BRPI1004669A2 - sistema hÍbrido de aquecimento de Água e geraÇço fotovoltaica com melhor aproveitamento da energia solar - Google Patents

Abstract

SISTEMA HÍBRIDO DE AQUECIMENTO DE ÁGUA E GERAÇçO FOTOVOLTAICA COM MELHOR APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR. A presente invenção apresenta um sistema híbrido de geração fotovoltaica e aquecimento de água. Este sistema apresenta um módulo de células solares com um trocador de calor em sua traseira, um coletor solar térmico ligado ao módulo de modo a ter um grau de liberdade angular e um boiler para armazenar a água quente. Água fria vinda de um caixa d'água resfria o módulo ao passar pelo trocador de calor. O grau de liberdade entre o módulo e o coletor é interessante, pois assim pode-se ajustar o sistema de acordo com a posição do Sol para maximizar a extração da energia (este posicionamento pode ser feito com um posicionador eletrônico movido por um servo-motor) . Isto ocorre devido à utilização da reflexão de infravermelho promovida pelas células, que pode auxiliar no aquecimento da água. Portanto, este invento melhora os dispositivos em dois sentidos: resfriando as células (aumentando suas eficiências) e melhorando o sistema de aquecimento.

Description

"Sistema híbrido de aquecimento de água e geração fotovoltaica com melhor aproveitamento da energia

solar"

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção se baseia em um sistema que extrai a energia

solar de duas formas: usa a energia da radiação infravermelha de ondas mais longas para o aquecimento de água e a energia da radiação visível e no infravermelho mais próximo para geração de energia elétrica por conversão fotovoltaica. Ela minimiza bastante as falhas que são encontradas nos produtos já inventados, pois ela utiliza dois recursos ainda não explorados de forma conjunta. O primeiro é a separação da água que resfria as células e aumenta sua eficiência, da água que passa pelo aquecimento. 0 segundo é a utilização da radiação infravermelha refletida e não aproveitada pelas células solares para auxiliar o aquecimento da água. Além disto, esta invenção pode contar com um posicionador que faz a procura da melhor disposição do sistema para melhor extração da energia solar.

. 20 O desenvolvimento de novos dispositivos e sistemas para

utilização de energia alternativa é um dos ramos mais pesquisados atualmente. Se tratando de energia solar a pesquisa é ainda mais acentuada, principalmente em sistemas híbridos para melhor aproveitamento desta energia. Estes sistemas podem ser largamente utilizados em residências · de médio e grande porte. Porém, muitas falhas são encontradas nas invenções e nos produtos já comercializados. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

A energia solar sempre foi e ainda é bastante cobiçada por engenheiros, físicos e pesquisadores de todo o mundo. A potência existente nesta fonte de energia é capaz de alimentar diversas atividades, entre elas a produção de energia elétrica e aquecimento de água, alvos da presente invenção.

Convencionalmente, a conversão solar em eletricidade e a coleta de calor são feitos em dois aparatos separados. Coletores térmicos solares são responsáveis por armazenar a energia do Sol através do aquecimento de ar ou fluidos, enquanto as células fotovoltaicas são usadas para conversão de radiação solar em energia elétrica. Porém, a eficiência das células fotovoltaicas é inversamente proporcional à temperatura de funcionamento, ou seja, quando as células fotovoltaicas se aquecem, elas têm sua eficiência comprometida.

A melhor forma de dissipar esse calor, fazendo a manutenção da eficiência das células fotovoltaicas, é criar um fluxo de fluido nessas células. Por sua vez, ao criar este fluxo, torna-se possível a utilização do fluido quente para diversos fins.

Sabe-se que a água é um elemento bastante eficiente para portar calor e resfriar as células fotovoltaicas, prevenindo que exista qualquer comprometimento em seu funcionamento. Dessa forma, diversas pesquisas têm se direcionado para o desenvolvimento de sistemas híbridos de geração fotovoltaica e aquecimento de água. Assim, muitos dos produtos e sistemas já criados utilizam um coletor térmico posicionado atrás de um módulo fotovoltaico, e esse aproveita-se do calor liberado pelo módulo para aquecer fluidos e conseqüentemente resfriar as células.

Podemos verificar que uma grande quantidade de documentos apresenta estrutura de montagem semelhante, como, por exemplo, o documento FR 2926676, que descreve um equipamento híbrido formado por um coletor térmico, montado no interior de um suporte sobre o qual ele se apóia e dentro do qual pode circular um fluido com o qual troca calor. 0 suporte possui uma face anterior destinada à exposição à luz, compreendendo ao menos uma célula fotovoltáica disposta sobre uma face posterior do captador térmico. A troca de calor entre o coletor térmico e o fluido é responsável pela manutenção do funcionamento das células fotovoltaicas, como já dito acima.

Por sua vez, no documento ES2303456 também é descrito um painel solar híbrido, fotovoltaico e térmico, capaz de gerar energia fotovoltaica e aquecimento de água. Ele é formado por uma chapa de material de elevada condutividade térmica, células fotovoltaicas são montadas diretamente sobre o coletor, por onde corre um fluido responsável por captar o calor, diminuindo a temperatura das células fotovoltaicas, e elevando a temperatura da água, assim como no equipamento descrito anteriormente.

O pedido de patente W02007129985 também descreve um aparato que integra, em um único painel, a geração de energia elétrica por radiação solar através de painéis fotovoltaicos, e a geração de calor pelos coletores térmicos. Logo abaixo desse painel são dispostos canos por onde corre um fluido refrigerante do sistema. Finalmente, o documento US2009/0114212 descreve um aparato que, assim como nos equipamentos descritos acima, também visa aumentar a eficiência de células solares. É diferencialmente formado por uma primeira área que contém' lentes de Fresnel refratárias, as quais fazem com que a luz solar seja focada na zona fotovoltaica localizada inferiormente a ela. Energia solar é armazenada entre essas duas camadas e pode ser captada por insuladores localizados na camada inferior. 0 calor então pode ser conduzido ,através de canos preenchidos por ar ou fluidos.

Nessa camada ainda, existe uma segunda região onde se localizam células fotovoltaicas, para as quais a luz solar é direcionada pelas lentes Fresnel e onde a energia solar é convertida em elétrica. Visando maximizar o funcionamento das células fotovoltaicas, essa área possui canais por onde pode passa ar ou fluido com a função de resfriá-las.

Podemos verificar, entretanto, que todos estes equipamentos apresentam um erro que está em sua própria montagem. 0 fato de o coletor ser colocado atrás do módulo, como verificamos nos documentos descritos acima, apresenta dois problemas: impede que o sol atinja o coletor, prejudicando o aquecimento da água; e se a água estiver mais quente que o módulo, as células solares passarão a ser aquecidas, prejudicando a conversão fotovoltaica.

Diferentemente das patentes mencionadas anteriormente, o

documento US6063996 mostra um sistema híbrido montado em formato triangular onde em uma face há células solares enquanto a outra atua como coletor. O fluido passa por baixo desta estrutura triangular, retirando calor destas duas faces e, em conseqüência, se aquecendo. 5/19

Como dito anteriormente, esta patente também sofre com o problema de aquecer as células se o fluido estiver mais quente. Assim, o objetivo do produto não pode mais ser alcançado, além de, na realidade, piorar a eficiência das células. Este é um problema comum e se repete em praticamente todos os sistemas hibridos existentes.

A presente invenção, diferente das descritas anteriormente, utiliza, de forma vantajosa, água sempre vinda de uma caixa d'água para resfriar as células fotovoltaicas e, portanto, fria. Essa água, após capturar o calor das células fotovoltaicas, é transferida para um boiler, não retornando então à caixa d'água e permitindo que a eficiência dessas células se mantenha constante. Deve-se observar que na redução da demanda de água aquecida, o sistema simplesmente para de .receber água fria e a função de resfriamento da célula é reduzida. De qualquer forma, o sistema proposto aqui na média terá as células trabalhando com maior eficiência maior que os antes propostos.

Além disso, uma segunda falha nos sistemas já inventados é a não-utilização da reflexão de infravermelho das células do módulo solar. Esta reflexão ocorre principalmente na região de contato elétrico sob as células. Ela ocorre para a faixa de radiação infravermelha transparente e não aproveitada pela célula. Por ser transparente, ela atravessa o material da célula e reflete no metal dos contatos. Esta reflexão pode ser utilizada para auxiliar o aquecimento da água, aumentando o aproveitamento da energia solar. A presente invenção, vantajosamente, posiciona os dois dispositivos, coletor térmico e células solares, lado a lado, em um ângulo pré- determinado, de forma que as células solares reflitam o infravermelho sobre os coletores térmicos.

Dessa forma, amplia-se o aproveitamento da reflexão e é favorecido ainda mais o aquecimento da água, a qual, por sua vez, é a mesma que foi armazenada no boiler e já está, portanto, pré-aquecida.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção trata-se de um sistema híbrido de geração fotovoltaica e de aquecimento de água que compreende módulo de células solares, coletor solar térmico, trocador de calor, conexões, boiler e tubulações de água.

Nesse sistema, o módulo de células solares, por sua vez, compreende uma placa polimérica superior, células solares, uma camada metálica, uma placa polimérica inferior, uma conexão entre as células e fiação de saída, sendo que as mesmas podem ser dispostas sobre substratos cristalinos ou flexíveis.

Além disso, as camadas metálicas das células solares promovem reflexão do infravermelho incidente no coletor térmico, o qual, por sua vez, compreende uma estufa formada por um recipiente coberto preferencialmente por placa de vidro ou polímero transparente. Dentro deste recipiente se encontra um tubo em formato de serpentina ou alguns tubos paralelos que servem para conduzir a água que é aquecida pelo Sol.

0 coletor térmico e o trocador de calor, podem ter curvaturas e formas variáveis, sendo que o trocador de calor compreende preferencialmente tubos paralelos ou serpentina. 0 trocador de calor deve ainda ser posicionado internamente à estufa e atrás do módulo de células solares, sendo fixado neste através de um material adesivo e condutor térmico.

No sistema proposto, o módulo de células solares e o coletor solar térmico devem ser posicionados voltados para a incidência da radiação solar, sendo que um ou ambos os

dispositivos podem ser fixos ou móveis. No caso de serem móveis, o posicionamento desses dispositivos ocorre através de um sistema eletrônico, preferencialmente um sistema caça- sol e poderá haver variação na angulação entre eles ou rotação do sistema.

As conexões que formam o sistema são resistentes à temperatura e à fadiga, podendo ser metálicas ou poliméricas quando o sistema for fixo, ou formadas por um material flexível,· porém resistente, quando for móvel.

A presente invenção também compreende um boiler com

uma entrada de água proveniente do trocador de calor posicionada na parte inferior, uma saída de água também posicionada na porção inferior e uma entrada para água proveniente do coletor solar ser posicionada na zona superior do boiler. Além disso, ainda compõe o boiler um

ladrão, uma bóia ou sistema eletrônico para controle do volume de água e uma saída de água posicionada na porção superior para consumo.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1: Visão global da presente invenção com os quatro elementos principais presentes. Neste caso, o grau de liberdade entre o coletor e a base é angular entre os planos destes. Figrira 2: Visão global da presente invenção com os quatro elementos principais presentes. Neste caso, o grau de liberdade entre o coletor e a base é rotação do sistema em torno da normal destes planos.

Figura 3: Vista superior de possíveis tipos de coletor ou trocador de calor com tubos paralelos.

Figura 4: Vista superior de possíveis tipos de coletor ou trocador de calor com uma serpentina.

Figura 5: Estrutura típica de um módulo de células solares.

Figura 6: Estrutura comum de um boiler.

Figura 7: Taxa de refletância de partes de uma célula solar obtida por comprimento de onda (nm).

Figura 8: Quantidade de corrente elétrica que passa pela célula (I), em relação à tensão na célula (V) .

Figura 9: Tensão de circuito aberto (Voc) em relação à temperatura da célula solar (T).

Figura 10: Potência gerada por uma célula solar (P), normalizada em 20°C, em relação à temperatura da célula solar (T) .

Figura 11: Variação da temperatura da água no coletor (Θ) em graus Celsius, em relação ao tempo (T) em minutos.

Figura 12: Variação da temperatura da água no coletor (Θ) em graus Celsius, em relação ao tempo (T) em minutos, com incidência de luz a 15°.

Figura 13: Variação da temperatura da água (Θ) medida em graus Celsius em relação ao tempo em minutos. Figura 14: Variação da temperatura da água (Θ), medida em graus Celsius, em relação ao tempo em minutos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção se baseia na utilização de quatro dispositivos principais em conjunto: um módulo de células solares 31, um trocador de calor 11, um coletor solar térmico 41 e um reservatório ou boiler 51. 0 trocador de calor 11 é posicionado na parte posterior do módulo solar 31, colado com um adesivo com alta condutividade térmica 21, com o objetivo de retirar calor das células e pré-aquecer a água. Uma das arestas do coletor solar térmico é acoplada a uma aresta do módulo, de modo que haja um grau de liberdade angular 05 entre eles. Assim, a inclinação do módulo 31 com o trocador acoplado 11 pode ser ajustada de acordo com a posição do Sol, de modo à 15· utilizar a reflexão de infravermelho 04 das células e, conseqüentemente, maximizar a extração da energia solar 03. Também há um grau de liberdade entre o coletor e a base do sistema,' de forma que haja mobilidade entre eles. Esta mobilidade pode ser por movimento angular 06 entre os planos do coletor 41 e da base ou rotacional 07 em torno da normal do coletor.

0 posicionamento pode ser providenciado por um posicionador eletrônico movido por um servo-motor acoplado ao sistema mecânico. A utilização deste posicionador fica a critério do projeto, já que em algumas situações é melhor não utilizá-lo. Neste caso, o sistema deve ser posicionado de forma que a extração da energia solar 03 seja maximizada ao meio-dia, momento em que a radiação solar está mais intensa. O fluxo da água é um dos procedimentos fundamentais desta invenção. A água proveniente de um fornecedor 51 (como uma caixa d'água ou da rua, por exemplo) deve passar primeiro pelo trocador de calor 11. Assim, como esta água é sempre fria, ela irá sempre retirar calor do módulo 31 e nunca aquecê-lo. Esta água pré-aquecida 91 entra no boiler 51 para poder entrar no ciclo de aquecimento com o coletor solar térmico 41. Este aquecimento é causado pela incidência da radiação solar 03 sobre o coletor 41 e, como já dito, é auxiliado com a radiação refletida 04 pelo módulo 31.

Com estas características, o presente invento supera todos os problemas que antes eram apresentados nas invenções anteriores.

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A presente invenção, na Figura 1 e 2, apresenta um sistema híbrido de geração fotovoltaica e de aquecimento de água, sendo formada por, majoritariamente, quatro elementos chaves: um trocador de calor 11, um módulo de células solares 31, um coletor solar térmico 41 e um boiler 51. O trocador de calor 11 e o coletor solar 41 podem ser, por exemplo, dos tipos apresentados nas Figuras 3 e 4. 0 módulo 31 deve ter uma estrutura aproximada à mostrada na Figura 5. Enquanto isto, um tipo de reservatório para o boiler 51 é desenhado na Figura 6.

Na Figura 1 podemos ver o primeiro tipo que a presente invenção pode ter. Nela podemos ver os quatro elementos principais citados acima. Além disto, podemos ver as tubulações de água 02. Estas conexões 02 podem ser rígidas (feitas de metal ou de PVC) ou flexíveis (mangueiras poliméricas ou metálicas, por exemplo). O tipo destas conexões 02 dependerá apenas de como será a atuação do sistema proposto. Os graus de liberdade do sistema 05, que é a inclinação que o coletor 41 pode ter em relação à base do sistema, e 06, que é a movimentação angular entre o módulo 31 e o coletor 41, indicam as movimentações que o sistema possui. Esta movimentação deve ser providenciada por um sistema eletrônico de constante posicionamento, de forma que o sistema se ajuste de tal maneira que a extração de energia solar proveniente da radiação 03 seja máxima. Esta posição se baseia na incidência da radiação solar 03 sobre os dispositivos 31 e 41. A radiação solar 03 que incide sobre o módulo 31 é convertida em energia elétrica. Enquanto isto, a radiação 03 incidente sobre o coletor 41 é utilizada para aquecer a água (ou seja, se transforma em energia térmica). Também há a reflexão de infravermelho 04, que será explicada quando voltarmos ao assunto de posicionamento.

Há dois fatores que são de extrema importância para o

funcionamento da presente invenção. Quanto maior a temperatura das células solares 38 presente no módulo 31 (apresentadas na Figura 5) , menor a sua eficiência e, portanto, pior será a conversão para energia elétrica. Por isto, existe um trocador de calor 11 posicionado atrás do módulo 31 para resfriar as • células 38. Além deste resfriamento, a água é pré-aquecida pelo trocador 11 antes de entrar no boiler 51. Assim, a temperatura inicial da água a ser aquecida no coletor 41 é maior, diminuindo o tempo necessário para aquecer a água até a temperatura desejada.

Este trocador 11 é colado no módulo 31 através de um adesivo 21. Este adesivo 21, além de ter a função de colar os dois dipositivos.il e 31, deve também conduzir bem o calor do módulo 31 para o trocador 11 para que o resfriamento das células solares 38 aconteça com eficiência. Assim, o material do adesivo 21 tem que ser um bom colante com uma excelente condução térmica. Do contrário, o funcionamento do sistema pode ser comprometido.

O segundo fator importante é o posicionamento do sistema.

Este fator deve ser cuidadosamente trabalhado porque a energia que o sistema utiliza não é somente da radiação incidente 03. Como as células solares 38 refletem o infravermelho devido à uma base metálica 36 que elas possuem, esta reflexão 04 é . utlizada para auxiliar o aquecimento da água que passa pelo coletor 41. Assim, tanto o angulo de inclinação 05 do coletor 41 quanto o ângulo relativo 06 devem ser ajustados até uma posição ótima de modo a aproveitar melhor a energia solar. Como já dito, este posicionamento pode ser feito eletronicamente com um sistema de caça-sol.

Estes graus de liberdade 05 e/ou 06 podem ser anulados ao

restringir uma posição definitiva para algum dos ou os dois elementos. Assim, podemos ter quatro situações:

1) Os dois ângulo 05 e 06 livres, regulados por um sistema eletrônico.

2) 0 ângulo 05 é fixo (preso na base, por exemplo) e o ângulo

06 é móvel, regulado por um sistema eletrônico;

3) O ângulo 06 é fixo em uma determinada posição e o ângulo 05 é móvel, regulado por um sistema eletrônico;

4) Os dois ângulos são fixos, de tal modo que a extração da energia solar seja mais eficaz. Aconselha-se regulá-lo na

posição onde a extração da energia seja máxima ao meio- dia .

Se houver graus de liberdade no sistema, as conexões 02 para transportar água devem ser flexíveis, como mangueiras poliméricas ou metálicas. Portanto, o material que forma 02 deve ser um polímero ou metal flexível e resistente à fadiga e à variação de temperatura. Se o sistema for fixo, pode-se utilizar conexões 02 rígidas, que podem ser metálicas ou poliméricas, desde que sejam também resistentes à variação de temperatura. Caso o sistema possua apenas um grau de liberdade, pode-se utlizar apenas conexões 02 flexíveis aonde há movimentação e rígidas aonde o elemento é fixo.

Na Figura 2 temos um segundo tipo para a presente invenção. 0 sistema é bastante parecido com o caso apresentado na Figura 1. Porém, aqui o grau de liberdade 05 não existe, dando lugar a um outro tipo de grau de liberdade 07. Este movimento 07 é a rotação do coletor em relação à base. Δ utilização de 05 ou 07 fica à critério do projeto específico de instalação da presente invenção, já que em alguns casos pode ser mais simples utilizar 05 e em outros 07. Todas as análises de utilização de um sistema de posicionamento, e materiais a serem utilizados, feitas para o primeiro caso da Figura 1 (que utiliza o grau de liberdade 05) podem ser consideradas para o segundo caso da Figura 2 (que usa o grau de liberdade 07) .

Na Figura 3 e na Figura 4 temos dois exemplos de trocador de calor 11 e de coletor solar térmico 41 que podemos ser utilizados para a presente invenção. Apesar das representações nas figuras, o coletor 41 e o trocador 11 podem ter curvaturas e suas formas, se for adequado para o projeto.

Comecemos com o trocador de calor 11. Na Figura 3, temos um 11 do tipo de tubos paralelos 14. Nele a água entra por 12, passando pelos tubos paralelos 14 sendo pré-aquecida. Logo depois, a água sai por 13 para passar pelas conexões 02 e entra no boiler 51. Na Figura 4, temos um segundo tipo de trocador de calor 11, onde temos uma serpentina 15 ao invés de tubos paralelos 14. 0 funcionamento é o mesmo: a água entra por 12, passa pela serpentina 15 sendo pré-aquecida e sai por 13, indo para o boiler 51.

No caso das figuras representarem um coletor solar

térmico, os processos são os mesmos. A entrada de água continua sendo 42 e a saida 43. A serpentina 45 e os tubos paralelos 44 continuam sendo os meios de aquecer a água. Porém, o coletor 41 deve ter uma estufa para poder armazenar o calor. Esta estufa pode ser uma placa de vidro na parte superior da caixa que guarda a serpentina 45 ou então uma placa de um polímero transparente.

Entretanto, seja o coletor 41 ou o trocador de calor 11 devem ser de cor negra, de modo a absorver melhor a radiação de calor. Esta coloração pode ser adquirida por pintura ou por jateamento de areia, por exemplo.

A Figrara 5 apresenta a estrutura básica e comum de um módulo de células solares 31. Nela podemos ver a armação do módulo 34, a placa de vidro que protege as células 32, a placa polimérica superior 33 para proteção, as células solares 38, a camada metálica 36, a placa polimérica inferior 35, a conexão entre as células 37 e, por fim, a fiação de saída 32. Assim como o coletor 41 e o trocador de calor 11, o módulo 31 pode ter curvaturas em sua forma.

Nesta figura podemos notar alguns elementos importantes no

módulo 31 necessários para o funcionamento do sistema. A armação 34 que o protege deve sofrer adaptações necessárias para poder acoplar o módulo 31 ao coletor 41 ou ao sistema de posicionamento. Estas adaptações podem variar de acordo com o projeto de instalação. Assim, o material de 34 deve ser metálico ou polimérico com propriedades mecânicas adequadas.

Porém, o fator essencial do módulo é o contato metálico 36 que existe atrás das células solares 38. A sua importância está em ele causar a reflexão de infravermelho 04 que auxilia o aquecimento da água. Se o módulo não possuir este contato 36 não haverá esta reflexão 04.

0 material dos demais elementos não é de grande importância para a funcionalidade do sistema híbrido. Portanto, por exemplo, as células solares 38 podem ser de silício monocristalino, silício policristalino, silício amorfo, orgânicas, CIGS, compostos III-V, etc. Elas podem estar sobre susbtratos cristalinos ou flexíveis.

Por fim, na Figura 6 temos uma representação básica esquemática de um reservatório 51, mais conhecido como boiler. Nele podemos identificar a entrada 52 de água pré-aquecida 91 proveniente do trocador de calor 11; a saída 53 de água pré- aquecida 92 para ser aquecida no coletor solar 41; a entrada 54 de água aquecida 93 pelo coletor 41; o ladrão 55; uma bóia 56; e uma saída 58 para a água quente 94 para consumo.

As representações da água entrando e saindo 91, 92 e 93 mostram o caminho que a água 57 fez e ainda fará no ciclo de aquecimento solar. A disposição destas entradas 52 e 54 e saída 53 na estrutura do boiler 51 devem ser cuidadosamente feitas para que não prejudique a sua funcionalidade. Assim, a entrada 52 deve ser manejada de tal forma que a água 91 entre na parte de baixo da reserva 57, pois é nesta região que a água 57 está mais fria. Este manejamento pode ser a colocação imediata da entrada 54 na zona inferior do boiler 51 ou dobrando o cano para expulsar a água 91 na região de água fria, como representado na Figura 6. A saída 58 também deve ser bem planejada, de forma a retirar do boiler 51 a parte em que a água da reserva 57 está mais quente, direcionando-a para consumo.

Com a presença ou não de uma bomba para forçar o movimento da água (pois caso não haja bomba a água circula por convecção natural) , as disposições da entrada 54 e da saída 53 são ainda importantes. A saída de água 53 deve ser posicionada na zona inferior do boiler 51, pois é nesta região que a água 57 é mais fria e que, portanto, deve ser aquecida. Ao contrário deste, a entrada de água 54 proveniente do coletor 41 deve ser posicionada na zona superior do boiler 51, parte em que a água 57 está mais quente, evitando misturar água em diferentes temperaturas e perder a água aquecida 93.

A bóia 56 é um exemplo de controle do volume de água que entra no boiler 51. Também pode ser utilizado em seu lugar um sistema eletrônico ou qualquer outra forma de controle.

EXEMPLOS DE CONCRETIZAÇÃO Exemplol: A reflexão de infravermelho da célula solar

Um módulo solar foi desmontado em algumas partes e foram feitos testes de refletividade. Estas partes eram o módulo com todas as suas camadas, o módulo sem o vidro e só do vidro que o protege (Figura 7).

Pudemos verificar que o módulo solar reflete em torno de

15% a 20% da radiação infravermelha incidente (entre IlOOnm a 2300nm) . Esta radiação de fato não é aproveitada pelas células de silício e são refletidas pelo contato de alumínio sob o substrato. Portanto, tal reflexão foi utilizada para auxiliar no aquecimento de água.

Por sua vez, um teste feito com copos pretos no Sol, com um espelho e o módulo refletindo mostrou que o módulo acrescenta uma parcela considerável de radiação sobre a água, aumentando a sua temperatura. 0 resultado está apresentado na Tabela 1.

Tabela 1

Indicação da temperatura final obtida pela água

RADIAÇÃO INCIDENTE TEMPERATURA FINAL SOL 4 0 °C SOL + REFLEXÃO ESPELHO 44 0C SOL + REFLEXÃO MÓDULO 42 0C

Exemplo 2: Caracterização da célula solar em diferentes temperaturas

Uma célula solar foi colocada em um controlador de temperatura, onde considerou-se que a célula estaria na mesma temperatura que a indicada no controlador. Assim, para cada temperatura, coletaram-se dados da corrente que passava pela célula e a tensão nos terminais da mesma (Figura 8) .

Observou-se também que a queda da tensão de circuito aberto (Voc) da célula solar é linear com o aumento da temperatura e, da mesma forma, que a potência máxima fornecida pela célula (Pmâx) também possui dependência linear com a temperatura.

Dessa forma, a diminuição da temperatura das células solares é um dos objetivos da presente invenção. Assim, para retirar calor do módulo fez-se uma passagem de água por baixo dele (resfriando-o) logo após a saída da caixa d'água antes de alimentar o boiler, deixando-a, portanto, pré-aquecida.

Exemplo 3: Teste do coletor

0 primeiro teste feito foi com uma fonte de iluminação incidindo na direção normal à superfície do coletor. Foi escolhida a distância de 15 cm (aleatoriamente) entre o coletor e o centro da luz. Na figura 13, vemos o aumento da temperatura e tendência assintótica a um valor terminal.

Com este teste de incidência normal podemos ver que o coletor está funcionando adequadamente sob a radiação da lâmpada incandescente e pode ser utilizado para futuros testes com confiança.

0 coletor foi testado também com a luz incidindo com um ângulo de 15° em relação à superfície do coletor. O resultado, que pode ser observado na figura 11, que nesse caso, será a nossa referência, pois será nesta mesma posição e situação que as reflexões serão testadas.

0 resultado do teste com a luz incidindo a 15° mostra que a água atingiu, no equilíbrio, a temperatura de 10.6°C acima da temperatura' ambiente. Ou seja, nosso dado como referência será I = I0 para a radiação e θ = θ0 = 10.6°C.

Exemplo 4: Testes de reflexão do módulo

Com o resultado exposto no Exemplo 3, foi possível testar o quanto a reflexão de infravermelho das células solares sobre o coletor poderia afetar o aquecimento da água. Assim, o mesmo arranjo feito anteriormente (o da referência) foi utilizado para este experimento. /

Primeiramente, testou-se o quanto um refletor excelente (espelho comum) melhoraria o sistema para compará-lo com a eficiência do módulo solar da presente invenção.

Podemos ver nas Figuras 13 e 14 que obteve-se variação de temperatura na água onde a luz era refletida pelo espelho θ = 12,8 ° C; e variação da temperatura onde a luz era refletida pelo módulo θ = 11,9°C:

Com estes valores, os seguintes resultados para a reflexão do módulo e do espelho foram obtidos:

Tabela 2: Diferenças de temperatura da água em diferentes tipos de reflexão e quantidade de radiação incidente em cada um deles.

EXPERIMENTO DIFERENÇA DE TEMPERATURA (Θ) INTENSIDADE DA RADIAÇÃO Incidência oblíqua (15°) 10.6°C Io Com reflexão do espelho 12. 8°C 1,208*Io Com reflexão do módulo 11.9°C 1,123*I0

Considerando-se que o espelho é o limite superior da atuação do módulo, enquanto a luz incidindo a 15° é o limite inferior, verificou-se que o módulo apresenta uma atuação impressionante, colaborando com uma parcela de 12,3% da radiação da lâmpada incandescente sobre o coletor.

Claims (25)

1. Sistema híbrido de geração fotovoltaica e de aquecimento de água caracterizado por compreender os seguintes dispositivos: (a) módulo de células solares, (b) coletor solar térmico, (c) trocador de calor, (d) conexões, (e) boiler e (f) tubulações de água.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo módulo de células solares (a) compreender uma placa de vidro ou material polimérico superior, células solares com camadas metálicas dispostas inferiormente a cada uma delas, placa polimérica inferior, conexão entre as células e fiação de saída.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelas ditas células solares poderem ser dispostas sobre substratos cristalinos ou flexíveis.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelas ditas camadas metálicas existentès nas células solares (a) promoverem reflexão do infravermelho incidente no coletor térmico (b).

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo coletor térmico (b) compreender uma estufa contendo tubos que podem ser em formato de serpentina ou tubos paralelos.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela estufa compreender um recipiente coberto preferencialmente por placa de vidro ou polímero transparente.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo coletor térmico (b) e o trocador de calor (c) poderem ter curvaturas e formas variáveis.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo trocador de calor (c) compreender preferencialmente tubos paralelos ou serpentina.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelos ditos tubos e serpentina serem preferencialmente posicionados internamente à estufa.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo trocador de calor (c) ser posicionado atrás do módulo de células solares (a).

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo trocador de calor (c) ser fixado ao módulo de células solares (a) através de um adesivo.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo dito adesivo ser de material colante e condutor térmico.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dispositivos (a) e (b) serem posicionados voltados para a incidência da radiação solar.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo posicionamento de (a), (b), ou de ambos os dispositivos poder ser fixo.

15. Sistema, de acordo com as reivindicações 13, caracterizado pelo posicionamento de (a), (b), ou de ambos os dispositivos poder ser móvel.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pela movimentação dos dispositivos (a) e (b) ser preferencialmente realizada por um sistema eletrônico de constante posicionamento.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo posicionamento dos ditos dispositivos poder variar na angulação entre os mesmos ou através de rotação do sistema.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas conexões (d) serem resistentes à fadiga e à variação de temperatura.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelas conexões (d) serem rígidas no sistema fixo, preferencialmente, metálicas ou poliméricas.

20. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelas conexões (d) serem flexíveis no sistema móvel, preferencialmente mangueiras poliméricas ou metálicas.

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo boiler (e) compreender uma entrada de água pelo trocador de calor, uma saída de água para o coletor solar, uma entrada de água pelo coletor solar, um ladrão, uma bóia e uma saída de água para consumo.

22. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pela entrada de água do trocador de calor ser posicionada na zona inferior do boiler (e).

23. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pela saída de água ser posicionada na zona inferior do boiler (e).

24. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pela entrada de água proveniente do coletor solar (b) ser posicionada na zona superior do boiler (e).

25. Sistema, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo boiler(e) compreender uma bóia ou um sistema eletrônico de controle de volume de água.