do coletor. O referido volume 7 contém um gás ou um fluido,capaz de absorver a radiação infravermelha.
Preferivelmente, o gás que preenche o referido volume 7 é odióxido de carbono ou ar enriquecido com dióxido de carbono com vapor.
Ele poderia também ser um ou diversos haletos de alquila (CFC),hexafluoreto de metano ou de enxofre.
A pressão do gás do volume 7 pode ser inferior, igual ousuperior à pressão atmosférica. Para este efeito, o coletor solar podecompreender adicionalmente uma abertura que permita que o fluido sejainjetado para dentro ou evacuado para fora do volume 7.
A armação 8, sobre a qual a montagem da cobertura 1, dorefletor 2 e do elemento de transferência de calor 3 é suportada, épreferivelmente feita de um metal, como o alumínio, por exemplo, ou demadeira, ou de um material compósito, ou até mesmo de uma combinaçãodesses materiais.
O coletor solar de acordo com a invenção vantajosamentecompreende ao menos um meio de localização do sol. Os referidos meiospermitem que o percurso do sol seja monitorado e que o posicionamento docoletor seja ajustado em todas as direções para se obter uma exposiçãosolar ideal, isto é, para permitir que o coletor assuma um posicionamentoideal com relação ao sol com vistas à captura do máximo de energia. Isto éalcançado por meios mecânicos ou hidráulicos.
O coletor solar de acordo com a invenção é preferivelmenteutilizado na forma de painéis solares (Fig. 3).
O coletor solar de acordo com a invenção é preferivelmenteutilizado para a geração de eletricidade, aquecimento, condicionamento doar, ou para a dessalinização da água.

Claims (20)

1. Coletor solar concentrador compreendendo umacobertura (1) transparente aos raios solares, um refletor se seção cilindro-parabólica (2), a referida cobertura (1) e o referido refletor (2) definindoum volume (7), e um elemento de transferência de calor (3), caracterizadopor compreender ainda um transformador (5) que permite a diminuição dasperdas de energia por emissividade, estando o referido transformador (5)coberto com uma substância de alta emissão térmica; e pelo referidotransformador (5) absorver uma parte da radiação solar e re-emitir calorpara dentro do referido volume (7), e pelo referido transformador (5) nãoestar em contato com o referido elemento de transferência de calor (3).
2. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)estar arranjado dentro de um tubo de vácuo (4) transparente.
3. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo transformador (5) ser fixo àcobertura (1) e/ou ao refletor (2) e/ou ao tubo de vácuo (4).
4. Coletor solar concentrador de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo transformador (5) ser umalâmina situada no plano de simetria da seção transversal do refletor (2).
5. Coletor solar concentrador de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo transformador (5) ser umalâmina de carbono ou de sílica, ou uma lâmina metálica.
6. Coletor solar concentrador de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo transformador (5)compreender lamelas (9).
7. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pela cobertura (1) do referido coletor serfeita de um material sintético transparente ou de vidro solar.
8. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo volume (7) ser preenchido com um gásou com um líquido.
9. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 8, caracterizado por compreender ainda uma abertura quepermite que o gás ou o líquido seja injetado ou evacuado do volume (7).
10. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)possuir uma seção transversal retangular, uma seção transversal circular,uma seção transversal oval ou um formato quadrado.
11. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)ser um tubo metálico ou um tubo feito de material plástico.
12. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pela superfície do elemento detransferência de calor (3) ser parcial ou inteiramente coberta com umasubstância que tenha uma alta absorção do espectro solar e uma baixaemissão térmica.
13. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)apresentar as características de um tubo de calor.
14. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)estar localizado no ponto focai do coletor solar.
15. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo elemento de transferência de calor (3)conter um líquido ou gás de transferência de calor.
16. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo referido coletor compreender ainda umisolante térmico (6).
17. Coletor solar concentrador de acordo com areivindicação 16, caracterizado pelo isolante (6) ser escolhido a partir deuma espuma de poliuretano, espuma de poliestireno, fibra de rocha e fibrade vidro.
18. Coletor solar concentrador de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 17, caracterizado por compreender ainda ao menosum meio de localização do sol.
19. Coletor solar concentrador de acordo com qualquer umadas reivindicações 1 a 18, caracterizado por estar na forma de painéissolares.
20. Uso do coletor solar de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 19, caracterizado por ser para a geração de eletricidade,ou para aquecimento, ou para condicionamento do ar, ou paradessalinização da água.
BRPI0708239-8A 2006-02-24 2007-02-22 coletor solar concentrador BRPI0708239A2 (pt)

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