BR102013016089B1 - telha-coletor solar concentrador - tcsc - Google Patents

Abstract

TELHA-COLETOR SOLAR CONCENTRADOR - TCSC. A presente invenção consiste em uma telha tipo calha simples ou múltipla, fabricada com materiais refletivos ou não, em que a calha possua a geometria de um refletor de um coletor solar concentrador. Este modelo possui uma grande vantagem em relação a uma cobertura convencional, quando o utilizamos como superficie refletora para coletores solares concentradores. Se for o caso, usando a telha como superfície refletora, e partir da instalação de outros componentes como absorvedor, suporte e cobertura transparente, um coletor solar concentrador pode ser facilmente construído. Aplicada em uma cobertura, essa telha, com uma geometria pouco diferente da convencional tipo calha, não onera os projetos de telhados.

Description

Campo da Invenção

A presente invenção trata de uma nova geometria para telhas instaladas em coberturas de edificações em geral, que podem ser utilizadas como refletores de um coletor solar concentrador para aquecimento de um fluido qualquer. Dentre as várias geometrias possíveis, particular interesse se dedica à geometria do tipo Cilíndrica Parabólica Composta - CPC.

Uma cobertura construída com telhas de perfil adequado pode facilmente ser adaptada para a captação de energia solar. Para tanto, basta melhorar a refletividade de sua superfície, caso seja necessário, e instalar o absorvedor linear do coletor solar concentrador.

Estado da Técnica

As telhas são concebidas para cobrir edificações, protegendo-as contra as intempéries. Os coletores solares de uso mais freqüente são projetados para, em geral, serem posicionados sobre os telhados das edificações. Apesar de estarem quase sempre superpostos, o projeto e a construção do coletor e do telhado são feitos separadamente, e não são concebidos de forma integrada, o que permitiria otimizá-los.

Dentre os coletores solares existentes podemos identificar os planos, que são os mais baratos e mais difundidos, e os concentradores, nos quais a superfície absorvedora é menor que a de captação de radiação solar. Os coletores concentradores são, em geral, mais eficientes do que os planos, especialmente para temperaturas mais elevadas, embora sejam mais caros. Estes coletores podem apresentar refletores de foco linear e pontual.

Dentre os coletores solares concentradores, destacam-se os modelos que realizam a captação da radiação solar através de uma geometria do tipo conhecido como CPC - Concentradores Parabólicos Compostos. Esses coletores são mais tolerantes a erros no posicionamento da superfície absorvedora e, se tiverem uma geometria adequada e forem convenientemente orientados, podem dispensar o rastreamento do sol.

Os coletores concentradores do tipo CPC foram inicialmente propostos em "Winston, R., Hinterberger, H., 1975. Principles of cylindrical concentrators for solar energy”, sendo que nos dias atuais, a geometria utilizada nesta tecnologia já se encontra difundida mundialmente. Embora mais eficientes e adequados para aproveitamento da energia solar às temperaturas maiores que os coletores planos, esse tipo de coletor, no entanto, não é comercializado em grande escala, por se tratar de um equipamento muito caro. Parte deste custo elevado se deve à sua grande superfície refletora que pode chegar a várias vezes a área de captação da energia solar, construída em um formato específico e com um acabamento superficial que tenha boa refletividade e pelo fato de utilizar tecnologias e materiais com características especiais como, folhas de aço inoxidável para o refletor, tintas com propriedades radiativas seletivas e vidros com propriedades óticas diferenciadas. Atualmente existem alguns destes modelos de coletores solares do tipo CPC fabricados pelo mundo, como o Solarfocus CPC Collector e o Sunrain TZ (6, 12, 18)-CPC.

O coletor térmico do tipo CPC é um modelo concentrador projetado para determinado ângulo de aceitação, de tal forma que o sol pode se mover sazonalmente e, mesmo o coletor estando imóvel (quando orientado na direção leste-oeste), os raios solares continuam atingindo o absorvedor ao longo de todo o ano. Com esta configuração não há necessidade de rastreamento do sol, o que frequentemente ocorre com outros coletores solares concentradores.

Em relação às telhas convencionais podemos citar dois tipos que têm geometrias próximas à CPC, o modelo conhecido por Canalete 49 e o Modulado. A telha Canalete 49 é uma telha bastante resistente, capaz de proporcionar grandes vãos livres e com alta durabilidade, sendo utilizada para coberturas residenciais, industriais e comerciais. A telha modulada possui as vantagens de um produto funcional, resistente e econômico, com estrutura de apoio simplificada e que oferece total liberdade de projeto, graças à sua linha de peças complementares. Mas ambos os modelos não oferecem as propriedades geométricas que possibilitam que todos os raios sejam direcionados a um ponto de concentração onde poderia ser instalado o absorvedor e, por isso, não são tão eficientes para funcionarem como refletor de um concentrador solar.

O pedido de patente de modelo de utilidade brasileiro MU7600524, descreve uma telha coletora solar não concentradora já fabricada com canais internos para a passagem de água e aquecimento da mesma. Esta estrutura é complexa e eleva o custo de fabricação da telha. E o pedido de patente de modelo de utilidade brasileiro MU8701053, trata de uma telha coletora não concentradora que possui uma disposição especial de uma tubulação interna por onde passa a água a ser aquecida e um sistema diferenciado de conexão entre as telhas. Portanto, a geometria desta é muito diferente de uma telha convencional, o que dificulta e onera a produção em larga escala.

O pedido de patente de modelo de utilidade brasileiro MU8402816 utiliza uma telha convencional que pode se transformar em um coletor através da instalação, por métodos de solda ou colagem, de uma tubulação externa para passagem da água, não apresentando qualquer geometria que favoreça o melhor aproveitamento da energia solar.

O pedido de patente de invenção brasileiro PI9302971 apresenta um coletor construído com duas placas paralelas, de material metálico ou sintético, e montadas de forma que haja um canal de passagem para a água entre elas. A geometria do coletor é próxima a de algumas telhas convencionais. Portanto, apresenta as duas funções, coletor e telha, funcionando sem qualquer tipo de separação. Adicionalmente sua geometria se assemelha a um coletor plano e seu absorvedor é estruturado apenas no aproveitamento do espaço entre as placas, não tendo o uso e a seleção de materiais com propriedades que favoreçam a eficiência de tal componente.

O pedido de patente de modelo de utilidade brasileiro MU8401028 trata de uma telha projetada para abrigar em sua estrutura canais para passagem de água, além de uma estrutura complexa de distribuição da água para um coletor inferior. Este invento não permite que as funções de coletor e telha sejam desempenhadas em separado, e toda a estrutura complexa leva a um elevado custo de fabricação.

O pedido de patente de modelo de utilidade brasileiro MU8401829 apresenta um coletor solar que pode ser incorporado a um telhado convencional de forma a substituir uma telha. Tal invento apresenta um coletor plano que pode ser incorporado a um telhado, mas não pode substituí-lo por completo.

O pedido de patente de invenção brasileiro PI0401451 trata de uma estrutura de concreto com espaços vazios interligados por onde possa ser conduzido um fluido como a água. Este invento pode ser utilizado como cobertura para edificações e como um coletor solar, mas sua eficiência como tal é comprometida, pois a estrutura que compõe o absorvedor não é fabricada com nenhum material que favoreça a absorção dos raios solares.

A publicação internacional W02007/071805 apresenta um coletor solar que apresenta uma geometria parabólica e que pode ser montado sobre um telhado de forma a não comprometer a estrutura das telhas. Portanto tal invento trata-se de um dispositivo a ser instalado sobre o telhado, sem que as telhas exerçam qualquer função na estrutura do coletor.

O pedido de patente de invenção brasileiro PI0721426 apresenta uma telha construída com uma geometria muito próxima à convencional, mas que favoreça o aproveitamento da energia solar, onde posteriormente pode ser instalado um sistema para captação dos raios solares, só que a partir de células fotovoltaicas.

O pedido de patente de invenção americano US2005/0081909, descreve um telhado com um coletor concentrador para sistemas fotovoltaicos. Além de não ser aplicável a sistemas térmicos, a utilização deste dispositivo só é possível com a utilização da telha juntamente com células fotovoltaicas. Isto é, a telha do referido pedido de patente não foi concebida para uso apenas como cobertura, sem o aproveitamento solar, como é possível na presente invenção.

Como mostrado no texto, a invenção Telha-Coletor Solar Concentrador - TCSC, diferentemente das tecnologias apresentadas anteriormente, possui geometria inovadora compatível com uma superfície refletora de um concentrador solar, que permite a instalação do coletor apenas quando for do interesse do usuário, ou seja, o invento poderá ser fabricado com uma telha que se difere apenas na geometria em relação a uma convencional, mantendo-se os mesmos materiais de fabricação, portanto o custo de produção será equivalente nos dois tipos.

O dispositivo proposto é utilizado, em um primeiro momento, apenas como telha para cobertura e, posteriormente, com a instalação de um absorvedor, pode então se transformar em um coletor solar concentrador. Tal complementação pode ser realizada, a baixo custo, sem modificar a função de cobertura da telha.

O presente invento tem a dupla função de cobertura e refletor de um coletor solar, sendo fabricado apenas como uma telha convencional e, posteriormente, sendo instalados os componentes que possibilitam o uso como coletor solar ou será fabricado utilizando todos os componentes que permitem o uso da dupla função.

Descrição Detalhada do Invento

A presente invenção consiste em uma telha tipo calha simples ou múltipla, fabricada com materiais refletivos ou não, em que a calha possua a geometria de um refletor de um coletor solar concentrador. Este modelo possui uma grande vantagem em relação a uma cobertura convencional, quando o utilizamos como refletor para coletores solares concentradores. Se for o caso, usando a telha TCSC como superfície refletora, um coletor solar concentrador pode ser facilmente obtido. Em geral, apenas parte do telhado (cobertura) de uma edificação necessita ser utilizado para esta finalidade.

Aplicada em uma cobertura, essa telha, com uma geometria pouco diferente da convencional tipo calha, não onera os projetos de telhados. Sua vantagem se manifesta quando a aproveitada como sendo a superfície refletora de um coletor solar concentrador.

Para que se tenha uma visualização mais clara da invenção são apresentadas algumas imagens com os detalhes construtivos:

A Figura 1 mostra uma possível geometria da seção reta da superfície refletora da telha (1), ressaltando uma curva do refletor tipo CPC, correspondente à geometria da telha e do absorvedor (2).

A Figura 2 mostra a vista frontal de três telhas TCSC de calha única em corte, simulando a disposição destas na montagem de uma cobertura.

A Figura 3 mostra a vista frontal da telha TCSC, com múltiplas calhas em corte.

A Figura 4 mostra um detalhe, em perspectiva da telha TCSC com múltiplas calhas, sendo possível visualizar, a telha (1), o absorvedor (2), o suporte do absorvedor (3), a cobertura transparente do absorvedor (4) que envolve o absorvedor e os espaçadores (5).

Para que a tecnologia proposta tenha dupla função de cobertura e de refletor de um coletor solar concentrador, ela precisa ter uma geometria especial que otimize seu desempenho, podendo ser utilizados modelos tipo calha simples ou múltipla.

Quando a telha TCSC (Figura 4) é utilizada apenas como cobertura, sem acumular a função de refletor de coletor solar, ela cumpre o papel de um telhado convencional. Portanto, a presente invenção possui uma geometria inovadora que, no entanto, não onera o custo da cobertura.

Visto que a parte superior do refletor que utiliza a geometria CPC contribui pouco para o total de radiação solar que irá atingir um possível absorvedor instalado, a geometria final será truncada, gerando um formato para a telha TCSC com altura menor que o de um concentrador CPC convencional. O processo de truncamento afeta pouco o ângulo de aceitação para incidência dos raios solares, mas resulta em uma economia de material que é utilizado na fabricação e facilita a aproximação da geometria do invento a de uma telha convencional. Isso conduz a uma redução no custo final, uma vez que é utilizada uma quantidade menor de material, o processo de fabricação é mais simples, melhorando a aceitação do produto no mercado.

A telha (1) é fabricada com diferentes materiais, como por exemplo, fibrocimento, aço, aço galvanizado, ligas metálicas, alumínio, da mesma forma que as convencionais. O método de produção utiliza os mesmos padrões, pois as modificações não alteram de forma substancial a estrutura. O uso de materiais com boa refletividade permite ainda dispensar o tratamento superficial nas telhas, quando estas acumularem a dupla função de cobertura e de refletor. Por isso, o custo para a fabricação não sofre modificação. No momento em que o usuário optar por utilizar o invento com a dupla função de cobertura e de refletor de um concentrador solar, é necessário tomar as algumas providências relativas à instalação de alguns componentes que não são integrantes à telha original, que seguem listadas a seguir: • Instalação dos suportes do absorvedor (3); • Fixação do absorvedor no suporte, com ou sem cobertura transparente (4); • Instalação da cobertura transparente (4), caso necessário; • Execução de processo para melhorar a refletividade da superfície da telha TCSC (1), caso esta já não seja fabricada em material suficientemente refletivo; • Realização das demais instalações hidráulicas necessárias ao funcionamento do coletor.

Este procedimeipto de aproveitamento da telha TCSC (1) para composição de um coletor solar é realizado durante a construção ou mesmo após o telhado instalado sobre a edificação. Como o invento poderá ser fabricado com todos os materiais utilizados em telhas convencionais, alguns modelos poderão não ter a refletividade superficial adequada para um melhor aproveitamento da energia solar. Para isso, a superfície é polida ou tratada com o recobrimento por uma película ou por uma tinta de refletividade elevada. Os demais componentes do coletor concentrador como o absorvedor linear (2) e a cobertura transparente (4), são acrescentados à telha (1), através de uma fixação por um suporte simples (3), o que ajuda a tornar a instalação dos componentes para o funcionamento do coletor concentrador fácil e de baixo custo. Após a realização dos procedimentos acima, a telha TCSC (Figura 4) poderá ser aproveitada em sua dupla função, aproveitando a superfície da cobertura já instalada, acrescida, eventualmente, de um acabamento para aumentar a reflexão.

Com relação à forma da telha TCSC (Figura 4), ela possui qualquer geometria que caracterize um refletor de um coletor concentrador de foco linear. Uma geometria particularmente interessante é geometria do tipo CPC (Concentrador Parabólico Composto), devido às características referentes a seu desempenho e pelo fato desta tolerar imprecisões (incertezas) na fabricação e na montagem da cobertura.

O absorvedor (2) a ser utilizado é do tipo tubular, e pode ser aletado ou não, fabricado em materiais como o cobre, alumínio, aço inox ou aço galvanizado, e pode receber um acabamento superficial que melhore suas propriedades absortivas. Alternativamente, absorvedores de alto desempenho, produzidos industrialmente como tubos evacuados e heat pipes, também podem ser instalados nas telhas TCSC (Figura 4).

A cobertura transparente (4) sobre o absorvedor (2) tem a função de diminuir as perdas de calor por convecção e pode ser fabricada com a utilização de uma película fina de material transparente, como plásticos e vidros e com materiais poliméricos, como o ETFE (Etileno tetrafluoretileno), por exemplo. Essa cobertura transparente pode ser feita a partir de tubos pré-fabricados, ou a partir de folhas plásticas, em lâminas, que podem ser conformadas no formato cilíndrico.

As telhas (Figura 4), quando utilizadas para captação de energia solar, são transformadas em refletores utilizados em concentradores solares, e gozam das ótimas características destes coletores, sendo inclusive mais adequados e eficientes para aquecimento do fluido no interior do absorvedor a temperaturas mais elevadas que os coletores planos. O que atende, inclusive, o mercado de uso não residencial, pois os raios solares que incidem sobre o refletor, são concentrados sobre a área do absorvedor, que é relativamente menor. Portanto a temperatura aumenta substancialmente no absorvedor e é, assim, transmitida ao fluido que está sendo conduzido.

O processo de preparação para que o invento acumule também a função de refletor de um coletor solar, é feito de maneira bem simples e dá ao usuário uma gama de possibilidades acerca da compra dos materiais e da montagem dos componentes. Pois o comprador poderá fazer uma busca pelo melhor preço em cada fornecedor e escolher o que for de sua preferência, possibilitando também que cada componente necessário à montagem seja adquirido de forma separada.

Como o absorvedor e a cobertura transparente podem ser fabricados de diversos materiais diferentes, há um aumento na quantidade de modelos que tal invento pode ter. Quando a invenção já for fabricada com a dupla função de cobertura e coletor, o comprador terá diversas opções, a diversos preços, para adquirir nos locais de venda. Se caso a função de refletor de um coletor solar for incorporada posteriormente, o usuário poderá selecionar os materiais que forem de sua preferência, ao comprar os componentes para montagem do sistema.

Adicionalmente, o fato das telhas TCSC (Figura 4) serem construídas por materiais com boa refletividade, os ambientes cobertos com estas terão menor carga térmica, estejam elas cumprindo a dupla função ou não. Isto é, possibilita que haja menor transmissão de calor para o interior da edificação, proporcionando um melhor conforto térmico.

Melhor Execução da Invenção

Para a produção da telha-coletor (Figura 4), o processo construtivo é exatamente análogo àquele utilizado para a construção de uma telha tipo calha (simples ou múltipla) convencional. Apenas a geometria, ligeiramente alterada, possibilita concentrar a energia solar refletida em uma região cilíndrica e, em decorrência, seu duplo aproveitamento como telha e refletor de um coletor solar concentrador.

Uma vez instalada a cobertura, o método para montagem do coletor concentrador é realizado da seguinte forma: 1. Recobrimento da telha com uma superfície refletiva. Caso a telha já tenha um acabamento com boa refletividade esta etapa não é necessária; 2. Fixação dos suportes (3) do absorvedor (2) sobre a telha (1); 3. Fixação da cobertura transparente (4) com espaçadores à volta do absorvedor. Essa etapa pode ser dispensada caso o absorvedor (2) a ser utilizado seja adquirido comercialmente já com uma cobertura (4). 4. Fixação dos absorvedores (2) nos suportes (3) para posicioná-los adequadamente ao longo da região focal da telha. 5. Realização das instalações hidráulicas interligando os absorvedores de diferentes telhas.

Aplicação

A Telha TCSC pode ser utilizada perfeitamente para todas as aplicações de um coletor solar plano, aquecimento de água para uso doméstico, água quente para banho, aquecimento de ar, etc.

Por possuir uma eficiência elevada para o aquecimento do fluido no interior do absorvedor a altas temperaturas, quando comparada com coletores planos, pode ainda ser utilizada em algumas aplicações comerciais ou industriais, como pré-aquecimento de água para cozinhas industriais, lavanderia, entre outras aplicações que demandem temperaturas mais altas.

Claims (8)

1] TELHA-COLETOR SOLAR, caracterizado por ser uma calha simples ou múltipla com uma geometria de um coletor solar concentrador.

2] TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir uma geometria compatível com a de uma superfície refletora de um coletor solar concentrador, preferencialmente, a geometria de um concentrador parabólico composto - CPC.

3] TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com as reivindicações 1 e 2 caracterizado por permitir a execução do ensaio sob condição de vibração ambiente ou vibração forçada.

4] TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado por ser fabricada com materiais selecionados entre fibrocimento, aço, aço galvanizado, ligas metálicas e alumínio.

5] TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com uma- das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por compreender, adicionalmente, superfície polida ou tratada com o recobrimento por uma película ou por uma tinta de refletividade elevada.

6] TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado por instalar um absorvedor (2), preferencialmente do tipo tubular, afetado ou não, fabricado em materiais selecionados entre cobre, alumínio, aço inox ou aço galvanizado.

7] Uso da TELHA-COLETOR SOLAR, conforme as reivindicações de 1 a 6 caracterizado por ser na cobertura de uma edificação e como superfície refletora para construção de um coletor solar concentrador.

8] Uso da TELHA-COLETOR SOLAR, de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por ser como base refletora a partir da instalação de outros componentes selecionados entre absorvedor (2), suporte (3) e cobertura (4) transparente para construção de coletor solar concentrador.

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