PT1787066E

PT1787066E - Captador de energia solar

Info

Publication number: PT1787066E
Application number: PT05771769T
Authority: PT
Inventors: Arkas Evangelos; Arkas Nicholas
Original assignee: Arkas Evangelos; Arkas Nicholas
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2005-08-17
Publication date: 2016-06-03
Also published as: EP1787066A1; EP2835600A3; GB2417551A; EP2835600A2; WO2006021752A1; AU2005276274A1; ES2647910T3; US20080066800A1; GB2417551B; PT2835600T; GB0418778D0; EP1787066B1; EP2835600B1; US8039732B2; AU2005276274B2; ES2573482T3

Description

DESCRIÇÃO "CAPTADOR DE ENERGIA SOLAR"

Esta invenção refere-se a um captador de energia solar e um método de captar energia solar. A radiação solar tem uma distribuição espectral, ou de comprimento de onda, desde radiação de comprimento de onda curto, gama e raios X, até radiação de comprimento de onda longo, ondas de rádio longas. As diferentes regiões do espectro solar podem ser descritas pelo intervalo dos seus comprimentos de onda. A radiação combinada na região de comprimento de onda de 280 nm a 4.000 nm é chamada de radiação de banda larga, radiação total ou radiação solar. Cerca de 99 por cento de radiação solar está contida na região de comprimento de onda de 300 nm a 3.000 nm. O espectro visivel estende-se desde o espectro ultravioleta, cerca de 390 nm, até ao espectro quase infravermelho, 780 nm, e compõe apenas cerca de 10 por cento do espectro solar total. Um pico no espectro solar ocorre a 560 nm. A temperatura de cor do espectro solar varia entre 3.000 K e 3.500 K com a latitude. É difícil utilizar o espectro completo. Por exemplo, com coletores solares de refletor parabólico, a maior parte da energia solar é refletida de volta para o interior do espaço. Ademais, os dispositivos fotovoltaicos, utilizados para converter a energia solar, têm uma sensibilidade de pico de aproximadamente 830 nm e apenas 14 a 16% da energia recolhida é convertida. A focagem dos raios solares utilizando uma multiplicidade de espelhos para aquecer um líquido também resulta na maioria da energia que é refletida de volta para o interior do espaço. 0 documento US 2004/079358 revela um concentrador de energia solar que compreende um chifre espiral que tem um eixo geométrico perpendicular a um plano da espiral. O concentrador inclui: um orifício de entrada que forma uma boca do chifre, uma superfície refletora de luz interna do chifre e um orifício de saída numa extremidade do chifre distante da boca do chifre, em que o dito orifício de saída é menor que o dito orifício de entrada. 0 chifre diminui de forma contínua tanto na direção do dito eixo geométrico quanto no plano da espiral, entre os orifícios de entrada e de saída. 0 chifre é adaptado para concentrar, pelas múltiplas reflexões da superfície refletora de luz interna do chifre, a energia solar incidente dentro de uma faixa predeterminada de ângulos de incidência no orifício de entrada, de modo que a energia solar concentrada seja emitida a partir do orifício de saída. É um objetivo da presente invenção, pelo menos, atenuar as desvantagens mencionadas anteriormente na técnica anterior.

De acordo com um primeiro aspeto da invenção, é fornecido o captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 1.

De acordo com um segundo aspeto da invenção, é fornecido um método de captação energia solar de acordo com a reivindicação 23.

Além disso, as modalidades da invenção estão incluídas nas reivindicações dependentes. A invenção será agora descrita, a titulo de exemplo, com referência aos desenhos anexos em que: A Figura 1 é um diagrama em corte transversal esquemático de um captador de energia solar; A Figura 2 é uma vista em perspetiva de uma secção tubular de uma variação do captador de energia solar da Figura 1, que tem um corte transversal quadrado; A Figura 3 é uma vista em perspetiva de uma secção tubular do captador de energia solar da Figura 1, que tem um corte transversal circular; A Figura 4 é uma vista em perspetiva de uma secção tubular de uma variação do captador de energia solar da Figura 1, que tem um corte transversal octogonal; A Figura 5 é uma vista em perspetiva de uma secção tubular de uma variação do captador de energia solar da Figura 1, que tem um corte transversal de triângulo equilátero; A Figura 6 é uma vista em perspetiva da secção tubular da Figura 5 e de acordo com uma modalidade da invenção, em que os painéis que formam dois lados da secção são articulados para um terceiro lado e um painel é ilustrado conforme é dotado de dispositivos termovoltaicos ou fotovoltaicos; A Figura 7 é um diagrama em corte transversal esquemático de um segundo captador de energia solar; A Figura 8 é uma vista em perspetiva de uma secção tubular do captador de energia solar da Figura 7, que tem um corte transversal circular; A Figura 9 é uma vista em corte transversal de uma secção tubular do captador de energia solar da Figura 7; e A Figura 10 é um diagrama em corte transversal esquemático de um terceiro captador de energia solar.

Nas Figuras, os números de referência similares denotam partes similares.

Um primeiro captador de energia solar 10, ilustrado na Figura 1, inclui uma câmara de serpentina fechada 11 com uma porta de entrada 12. A câmara de serpentina fechada é formada por seis porções tubulares alongadas ocas paralelas, uma primeira porção alongada 111 é unida a uma segunda porção alongada adjacente 112 por uma primeira porção tubular semicircular 121 numa primeira extremidade da segunda porção alongada 112 e a segunda porção alongada 112 é unida a uma terceira porção alongada 113 numa segunda extremidade da segunda porção alongada oposta à primeira extremidade por uma segunda porção semicircular 122. De modo similar, a terceira porção alongada 113 é unida numa primeira extremidade por uma terceira porção semicircular 123 a uma primeira extremidade de uma quarta porção alongada 114. De modo similar, a quarta porção alongada 114 é unida numa segunda extremidade oposta à primeira extremidade por uma quarta porção semicircular 124 a uma quinta porção alongada 115. De modo similar, a quinta porção alongada 115 é unida numa primeira extremidade por uma quinta porção semicircular 125 a uma primeira extremidade de uma sexta porção alongada 116. A sexta porção alongada 116 é unida numa segunda extremidade oposta à primeira extremidade por uma porção com formato em U 117 a uma segunda extremidade na primeira porção alongada 111 para formar a câmara de serpentina fechada 11. A porta de entrada 12 é formada por um tubo de entrada 126, de diâmetro em corte transversal menor que as porções da câmara de serpentina 11 e localizada aproximadamente no centro da primeira porção alongada 111, tem um eixo geométrico longitudinal num primeiro ângulo agudo incluído num eixo geométrico longitudinal da primeira porção alongada 111. Uma porção 127 do tubo de entrada que se projeta para o interior da primeira porção alongada 111 é inclinada num segundo ângulo agudo incluído para um eixo geométrico longitudinal da primeira porção alongada 111 menor que o primeiro ângulo agudo incluído.

Embora o captador de energia solar tenha sido descrito como a ter uma câmara de serpentina fechada 11, outras formas de câmara fechada com uma porta de entrada podem ser utilizadas. Por exemplo, a câmara fechada pode ser uma bobina com uma primeira extremidade da bobina unida a uma segunda extremidade oposta da mesma. Alternativamente, uma câmara fechada com formato de dónute anular pode ser utilizada. Numa modalidade mais simples, o captador de energia solar pode ser uma caixa fechada com uma abertura para admitir energia solar, de modo que substancialmente toda a energia solar admitida seja absorvida dentro da caixa.

As células fotovoltaicas, com uma sensibilidade de pico de substancialmente 830 nm e/ou células termovoltaicas com uma sensibilidade de pico de substancialmente 950 nm podem estar localizadas nas superficies internas da câmara fechada. O arrefecimento das superficies externas da câmara fechada pode ser aplicado para manter um diferencial de temperatura ideal através das células fotovoltaicas e/ou células termovoltaicas que correspondem a um rendimento de pico das células. Uma temperatura adequada para manter um lado das células fotovoltaicas é substancialmente a 25°C, enquanto que as células termovoltaicas podem operar entre 50°C e 400°C. Tal arrefecimento pode ser executado por, por exemplo, fluxos de ar ou por trocadores de calor à base de água. 0 corte transversal da câmara vedada pode ser, por exemplo, um quadrado conforme mostrado na Figura 2, um circulo conforme mostrado na Figura 3, um octógono conforme mostrado na Figura 4 ou um triângulo equilátero conforme mostrado na Figura 5. Alternativamente, qualquer outro corte transversal poligonal pode ser utilizado. Conforme ilustrado para um corte transversal triangular na Figura 6, em uma modalidade de acordo com a invenção, pelo menos no caso de câmaras feitas de placas retangulares planas, as placas planas adjacentes 61 são articuladas ao longo de suas bordas longas 62 às placas adjacentes em todos os vértices, exceto um, e são acopláveis no vértice restante 63, de modo que a porção de câmara possa ser aberta para, por exemplo, inspeção e manutenção. Os painéis achatados também facilitam o uso de fotocélulas planares 611, enquanto que as células de filme fino podem ser utilizadas com cote transversal circular ou outros cortes transversais em que a câmara não inclui painéis planares. Onde a câmara tem um corte transversal poligonal, as porções de ligação podem ser porções angulares ao invés de porções arqueadas conforme descrito acima.

Em uso, a energia solar substancialmente colimada 13, recolhida e direcionada por qualquer método, entra na porta de entrada 12 e circula em torno da câmara fechada 11 por múltiplas reflexões 14 das superficies internas da câmara. A inclinação do tubo de porta de entrada faz com que os fotões da energia solar circulem numa única direção, conforme mostrado pelas linhas com setas de direção 15, em torno da câmara de serpentina, de modo que, ao passar novamente na porta de entrada substancialmente, nenhum fotão não absorvido saia da câmara através da porta de entrada. Isto é, substancialmente toda a energia solar, de todos os comprimentos de onda, uma vez que a mesma entra na porta de entrada e permanece na câmara fechada e é absorvida pelas células ou paredes internas localizadas nas paredes internas. Isto é, há substancialmente um fluxo de uma direção de fotões, conforme mostrado pela linha com setas de direção arqueada 16, em torno da câmara. Os fotões refletidos a partir das células ou paredes internas podem perder energia em cada reflexão ou absorção, de modo que a energia de quase todos os fotões de alta energia seja eventualmente absorvida.

Um segundo captador de energia solar é ilustrado nas Figuras 7 a 9. Conforme melhor mostrado na Figura 7, o segundo captador de energia solar é similar ao primeiro captador de energia solar, exceto por o facto de que a câmara fechada tem paredes duplas para formar uma camisa coaxial externa. 0 liquido pode ser circulado num espaço 72 entre a câmara 75 e uma parede externa 71 da câmara para minimizar as variações de temperatura e impedir a formação de pontos críticos. Uma válvula de alívio de pressão de segurança, não mostrada, pode estar em comunicação com o líquido circulante. 0 líquido de arrefecimento pode ser introduzido no interior do espaço 72 através de uma válvula de entrada 73 e líquido aquecido ou vapor extraído através de uma válvula de saída 74. Dessa forma, a energia térmica pode ser extraída do captador solar. Ademais, ou alternativamente, a câmara fechada pode estar envolvida em um vaso pressurizado para gerar vapor de água de grau elevado. Tal vapor de água de grau elevado pode ser utilizado para acionar um ou mais geradores elétricos.

Conforme mostrado na Figura 10, um captador de energia solar adicional, que tem uma câmara geralmente anular 101, com uma porção de corte transversal alongada 102 que envolve um vaso de incineração 60 para conter o material a ser aquecido, pode ser utilizado para incineração, por exemplo, de substâncias prejudiciais ou para cremação, para evitar o uso de combustíveis fósseis. Um sistema de manuseio de gás, não mostrado, pode fornecer um gás inerte a ser utilizado no interior da câmara para impedir que a oxidação circule ar para o interior da câmara. Durante a incineração acima de uma temperatura limite, o plasma ionizado será formado, a partir do qual pode ser possível extrair a eletricidade de corrente contínua. Será entendido que um vaso de incineração pode estar incluído em outros formatos de câmara, visto que substancialmente toda a energia solar admitida é absorvida dentro da câmara. A câmara fechada pode ser construída de, por exemplo, metais, ligas metálicas ou cerâmicas ou uma combinação de tais materiais. Uma temperatura de trabalho do captador de energia solar dependerá de uma aplicação para a qual o captador de energia solar é utilizado. Para incineração em altas pressões, a câmara pode ser formada de titânio-tungsténio com um revestimento interno de cerâmicas de alta temperatura. No captador de energia solar mostrado na Figura 10, a câmara anular 101 pode ser formada de titânio-tungsténio com um revestimento interno de cerâmica de alta temperatura e o vaso de incineração 60 formado a partir de titânio-tungsténio com um revestimento externo de cerâmica de alta temperatura. O vaso de incineração 60 é preferencialmente dotado de controlos de temperatura e de pressão, não mostrados.

Os dois exemplos em escala pequena de captadores de energia solar de acordo com a invenção foram incorporados. Num primeiro exemplo com uma câmara de cano de alumínio arrefecido a ar, o cano de alumínio fundido. Num segundo exemplo, no qual a câmara foi imersa em água, a temperatura da água foi elevada ao ponto de ebulição.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Captador de energia solar (10) que compreende o meio de câmara que define um volume interno, em que o meio de câmara (11) tem meio de porta de entrada (12) que tem comunicação com o volume interno, de modo que a energia solar (13) que entra no meio de câmara através do meio de porta de entrada seja absorvida e refletida dentro do meio de câmara até que substancialmente toda a energia solar seja absorvida pelo meio de câmara; caracterizado por o meio de câmara compreender o meio de painel articulado (61) para formar uma parede do meio de câmara no qual o meio de células fotovoltaicas e/ou o meio de células termovoltaicas (611) estão localizados para formar uma superfície interna do meio de câmara.
2. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o meio de porta de entrada estar disposto para fazer com que os fotões da energia solar que entram no meio de câmara circulem substancialmente numa única direção (15,16) dentro do meio de câmara até serem absorvidos, de modo que, ao passar novamente no meio de porta de entrada, substancialmente nenhum fotão emerja do meio de porta de entrada.
3. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por incluir meio de controlo de temperatura para manter um diferencial de temperatura predeterminado por todo o meio de células fotovoltaicas e/ou meio de células termovoltaicas para eficácia de trabalho substancialmente máxima dos mesmos.
4. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender adicionalmente meio de permutador de calor (72, 73, 74) para extrair energia térmica do meio de câmara.
5. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o meio de permutador de calor compreender meio de camisa localizado sobre pelo menos uma porção do meio de câmara.
6. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 ou 5, caracterizado por o meio de câmara ser envolvido em meio de vaso pressurizado para geração de vapor de água de grau elevado.
7. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por compreender adicionalmente meio de gerador elétrico para utilização do vapor de água de grau elevado para gerar eletricidade.
8. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o meio de câmara (11) ter um formato de serpentina recirculante.
9. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o meio de câmara compreender uma pluralidade de porções alongadas (111-116) unidas em série em extremidades alternadas às porções alongadas vizinhas por porções semicirculares (121-125), sendo que uma primeira da pluralidade de porções alongadas (111) é unida em série a uma última porção alongada de entre as porções alongadas (116) por uma porção com formato em U (117), para formar um meio de câmara recirculante.
10. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o meio de câmara ser uma bobina recirculante.
11. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o meio de porta de entrada compreender o meio de tubo de entrada (126) que tem comunicação com o volume interno.
12. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por um eixo geométrico longitudinal do meio de tubo de entrada (126) ser inclinado num ângulo interno agudo a um eixo geométrico longitudinal de uma porção alongada (111) do meio de câmara.
13. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o meio de câmara ter um corte transversal circular.
14. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por o meio de câmara ter um corte transversal poligonal.
15. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o meio de câmara ter um de entre um corte transversal triangular, um corte transversal octogonal ou um corte transversal quadrado.
16. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser adaptado para incineração de residuo.
17. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser adaptado para cremação de corpos.
18. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 ou 17, caracterizado por compreender o meio de vaso de incineração (60) localizado dentro do meio de câmara (101) para conter material ou um corpo a ser incinerado.
19. Captador de energia solar, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado por o meio de vaso de incineração compreender pelo menos um de entre o meio de controlo de temperatura e o meio de controlo de pressão.
20. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o meio de câmara ser de um ou mais de entre material de cerâmica, liga metálica e metal.
21. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por o meio de câmara ser de titânio-tungsténio revestido internamente com material de cerâmica de alta temperatura.
22. Captador de energia solar, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender o meio de manuseio de gás para fornecer um ambiente de gás inerte dentro do meio de câmara.
23. Método de captação de energia solar caracterizado por compreender as etapas de: a. fornecer meio de câmara (11) que define um volume interno, em que o meio de câmara compreende meio de painel articulado (61) para formar uma parede do meio de câmara em que o meio de células fotovoltaicas e/ou meio de células termovoltaicas (611) estão localizados para formar uma superfície interna do meio de câmara; b. fornecer meio de porta de entrada (12) que tem comunicação com o volume interno; e c. admitir a enerqia solar (13) através do meio de porta de entrada no volume interno de modo que a enerqia solar seja absorvida e repetidamente refletida dentro do meio de câmara até que substancialmente toda a enerqia solar seja absorvida pelo meio de câmara e pelo menos alquma enerqia solar seja convertida em eletricidade pelo meio de células fotovoltaicas e/ou meio de células termovoltaicas.
24. Método, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado por a etapa de admissão de energia solar através do meio de porta de entrada compreender fazer com que os fotões da energia solar que entra no meio de câmara circulem substancialmente numa única direção (15, 16) dentro do meio de câmara até serem absorvidos, de modo que, ao passar novamente no meio de porta de entrada, substancialmente nenhum fotão emerja da porta de entrada.
25. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 ou 24, caracterizado por incluir adicionalmente etapas de fornecimento de meio de controlo de temperatura e manter, através disso, um diferencial de temperatura predeterminado por todo o meio de células fotovoltaicas e/ou meio de células termovoltaicas para eficácia de trabalho substancialmente máxima dos mesmos.
26. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 25, caracterizado por compreender adicionalmente as etapas de fornecimento de meio de permutador de calor (72, 73, 74) e extração de energia térmica do meio de câmara com o mesmo.
27. Método, de acordo com a reivindicação 26, caracterizado por a etapa de fornecimento de meio de permutador de calor compreender fornecer meio de camisa localizado sobre pelo menos uma porção do meio de câmara.
28. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 26 ou 27, caracterizado por compreender etapas adicionais de fornecimento de meio de vaso pressurizado que envolve o meio de câmara e de geração de vapor de água de grau elevado no mesmo.
29. Método, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado por compreender etapas adicionais de fornecimento de meio de gerador elétrico e de utilização do vapor de água de grau elevado para gerar eletricidade através do mesmo.
30. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 2 9, caracterizado por incluir uma etapa adicional de incineração de resíduo com a energia solar captada.
31. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 2 9, caracterizado por incluir uma etapa adicional de cremação de corpos com a energia solar captada.
32. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 31, caracterizado por incluir uma etapa adicional de fornecimento de meio de vaso de incineração (60) dentro do meio de câmara (101) para conter material ou corpos a serem incinerados.
33. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 23 a 30, caracterizado por compreender uma etapa adicional de fornecimento de meios de manuseio de gás e fornecimento de um ambiente de gás inerte dentro dos meios de câmara com o mesmo. RESUMO "CAPTADOR DE ENERGIA SOLAR" A presente invenção refere-se a um captador de energia solar (10) que inclui uma câmara de serpentina fechada (11) que tem porta de entrada (12), de modo que a energia solar (13) que entra diretamente na câmara através da porta de entrada seja absorvida e refletida dentro do meio de câmara até que substancialmente toda a energia solar seja absorvida pela câmara (11) . A portei. de entrada (12) está disposta para fazer com que os fotões da energia solar que entra na câmara circulem substancialmente numa única direção dentro da câmara até serem absorvidos, de modo que, ao passar novamente na porta de entrada, substancialmente nenhum fotão emerja da porta de entrada. As células fotovoltaicas podem estar dispostas nas paredes internas da câmara (11) . A câmara pode ser circundada por uma camisa através da qual um liquido tem capacidade para fluir. O captador de energia solar pode ser utilizado para incinerar o resíduo ou para a cremação de corpos. A câmara pode ser de titânio-tungsténio internamente revestida com material de cerâmica de alta temperatura.