BR102020009696A2

BR102020009696A2 - Novo modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes fresnel

Info

Publication number: BR102020009696A2
Application number: BR102020009696-6A
Authority: BR
Inventors: Fernando Vaz
Original assignee: Fernando Berlinck Dutra Vaz
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-23

Abstract

ovo modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes fresnel. novo modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes fresnel é caracterizado pelo fato que energia solar concentrada é injetada e focada diretamente sobre o meio de armazenamento térmico estático da pilha e a energia solar concentrada é focada e injetada usando diferentes soluções ópticas.

Description

Modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes Fresnel.

[01] A presente descrição se refere a Modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes Fresnel é caracterizado pelo fato de que a luz solar concentrada coletada pelos helióstatos é focada para dentro da pilha térmica por uma ou mais lentes óptica tipo côncava ou convexa ou tipo Fresnel colocadas sobre a tampa do receptáculo maior da pilha. Na tampa superior do receptáculo maior da pilha térmica existem janelas de vidro que permitem a luz solar concentrada passar para dentro da pilha térmica atingindo diretamente o fluído térmico estático contido no interior do segundo receptáculo da pilha térmica. O fluído térmico estático está contido dentro de um segundo receptáculo sem tampa. Entre o primeiro receptáculo, com tampa, e o segundo, interno, sem tampa e suportado por pés com uma camada de isolamento térmico, existe vácuo. O vácuo e a camada de isolamento térmico entre os pés e o segundo receptáculo, restringe as perdas térmicas da pilha. O segundo receptáculo pode ser um bloco sólido de metal que age como armazenamento térmico. Se pede a proteção do sistema concentrador da energia solar, baseados em todos os modelos, configurações de lentes ópticas e lentes fresnel que trabalhando harmonicamente, permitem o foco e a concentração de grandes quantidades de luz solar que injetada para dentro da pilha térmica, atinge diretamente o fluído-meio térmico estático colocado dentro de um receptáculo sem tampa, contido num receptáculo maior com tampa. A luz solar concentrada ao atingir o fluído térmico estático, se transforma em energia térmica, aquecendo o fluído térmico estático. A pilha pode ter dois ou um receptáculo, um maior externo com tampa que tem janelas de vidro e um menor, interno sem tampa que pode ser um bloco de metal com um sistema de troca de calor em seu interior. Um espaço entre os receptáculos tem vácuo que garante perdas térmicas mínimas. A(s) lente(s) óptica ou Fresnel colocadas sobre a tampa do receptáculo maior, externo, focam e injetam a luz solar para dentro da pilha térmica. Esta pilha térmica com injeção direta de energia solar concentrada (ESC) sobre um meio fluído térmico estático são os diferenciais do sistema de geração de eletricidade de uma nova central termelétrica solar ou sistema de armazenamento térmico para processos industriais e de cada processo descrito aqui.

[02] A presente patente de inovação se refere a sistemas de foco e injeção de energia solar concentrada para dentro de uma pilha térmica de armazenamento de energia térmica via um sistema óptico formado por lentes côncavas ou convexas e do tipo Fresnel, que possibilita a central térmica solar ou qualquer outro processo industrial operar durante a fase sem sol (noite) utilizando a energia térmica armazenada na pilha térmica, objeto desta patente. A capacidade de armazenamento térmico pode variar. A presente patente de inovação engloba todas as possíveis variações e conformações de receptáculos, lentes ópticas côncavas ou convexas, lentes fresnel e meios de armazenamento térmico estático.

[03] Todas as marcas e produtos com direitos vigentes a propriedade intelectual, direitos de cópia, marca, modelo de utilidade ou de invenções mencionadas nesta patente são exclusivamente para referência, não se fazendo qualquer tipo de alegação de copropriedade ou uso não autorizado publicamente ou particularmente pelas mesmas.

Estado da Técnica

[04] Existem vários modelos de centrais termelétricas solares (CTS), mas todas se baseiam no princípio de que ao concentrar a luz solar se produz um aumento expressivo de temperatura em um ponto ou região e que, esta elevada temperatura gera vapor que aciona uma turbina que aciona um gerador que produz eletricidade. Os diferentes modelos de centrais termelétricas solares (CTS) podem ser descritos como sendo do tipo torre com receptor, calha parabólica com tubo coletor e discos concentradores com uma solução ranquine acoplada ou mais recentemente em desenvolvimento de um modelo de feixe invertido (inverted bean). Para que estas centrais termelétricas sejam eficientes e tenham viabilidade econômica, o armazenamento de energia térmica se faz necessário para que a central possa operar durante a fase sem sol (noite), otimizando e maximizando o uso da solução ranquine, geradora de eletricidade. As soluções disponíveis utilizam um fluido térmico móvel que circula por um circuito tubular via bombeamento forçado. Este fluído térmico em movimento, transporta a energia do ponto de coleta (receptor) para um trocador de calor que pode ser dentro de um tanque de armazenamento de energia térmica ou um trocador de calor para gerar vapor, a onde a água é aquecida, transformando se em vapor que aciona a turbina que aciona o gerador, gerando eletricidade. Existem sistemas híbridos em que parte da energia é direcionada diretamente para a produção de vapor e outra parte é direcionada para os tanques de armazenamento de energia térmica para ser utilizada quando o sol não estiver disponível (noite ou por sombreamento por nuvens). As atuais centrais termelétricas solares (CTS) são instaladas em terreno plano demandando sua preparação com custos elevados, gerando problema de sombreamento entre os helióstatos, possibilidade de danos aos helióstatos por ventania e criando um ponto de alta intensidade luminosa que muitos transeuntes acham ruim. Os modelos de centrais termoelétricas solares de feixe invertido tem uma torre com um conjunto de espelhos que refletem a luz solar proveniente dos helióstatos para baixo, atingindo assim o receptor.

[05] As atuais centrais termelétricas solares (CTS) tem um alto custo de instalação, operação e manutenção. Uma grande parte destes custos está associada a torre (quando presente), o receptor (sempre presente em diferentes modelos e configurações), o sistema de bombeamento do fluído térmico (sempre presente, com diferentes modelos e configurações) e o sistema de armazenamento (quando presente). Estas soluções atualmente disponíveis tem um alto grau de desenvolvimento tecnológico que envolve o uso de materiais com alta tecnologia, manufatura complexa e tecnologicamente avançada, todas estas características somadas resultam em um alto custo de instalação, operação e manutenção.

[06] O Modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes Fresnel são soluções que utilizando de soluções tecnológicas e configurações mais simples reduzem expressivamente os custos de instalação, operação e manutenção das centrais termelétricas solares (CTS). Isto aumentará o uso de centrais termelétricas solares (CTS) na geração de eletricidade de forma sustentável. Isto tem impactos ambientais, sociais e econômicos.

[07] Atualmente, os helióstatos, calhas parabólicas ou espelhos côncavos em usinas termelétricas solares, seguem o sol e focam a luz solar em um ponto fixo onde se localiza o receptor, criando uma zona de alta temperatura e energia concentrada (zona quente). Esta zona quente aquece o fluido térmico circulante que pode transportar esta energia para o armazenamento térmico, trocador de calor para geração de vapor ou no caso das configurações com uma solução rankine fixa no ponto focal, gerar eletricidade diretamente.
Nos casos em que a energia é transportada para o armazenamento, neste temos dois trocadores de calor, um para trocar o calor do fluído para o meio de armazenamento térmico e outro para trocar calor entre o meio de armazenamento térmico e a água, para criar o vapor que tocará o conjunto turbina e gerador, gerando eletricidade.

[08] Em nossa nova solução de pilha térmica para centrais termelétricas solares (CTS), o fluído térmico é estático e a luz solar concentrada (LSC) é injetada sobre ele via um sistema óptico que pode ser feito por lentes ópticas, Fresnel ou espelhos côncavos. Desta forma, só se necessita de um trocador de calor colocado dentro do fluído térmico estático. Ao se injetar a água neste trocador, se gera vapor que aciona o conjunto turbina gerador, gerando eletricidade. Ao se eliminar a torre (dos sistemas que as tem), o receptor, os sistemas de bombeamento do fluído térmico, um dos trocadores de calor, se reduzirá consideravelmente os custos de instalação, operação e manutenção das CTS, tornando as mais competitivas ao gerar eletricidade a um custo mais baixo do que as atuais modelos de CTS.

[09] Outro aspecto inovador destas centrais termelétricas solares (CTS) é a geometria do campo de coleta e sua localização. Devido a forma inovadora de focar e injetar a LSC (luz solar concentrada) diretamente sobre o fluído térmico de armazenamento estático, estas novas centrais termelétricas solares (CTS) podem ser construídas em lavras (cavas) de mineração já exploradas e não utilizadas mais. As lavras, em sua grande maioria, tem taludes em todo o seu perímetro para diminuir a possibilidade de desmoronamento das paredes da lavra durante a sua mineração. Estes taludes são ótimos lugares para se colocar os helióstatos, pois impedem o sombreamento entre helióstatos e fazem com que a distância entre os helióstatos e o ponto focal deste seja menor que nas atuais configurações de centrais termelétricas solares (CTS) que são construídas em áreas planas, daí a necessidade de altas torres, para se evitar o sombreamento entre helióstatos, porém as distâncias entre os helióstatos e o receptor pode chegar a mais de 1.000 metros. Quanto maior a distância, maior a precisão na movimentação dos helióstatos se faz necessária, aumentando o custo dos helióstatos. Lugares planos são passíveis de vendavais que causam os helióstatos oscilarem, diminuindo a eficiência do foco e dependendo da velocidade dos ventos, estes podem causar sérios danos aos helióstatos. Nossa solução de instalação em lavras (cavas) de mineração, estes problemas são reduzidos, reduzindo os custos de instalação, manutenção e operação do campo de helióstatos. Outra vantagem de se instalar esta nova CTS em lavras (cavas) já mineradas é que a manutenção da lavra exploradas, necessária porém seu custo é difícil de se justificar, agora se justifica pela geração de eletricidade. Ao se colocar a CTS dentro da lavra (cavas), o ponto focal fica abaixo da linha natural do horizonte da região, assim a sua forte intensidade luminosa (brilho) não perturbará a vida selvagem local e transeuntes. Ao se utilizar um fluído térmico estático que não atinge seu ponto de fusão, se reduz as chances de um acidente ambiental em caso de acidentes envolvendo a pilha térmica. A desvantagem desta nova solução é que ela se presta somente para as regiões tropicais do mundo, pois fora destas, o sol não atinge o zênite diariamente e sua ascensão no céu é mais lenta. Estes dois fatores, contribuem para a diminuição da eficiência operacional da CTS.

[010] Exemplificando, numa lavra já minerada em seus taludes os helióstatos são instalados. No fundo da lavra, o conjunto pilha térmico com meio térmico estático e a casa de potência (power house) são construídos. Sobre a pilha térmica, o sistema de foco é construído. Este pode conter

[011] Todas as lentes, ópticas, lentes fresnel, calhas e discos parabólicos obedecem às leis da óptica. Estas leis garantem que a luz é capaz de se deslocar em ambos os sentidos através de qualquer sistema óptico. Este efeito é fundamental para se entender todas as conformações de sistemas ópticos protegidos nesta patente, pois toda a descrição feita abrange ambos os sentidos de deslocação da luz por qualquer sistema óptico.

[012] A presente patente de inovação engloba todas as variações de números e da interação com todas as possíveis variações e conformações de lentes ópticas, lentes fresnel, calhas concentradoras parabólicas ou discos parabólicos com todas as características ópticas possíveis e movimentações das lentes.

Vantagens da inovação

[013] As vantagens da presente inovação são evidentes podendo se citar como principais, entre tantas outras, as seguintes: ter um sistema de armazenamento de energia solar na forma de energia térmica feito por um meio estático e que a luz solar concentrada é focada e injetada diretamente sobre o meio estático. Que a forma de foco e injeção da luz solar concentrada é feita utilizando diferentes soluções ópticas, tais como lentes côncavas ou convexas, espelhos côncavos e lentes Fresnel. Que a troca de calor entre o meio de armazenamento estático e a água se dá de forma direta. Que esta nova configuração de centrais termelétricas solares (CTS) e de pilhas térmicas de armazenamento, dispensa o uso de torres, receptor e bombeamento do fluído/meio, um dos tanques de armazenamento, desta forma reduzindo os custos de instalação, operação e manutenção da central termelétrica solar (CTS) ou de pilhas térmicas de armazenamento térmico para qualquer tipo de processo em que a energia térmica é necessária. Estarem, as centrais termelétricas solares (CTS) ou as pilhas térmicas de armazenamento térmico, contidas e protegidas dentro de lavras de mineração já exploradas e atualmente sem uso ou qualquer depressão no solo, fazem com que em caso de problemas, estes estejam contidos dentro da lavra ou depressão no solo e o foco, ponto de alta luminosidade esteja abaixo da linha do horizonte local, reduzindo seu impacto nos transeuntes.

[014] A presente patente de inovação passará a ser descrita a seguir com referência às concretizações típicas da mesma e também com referência aos desenhos apensos, nos quais:

[015] A figura 01 mostra a pilha de armazenamento em perspectiva lateral mostrando um corte lateral onde em (1) temos os raios da luz solar, em (2) temos as soluções ópticas, que pode ser uma ou mais lentes tipo Fresnel ou lentes ópticas convexas ou convexas. Em (3) temos as janelas que permitem a luz solar concentrada passar pela tampa do receptáculo maior (8) e atingir o fluído-meio de armazenamento térmico estático (5) que pode ter ou não e ser misturado por um sistema misturador (4) para facilitar e melhorar a distribuição da energia pelo fluído-meio de armazenamento térmico. Em (6) temos o cano de saída do vapor e em (7) temos o cano de entrada da água. Em (8) temos a parede do receptáculo maior, em (9) temos a parede do receptáculo menor e entre as duas temos o espaço do vácuo (10). em (11) temos o suporte do receptáculo menor com isolamento térmico.

[016] Na figura 02 mostra a pilha de armazenamento em perspectiva lateral onde em (1) temos os raios da luz solar, em (2) temos as soluções ópticas, que pode ser uma ou mais lentes tipo Fresnel ou lentes ópticas convexas. A distância entre as soluções ópticas e a tampa do receptáculo é variável e definida pelas características do sistema como um todo. Em (3) temos a tampa do receptáculo maior e em (4) a parte inferior do receptáculo maior. Em (5) temos o tubo por onde o vapor deixa o receptáculo maior e em (6) temos o tubo de entrada da água, para ser aquecida e ser transformada em vapor para acionar a turbina e gerar eletricidade. Em (7) temos as janelas que permitem a entrada da luz solar concentrada para o interior da pilha térmica a fim de atingir o meio-fluído térmico de armazenamento contido no interior da pilha térmica.

[017] Na figura 03 mostra em uma vista superior em (1) a tampa do receptáculo maior e em (2) as soluções ópticas, lentes ópticas comum ou tipo Fresnel, que podem estar espaçadas entre elas ou unidas como mostrado. Em (3) temos o tubo de saída do vapor e em (4) temos o tubo de entrada da água, para ser aquecida e virar vapor, que acionará o conjunto turbina-gerador na casa de força.

[018] Na figura 04 temos em (1) uma lavra (cava) de mineração com seus taludes (2) sobre os quais os helióstatos (3) são instalados. Os helióstatos (3) focam a luz solar sobre o funil óptico ou espelhos planos (4) colocados sobre a pilha térmica, direcionado assim a luz solar para as soluções ópticas que injetaram a luz solar concentrada para dentro da pilha térmica, aquecendo o fluído-meio térmico estático.

Claims

Modelo de pilha térmica para centrais termoelétricas solares e armazenamento térmico para processos industriais e sistema de foco e injeção de energia solar concentrada na pilha usando lentes ópticas ou lentes Fresnel é um sistema que pelo uso de uma pilha térmica com um meio de armazenamento térmico estático que é atingido diretamente pela luz solar proveniente dos helióstatos focada por lentes ópticas côncavas ou convexas ou lentes tipo Fresnel para focar e injetar a luz solar para dentro da pilha térmica passando por janelas e atingindo assim, diretamente o meio-fluído térmico de armazenamento estático, ter um sistema de troca de calor colocado dentro do meio-fluído térmico de armazenamento estático com a entrada da água líquida e a saída do vapor que aciona o conjunto turbina-gerador na casa de potência da central termoelétrica solar são caracterizados pelo fato de:
São caracterizados por terem desenhos e configurações dos conjuntos ópticos específicos e lentes tipo Fresnel e que variam em suas configurações para cada pilha térmica ou em sua utilização em qualquer atividade econômica que se deseje armazenar energia térmica para posterior uso, que podem variar na quantidade, distâncias focais, materiais em que são fabricados as soluções ópticas;
São caracterizados por ser um sistema em que o meio de armazenamento térmico é estático e que não circula forçadamente por um sistema e este meio de armazenamento pode ser de qualquer material com grande capacidade de armazenamento de energia térmica e é sobre este meio estático que a luz solar concentrada é focada e injetada, atingindo o meio e aquecendo o meio e assim armazenando energia na forma térmica;
São caracterizados por injetarem diretamente a luz solar concentrada diretamente sobre o meio de armazenamento térmico via soluções de lentes ópticas côncavas ou lentes Fresnel;
São caracterizados por ter um meio-fluído térmico de armazenamento estático que pode ser sólido ou composto por particulados soltas e colocados dentro de um segundo receptáculo, este estando dentro do receptáculo maior que contem as janelas que permitem a passagem da luz solar proveniente dos helióstatos;
É caracterizado por ter um sistema de sustentação das lentes ópticas ou lentes fresnel que permitem que a luz solar captada seja direcionada para as lentes ópticas ou lentes fresnel a fim de injetar a energia/luz solar em todos os ângulos e inclinações que suas propriedades ópticas permitem e esta energia seja injetada, direcionada para dentro da pilha térmica;
É caracterizado por usar informações/dados de sensores de fluxo, magnéticos, térmicos, eletrônicos, elétricos, ultra-sônicos, fotoelétricos, câmeras digitais e câmeras térmicas e de qualquer outra configuração e/ou funcionamento existente ou que venham a ser inventados, instalados ou que venham a ser instalados e conectados diretamente ao funcionamento e operação da pilha térmica e da central termoelétrica solar ou qualquer outra atividade econômica, para a qual a pilha faz parte;
É caracterizado pelo fato que a pilha térmica pode estocar energia térmica para todo e qualquer outra utilização residencial, industrial ou qualquer campo de atividade econômica;
É caracterizado pelo fato que a pilha térmica pode ser instalada dentro de uma lavra (cava) de mineração já explorada e não mais em exploração ou qualquer depressão ou buraco no solo utilizando assim os taludes da lavra ou o desnível natural existente no local para a instalação dos helióstatos, reduzindo assim o sombreamento entre helióstatos, a distância entre os helióstatos e a pilha de armazenamento térmico;
Método de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 e 9 é caracterizado pelo fato de que um novo método e design de uma pilha de armazenamento térmico permite que energia solar na forma de luz seja focada e injetada para o interior da pilha térmica e armazenada na forma de energia térmica. A luz solar é injetada diretamente por um sistema óptico composto por diferentes configurações e variações de lentes ópticas ou do tipo Fresnel, passando por janelas, atingindo o meio-fluído de armazenamento térmico que é estático e não circula. Que o local de instalação da pilha e sua central termoelétrica solar seja uma lavra (cava) de mineração já explorada e sem utilização no presente, desta forma utilizando os taludes da lavra para a instalação dos helióstatos reduzindo e eliminando o sombreamento entre helióstatos e a distância entre os helióstatos e a pilha de armazenamento térmico. A pilha térmica aqui descrita pode ser utilizada em qualquer atividade econômica que se deseje armazenar energia térmica para uso imediato ou posterior.