BR112016000686B1

BR112016000686B1 - Corpo absorvedor de radiação solar para um sistema de energia solar concentrada e método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar

Info

Publication number: BR112016000686B1
Application number: BR112016000686-0A
Authority: BR
Inventors: Valéry VUILLERME; Arnaud Bruch; Gatien Fleury; Benoit BOULAY; Jean-Marc DUHAMEL
Original assignee: Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives; Mannesmann Precision Tubes France
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2023-01-24
Also published as: BR112016000686A8; US20160153682A1; RU2016105525A; RU2691250C2; EP2827079A1; KR102310010B1; BR112016000686A2; EP3022500B1; KR20160065076A; UA120838C2; US10533775B2; WO2015007908A1; EP3022500A1

Abstract

CORPO ABSORVEDOR DE RADIAÇÃO SOLAR PARA UM SISTEMA DE ENERGIA SOLAR CONCENTRADA E MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE UM CORPO ABSORVEDOR DE RADIAÇÃO SOLAR. A presente invenção refere-se a um corpo absorvedor de radiação solar para um sistema de energia solar concentrada e um método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar. Um corpo absorvedor de radiação solar (1) para um sistema de energia solar concentrada, o dito corpo absorvedor de radiação solar (1) compreendendo: - um tubo (2) concebido de modo a conter um meio de transferência de calor (10) e compreendendo uma primeira parte destinada a ficar exposta à luz do sol e uma segunda parte destinada a não ficar exposta à luz do sol, - um conjunto de aletas (3) feitas de um material condutor térmico, e - um revestimento seletivo disposto pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo (2), - o dito conjunto de aletas (3) definindo pelo menos duas passagens longitudinais (4) no interior do tubo, as ditas passagens (4) sendo adjacentes em um plano em seção e perpendiculares ao eixo longitudinal do tubo, o dito conjunto de aletas (3) sendo configurado de modo a criar uma ponte térmica contínua no interior do tubo a partir de pelo menos uma porção da superfície (...).

Description

CAMPO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a um corpo absorvedor de radiação solar para um sistema de energia solar concentrada compreendendo um tubo concebido de modo a conter um meio de transferência de calor, e compreendendo um conjunto de aletas de material condutor térmico.

[0002] A presente invenção também se refere a um método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar, o dito método compreendendo as etapas de: - prover um tubo concebido de modo a conter um meio de transferência de calor, - inserir no tubo um conjunto de aletas feitas de um material condutor térmico, - estirar a frio o tubo e o conjunto de aletas em uma única operação, de modo a prender o conjunto de aletas dentro do tubo.

TÉCNICA ANTERIOR

[0003] Os sistemas de energia solar concentrada são projetados de modo a coletar calor por meio da absorção da luz do sol. Classicamente, a luz solar é concentrada e focada sobre um corpo absorvedor de radiação solar que contém um fluido de transferência de calor (vapor, óleo ou outro meio de transferência de calor). O corpo absorvedor de radiação solar pode ser, por exemplo, um tubo absorvedor alongado através do interior do qual passa o fluido de transferência de calor. O corpo absorvedor de radiação solar absorve a luz do sol e converte a mesma em calor. Em seguida, o calor é transmitido para o fluido de transferência de calor. A temperatura do fluido, por conseguinte, aumenta fortemente.

[0004] O fluido de transferência de calor pode ser usado em um gerador de turbina padrão para a produção de eletricidade. Por exemplo, calhas parabólicas, refletores Fresnel e torres de energia solar podem ser usados para a conversão da luz solar em energia elétrica térmica.

[0005] De modo geral, o corpo absorvedor de radiação solar contém um substrato, normalmente um tubo alongado, coberto por um revestimento seletivo compreendendo uma camada refletora de radiação infravermelha, uma camada de absorção solar e, na maioria das vezes, uma camada antirrefletora.

[0006] O revestimento seletivo deve apresentar propriedades ópticas específicas, tais como uma elevada absorção solar e uma baixa emissividade térmica. Além disso, o revestimento seletivo deve ser termicamente estável, sem prejudicar as propriedades de reflexão e absorção. O tempo de vida do revestimento seletivo depende, entre outras coisas, do ambiente de trabalho, da temperatura operacional máxima, e da variação de temperaturas sobre a superfície externa do tubo.

[0007] O tubo do corpo absorvedor de radiação solar é submetido à irradiação unicamente sobre uma superfície semicilíndrica, ou seja, sobre a superfície onde a luz solar é focada. Portanto, o tubo é sujeito a grandes variações circunferenciais de fluxo de calor sobre a sua superfície externa, induzindo um gradiente térmico circunferencial sobre a superfície externa do tubo. Estes gradientes térmicos induzem, por um lado, tensões termomecânicas, e, por outro lado, uma área de temperatura mais elevada, o que acelera a deterioração do revestimento seletivo.

[0008] Tal como representado na Figura 1, a fim de reduzir o gradiente térmico circunferencial, o Pedido Internacional WO 2011/055401 propõe a introdução de elementos salientes sobre a parte irradiada do tubo, sobre a superfície interna do tubo, a fim de aumentar a turbulência do fluido e, por conseguinte, a troca de energia térmica. Estes elementos podem ser aletas, todas com uma extensão radial sobre o lado do tubo onde a luz solar é focada.

[0009] A presença de aletas em uma porção do tubo solar permite baixar localmente os gradientes térmicos circunferenciais. Uma análise paramétrica foi conduzida como uma função da altura das aletas, do número de aletas, da disposição angular das aletas no tubo, e da temperatura do meio de transferência de calor para um nível de coeficiente de transferência de calor convectiva de 520 W/m2.K, que fica próximo aos níveis obtidos nas aplicações de energia solar termodinâmica que usam gás como um fluido de transferência de calor. Por exemplo, a temperatura máxima passa de 370°C na ausência de aletas para 323°C por meio de 24 aletas de 5 mm de comprimento e 2 mm de espessura distribuídas ao longo de um arco de 150° sobre a superfície interna do tubo. A presença de aletas reduz a deformação da seção do tubo em 10 %.

[0010] No entanto, a seção do tubo obtido não é axissimétrica e, por conseguinte, requer particulares e complicados processos de elaboração.

[0011] O Pedido Internacional WO 2012/110341 descreve um tubo de energia solar, a face interna do tubo sendo provida com nervuras helicoidais. No entanto, a redução do gradiente térmico circunferencial com tal estruturação seria insignificante para as aplicações solares que envolvem uma temperatura de transferência de calor que chegam a 500°C.

OBJETO DA INVENÇÃO

[0012] Um objeto da presente invenção é remediar as deficiências da técnica anterior e, em particular, prover um corpo absorvedor de radiação solar com uma vida de serviço de longa duração através da redução do gradiente térmico circunferencial e da temperatura operacional máxima.

[0013] É um outro objeto da presente invenção propor um método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar que contém um elemento para reduzir o gradiente de temperatura sobre a superfície do tubo e que seja fácil de implementar, com custos substancialmente reduzidos.

[0014] É um outro objeto prover um sistema de energia solar concentrada compreendendo tal corpo absorvedor de radiação solar.

[0015] De acordo com a presente invenção, estes objetos são obtidos por um corpo absorvedor de radiação solar para um sistema de energia solar concentrada e por um método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar de acordo com as reivindicações em anexo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] Outras vantagens e características se tornarão mais claramente evidentes a partir da descrição seguinte de modalidades particulares da presente invenção dadas apenas para fins de exemplo não limitativo e representadas nos desenhos em apenso, nos quais:

[0017] A Figura 1 representa uma vista tridimensional de um corpo absorvedor de radiação solar, de acordo com a técnica anterior, a Figura 2 representa uma vista tridimensional de um corpo absorvedor de radiação solar, de acordo com uma modalidade da presente invenção, as Figuras 3 a 14 representam vistas em seção transversal de um conjunto de aletas de acordo com diferentes modalidades particulares da presente invenção, a Figura 15 representa uma vista em seção transversal da distribuição de temperatura ao longo da seção circunferencial dos tubos e ao longo do conjunto de aletas de acordo com uma modalidade particular da presente invenção, a Figura 16 representa uma vista em seção transversal de um tubo revestido por um revestimento seletivo, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[0018] A espessura de revestimento de cada camada é mostrada muito maior do que realmente é com o objetivo de simplificar as ilustrações.

[0019] Os desenhos não necessariamente foram feitos em escala.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES PARTICULARES DA INVENÇÃO

[0020] Tal como representado na Figura 2, o corpo absorvedor de radiação solar 1 para um sistema de energia solar concentrada compreende: - um tubo 2 concebido de modo a conter um meio de transferência de calor 10 e compreendendo uma primeira parte destinada a ficar exposta à luz do sol e uma segunda parte destinada a não ficar exposta à luz do sol, - um conjunto de aletas 3 feitas de um material condutor térmico, e - um revestimento seletivo disposto pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo 2.

[0021] O conjunto de aletas 3 é configurado de modo a definir pelo menos duas passagens longitudinais 4 no interior do tubo para o meio de transferência de calor, as ditas passagens 4 sendo adjacentes em um plano em seção e perpendiculares ao eixo longitudinal do tubo.

[0022] O conjunto de aletas 3 é configurado de modo a criar uma ponte térmica contínua no interior do tubo a partir de pelo menos uma porção da superfície interna da primeira parte do tubo para pelo menos uma porção da superfície interna da segunda parte do tubo.

[0023] Por "uma primeira parte destinada a ficar exposta à luz do sol", deve-se entender a parte do tubo sobre a qual a luz solar se concentra. A outra parte corresponde à segunda parte destinada a não ficar exposta à luz do sol, esta parte do tubo sendo a qual a luz do sol não se concentra, e cada parte sendo complementar uma à outra. De preferência, a parte destinada a ficar exposta à luz solar e a parte destinada a não ficar exposta à luz solar ficam opostas uma à outra sobre o diâmetro do tubo.

[0024] Por exemplo, cada peça pode ter um formato semicilíndrico.

[0025] Em uma modalidade preferida, o tubo 2 tem um diâmetro nominal (DN) que varia, de preferência, de DN 15 a DN 80, e uma espessura de parede que varia de sch 40 a sch 160, de acordo com o diâmetro nominal do tubo. Outros tamanhos poderão também ser possíveis. De preferência, o tubo é configurado de modo a conter um meio de transferência de calor, tal como óleo, água ou vapor de água, ou qualquer outro fluido de transferência de calor.

[0026] A espessura do tubo 2 é, de preferência, dentre 1,25 mm e 6,35 mm, dependendo da pressão e da temperatura operacionais.

[0027] De acordo com uma modalidade mais preferida, o tubo 2 tem um diâmetro nominal de DN 40, ou seja, um diâmetro exterior de 48,26 mm, e uma espessura de parede de sch 80, o que corresponde a uma espessura de parede de 5.080 mm.

[0028] O tubo 2 pode ser um tubo sem costura ou um tubo soldado, estirado a frio ou não. De um modo vantajoso, o tubo 2 é um tubo estirado a frio sem costura. Além disso, com vantagem, o tubo 2 é um tubo estirado a frio sem costura de modo a obter tolerâncias apertadas, excelentes propriedades de superfície, excelentes propriedades mecânicas a alta temperatura e, em particular, sob pressão. A faixa alvo preferida de temperatura é de 150°C a 650°C, e, mais particularmente, entre 300°C e 600°C, a faixa de pressão é, com vantagem, de 0,2 MPa a 20 MPa (2 bar a 200 bar), e, mais particularmente, entre 5 MPa e 20 MPa (50 bar e 200 bar).

[0029] O tubo 2 pode ser feito de ferro, níquel ou liga de titânio, os principais elementos de liga, em termos de percentual em peso, destas ligas sendo o ferro, o níquel, e o titânio, respectivamente. As ligas de ferro apresentam, com vantagem, o melhor compromisso entre custo e desempenho termomecânico. As ligas de níquel têm a melhor resistência mecânica e podem ser usadas a temperaturas mais elevadas. As ligas de titânio são, com vantagem, mais leves e permitem a redução do peso da estrutura como um todo. Mais preferencialmente, o tubo 2 é feito de liga de ferro.

[0030] Em particular, o tubo 2 é um tubo de aço. O tubo 2 pode ser um tubo de aço inoxidável. O tubo 2 é, de preferência, um tubo de aço de baixa liga ou um tubo de aço de alta liga. Estes tipos de aço contêm menos de 12,5 % em peso de cromo, e, de preferência, menos de 10,5 % em peso de cromo. Estes aços são diferentes dos aços inoxidáveis que geralmente contêm mais de 12,5 % em peso de cromo. Estes aços têm geralmente melhores propriedades mecânicas, por exemplo, um maior módulo de Young, e são mais baratos, especialmente porque os mesmos não contêm nenhum níquel. No entanto, esses aços não formam uma fina camada passiva principalmente constituída de Cr2O3, AI2O3, SiO2 ou MgO, tal como os aços inoxidáveis habituais formam. O aço de baixa liga constitui uma categoria de materiais ferrosos que apresentam relevantes propriedades mecânicas como resultado das adições de elementos de liga, tais como carbono, cromo, manganês e molibdênio. O total dos elementos de liga pode variar de até 8 % em peso. Por exemplo, P195GH, 13CrMo44 e 10CrMo9-10 são aços de baixa liga. Esses aços podem ser usados em temperaturas entre 350°C e 550°C, sob condições de pressão relativamente severas. Por "condições de pressão severas", deve-se entender uma pressão entre 5 MPa e 20 MPa (50 bar e 200 bar).

[0031] Os aços de alta liga contêm mais elementos de liga do que o aço de baixa liga, o teor de cromo permanecendo inferior a 12,5 % em peso. Esses aços podem ser usados em temperaturas de até 650°C e, ao mesmo tempo, manter uma razoável resistência ao escoamento. Os aços X10CrMoVNb9-1 e X11 CrMoWVNb97 são, por exemplo, aços de alta liga. Estes aços liga são, com vantagem, mais baratos do que os aços inoxidáveis, especialmente aqueles que contêm níquel como elementos de liga, tais como o AISI 304 ou o AISI 316. Com vantagem, o aço de baixa liga apresenta uma excelente condutividade térmica, o que melhora a transferência de calor de um substrato para um meio de transferência de calor. De preferência, o tubo é um tubo de aço de baixa liga, em particular, feito de 10CrMo9- 10, que apresenta uma boa condutividade térmica, tem um baixo coeficiente de expansão térmica (por exemplo, na faixa de 10 a 15 ppm/K entre 20°C e 550°C), além de ser de baixo custo e ter boa resistência à deformação plástica por escoamento.

[0032] De preferência, o tubo 2 é feito de ferro, níquel ou liga de titânio, ou de aço, tais como os aços do tipo P195GH, 13CrMo44, 10CrMo9-10, X10CrMoVNb9-1 e X11CrMoWVNb97.

[0033] O corpo absorvedor de radiação solar compreende um conjunto de aletas 3 que define pelo menos duas passagens longitudinais 4 no interior do tubo para o meio de transferência de calor. De modo a obter pelo menos duas passagens longitudinais 4 no tubo 2, as ditas passagens longitudinais 4 ficam adjacentes em um plano em seção e perpendiculares ao eixo longitudinal do tubo, e o conjunto de aletas 3 compreende pelo menos uma aleta. As passagens longitudinais 4 podem também ser chamadas de canais.

[0034] De preferência, o conjunto de aletas 3 compreende pelo menos duas aletas. A forma de um conjunto de 2 aletas, em uma vista em seção transversal, pode ser uma linha reta, tal como representado na Figura 3, ou pode ter a forma de um L, por exemplo. As aletas se estendem em um caminho de tal modo que as mesmas possam prover uma pluralidade de canais de passagem para o meio de transferência de calor que flui no tubo.

[0035] O conjunto de aletas 3 é configurado de modo a criar uma ponte térmica contínua no interior do tubo a partir de pelo menos uma porção da superfície interna da primeira parte do tubo para pelo menos uma porção da superfície interna da segunda parte do tubo. A ponte térmica pode também ser chamada de ligação térmica. Por ponte térmica contínua deve-se entender um elemento que cria um caminho térmico contínuo feito de um material com uma boa condutividade térmica entre a face do tubo concebida de modo a ficar exposta à luz do sol e a outra face. A ponte térmica contínua é disposta através da área em seção transversal do tubo e liga termicamente a face do tubo concebida de modo a ficar exposta à luz do sol à outra face. Isto aumenta a condução de calor no interior do tubo e através da ponte térmica entre a parte ou face do tubo concebida de modo a ficar exposta à luz do sol e a outra parte ou face do tubo concebida de modo a não ficar exposta à luz do sol.

[0036] Um material condutor térmico deve ser entendido como um material com uma condutividade térmica igual ou maior que 40 W/m.K e, de preferência, maior que 200 W/m.K

[0037] As superfícies em seção transversal das passagens longitudinais são definidas pela forma dos conjuntos de aletas. O número e a forma em seção transversal das aletas podem variar, bem como os intervalos regulares entre cada uma das aletas.

[0038] De acordo com modalidades preferidas e tal como representado nas Figuras 4 a 14, o conjunto de aletas 3 define entre 3 a 8 passagens longitudinais no tubo, ou seja, o conjunto de aletas compreende de 3 a 8 aletas. Por conseguinte, é possível se prover um tubo dotado de 3 a 8 passagens longitudinais.

[0039] Com vantagem, a espessura das aletas é da ordem de 1 mm. Um conjunto de aletas 3 com menos de 3 aletas parece não ser suficiente para significativamente aumentar o coeficiente de transferência de calor interno. Com mais de 8 aletas, o tubo começa a ficar lotado demais, o que poderá induzir uma queda de pressão. A queda de pressão é devido às forças de atrito à medida que um fluido flui em um tubo, as ditas forças de atrito sendo causadas pela resistência ao fluxo. A queda de pressão é uma diminuição da pressão no interior de um tubo entre um ponto para um outro ponto.

[0040] De acordo com uma modalidade preferida, o conjunto de aletas 3 tem uma estrutura em forma de estrela. As aletas se ligam umas às outras no mesmo ponto na seção transversal do tubo. Tal como representado nas Figuras 9, 10 e 11, a estrutura em forma de estrela possui um núcleo provido de braços, também chamados pontos 5, que se irradiam como os raios de um eixo central. O núcleo pode corresponder tão somente à interseção dos braços. De um modo vantajoso, tal forma é, na verdade, facilmente inserida em um tubo. Além disso, essa forma é susceptível de melhorar a troca de calor sem acentuar demais a queda de pressão.

[0041] De acordo com uma modalidade particular, todos os braços têm a mesma dimensão, a qual, por conseguinte, corresponde ao raio interno do tubo, sendo o núcleo localizado no centro da seção transversal do tubo.

[0042] Tal como representado nas Figuras 9 a 13, o conjunto de aletas 3 pode compreender um invólucro externo 6, o dito invólucro externo 6 ficando em contato com a parte interna do tubo 2 e ligando pelo menos dois pontos 5 da estrutura em forma de estrela. Em uma modalidade alternativa, e tal como representado nas Figuras 3 a 8, o conjunto de aletas não é provido com um invólucro externo.

[0043] De um modo vantajoso, um invólucro externo descontínuo, ou seja, que não é ligado a todos os pontos da estrutura em forma de estrela, irá permitir que o meio de transferência de calor que flui dentro do tubo fique diretamente em contato com o diâmetro interno do tubo. Isto irá permitir uma redução da resistência de contato na interface entre o tubo e o inserto na área em que o fluxo é máximo.

[0044] De acordo com uma modalidade particular e, tal como representado nas Figuras 9, 12 e 13, o invólucro externo 6 é um anel, e o invólucro externo tem um diâmetro exterior menor que o diâmetro interno do tubo. Com vantagem, o invólucro externo permite o aperfeiçoamento da retenção do inserto no interior do tubo. Tal inserto poderá também ser mais fácil de fabricar, por exemplo, por meio de um processo de extrusão.

[0045] De acordo com uma modalidade particular e tal como representado nas Figuras 12 a 14, o conjunto de aletas compreende um elemento obstrutor 7 localizado na interseção dos pontos 5 da estrutura em forma de estrela. Este conjunto de aletas 3 tem, por conseguinte, a forma de um corpo cilíndrico sólido alongado provido com nervuras radialmente estendidas e angularmente espaçadas. A presença deste elemento obstrutor 7 resulta em uma restrição da seção do tubo, o que poderá induzir localmente uma aceleração média da transferência de calor.

[0046] De acordo com uma modalidade preferida, o elemento obstrutor 7 representa pelo menos 5 % da área interna do tubo, em um plano em seção, e fica perpendicular ao eixo longitudinal do tubo. De um modo vantajoso, isto não representa mais do que 20 % da superfície interna do tubo, de modo a não aumentar significativamente a resistência interna do meio de transferência de calor que flui no interior do tubo 2.

[0047] De acordo com uma modalidade particular e, tal como representado na Figura 13, o conjunto de aletas 3 é assimétrico em um plano em seção e fica perpendicular ao eixo longitudinal do tubo 2. Tal configuração faz aumentar localmente a transferência de calor, mas, por outro lado, é mais difícil de fabricar.

[0048] De acordo com uma modalidade particular e, tal como representado nas Figuras 3 a 12 e 14, o conjunto de aletas 3 é simétrico em um plano em seção e fica perpendicular ao eixo longitudinal do tubo 2. O conjunto de aletas é inserido coaxialmente no interior do tubo 2. Tal conjunto de aletas 3 é, com vantagem, fácil de implementar. Além disso, as forças aplicadas durante a etapa de estiramento a frio a este conjunto de aletas são igualmente distribuídas sobre as aletas.

[0049] De acordo com uma modalidade particular e, tal como representado na Figura 14, a parte das aletas que ficam em contato com o tubo 2 pode ser flexível a fim de absorver o diferencial de expansão dos materiais envolvidos.

[0050] Em uma vista em seção transversal e em uma modalidade preferida, cada passagem longitudinal é delimitada por pelo menos duas aletas, e pelo invólucro externo, ou pelo diâmetro interno do tubo.

[0051] De acordo com uma modalidade particular, tal como mostrado na Figura 2, o tubo 2 compreende pelo menos um conjunto adicional de aletas 8, o conjunto de aletas definindo um primeiro grupo de passagens longitudinais 4 no tubo 2, e o conjunto adicional de aletas 8 definindo um segundo grupo de passagens longitudinais 9 no tubo 2, e as passagens longitudinais 4 do primeiro grupo são deslocadas com relação às passagens longitudinais 9 do segundo grupo, com relação ao eixo longitudinal do tubo 2.

[0052] Isto permite misturar os fluxos de fluidos frios e quentes ao longo do tubo e acentuar a redução do gradiente térmico.

[0053] A geometria dos diferentes conjuntos de aletas pode ser idêntica ou diferente. O número de aletas dos diferentes conjuntos pode ser diferente.

[0054] Quando as geometrias das aletas são idênticas, o conjunto adicional de aletas 8 poderá ser deslocado em um ângulo TT/n, em comparação com o primeiro conjunto de aletas 4, n sendo o número de aletas. Isto tem por objetivo principal voltar a misturar periodicamente os fluxos de fluido a fim de homogeneizar a temperatura do fluido nas diferentes passagens longitudinais, e, em segundo lugar, aumentar os coeficientes de transferência de calor através do aumento da turbulência.

[0055] Os conjuntos de aletas 3 e 8 podem ser dispostos de maneira descontínua ao longo do tubo. As aletas podem, por exemplo, ser dispostas nas áreas em que o gradiente térmico é mais crítico e, por conseguinte, onde os efeitos termomecânicos serão mais desvantajosos. As aletas poderão também ser dispostas nas áreas em que a temperatura da superfície externa do tubo é mais elevada e, por conseguinte, onde o risco de danos ao tratamento seletivo será mais importante. Uma prática adequada será, em seguida, usar pelo menos um conjunto de aletas ao longo de uma seção de um trocador de calor ou de qualquer outro dispositivo que contenha um meio de transferência de calor com o propósito de fazer a troca de calor entre dois meios, e o conjunto de aletas abrangendo de 25 % a 50 % da seção deste dispositivo. A aplicação poderá ser válida para qualquer tipo de dispositivo no qual uma troca de calor é realizada com um meio circulante.

[0056] De acordo com uma modalidade particular, o conjunto de aletas 3 é feito de um material com uma condutividade térmica igual ou maior que 40 W/m.K e, de preferência, maior que 200 W/m.K. De preferência, o conjunto de aletas 3 é feito de uma liga de alumínio, de aço ou de uma liga de cobre. O material do conjunto de aletas é escolhido com base na facilidade de fabricação e em sua compatibilidade com diversos meios de transferência de calor com alta temperatura e pressão. Com vantagem, esses materiais permitem a provisão de conjuntos de aletas de baixo custo.

[0057] De acordo com uma modalidade particular, o tubo e as aletas são feitos do mesmo material. De um modo vantajoso, as aletas e o tubo são feitos de aço. São obtidos contatos mecânicos e térmicos aperfeiçoados entre as aletas e tubo. Com vantagem, não haverá qualquer expansão térmica diferencial. Isto permitirá o aumento da vida útil do tubo 2 e/ou do conjunto de aletas 3. A equalização da temperatura entre a face do tubo exposto à luz do sol e a outra face é aperfeiçoada.

[0058] Com vantagem, o conjunto de aletas 3 permite misturar homogeneamente o meio de transferência de calor no tubo. O diferencial de temperatura no interior do dito meio de transferência de calor diminui.

[0059] As aletas têm uma espessura que compreende entre 0,5 mm e 4 mm, dependendo, especialmente, do diâmetro do tubo. Por exemplo, a espessura das aletas é de 2 mm para os tubos com um diâmetro interno de 38 mm.

[0060] De preferência, o conjunto de aletas de 3 é preso no tubo 2.

[0061] De acordo com uma modalidade preferida, o conjunto de aletas 3 é estirado a frio dentro do tubo 2.

[0062] A fim de determinar a influência da natureza do material das aletas e do número de aletas sobre o gradiente térmico, várias simulações foram feitas. O modelo utilizado leva em consideração, especialmente, o aumento do coeficiente de transferência de calor interno devido à mudança do diâmetro hidráulico das correntes de fluido.

[0063] O tubo usado na simulação é um tubo de aço do tipo 10CrMo9-10 com DN 50 e sch 80, ou seja, com um diâmetro externo de 60,33 mm e uma espessura de 5.537 mm. O conjunto de aletas tem uma estrutura em forma de estrela, a espessura das aletas sendo de 2 mm. O fluxo submetido ao tubo tem um fator de concentração de 50; este fator de concentração significando que a energia irradiada pelo sol é concentrada 50 vezes sobre o tubo absorvedor. O fluido de transferência de calor é um vapor, e a taxa de fluxo no interior do tubo absorvedor é concebida de modo a evitar a destruição do tratamento seletivo.

[0064] Com um conjunto de aletas de aço do tipo 10CrMo9-10 (À = 40 W/m.K), o gradiente térmico diminui em 7 % com uma configuração de 3 aletas, e em 20 % com uma configuração 8 aletas.

[0065] Com um conjunto de aletas de alumínio (À = 200 W/m.K), o gradiente térmico diminui em 28 % com uma configuração de 8 aletas, tal como mostrado na Figura 15. Os resultados obtidos para um conjunto de aletas de cobre (À = 300 W/m.K) apresentam ganhos similares em comparação com um conjunto de aletas de alumínio.

[0066] Os resultados simulados obtidos se encontram reunidos na tabela a seguir. A temperatura representa a diminuição máxima de temperatura de acordo com o número de aletas e de acordo com diferentes materiais:

[0067] Esta diminuição da temperatura permite evitar a deterioração do revestimento seletivo e do tubo, o que aumenta a vida útil dos mesmos.

[0068] De acordo com uma modalidade preferida, um revestimento seletivo 11 pode ser disposto pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo 2. O revestimento seletivo 11 é concebido de modo a absorver um alto percentual de luz solar incidente e emite um percentual da energia absorvida como calor irradiado. De preferência, o objetivo é absorver mais de 80 % da luz solar incidente, enquanto que a emissividade deve ficar abaixo de 25 % da emissividade de um corpo negro em uma temperatura de trabalho do tubo absorvedor.

[0069] O revestimento seletivo 11 é formado pelo menos sobre a parte exposta da superfície externa do tubo 2 e, de modo geral, sobre toda a superfície externa do tubo 2. Em uma modalidade específica na qual o revestimento seletivo fica disposto apenas sobre a parte exposta da superfície externa, a parte não exposta do tubo, no entanto, poderá ser revestida com pelo menos uma camada altamente refletora, também chamada de espelho infravermelho.

[0070] Tal como representado na Figura 16, o revestimento seletivo 11 é composto de uma pilha disposta sobre a superfície externa do tubo 2 (representada sem o conjunto de aletas na Figura 16 por motivos de clareza). A pilha compreende várias camadas que produzem as desejadas propriedades ópticas. De preferência, o revestimento seletivo 11 é formado por um revestimento refletor, uma camada de absorção de radiação solar 13 e, eventualmente, por uma camada antirrefletora. O revestimento altamente refletor é também chamado de espelho infravermelho. Com vantagem, a camada apresenta uma alta absorção de radiação solar e baixa emissividade de infravermelho, e a camada antirrefletora aumenta a absorção solar.

[0071] A superfície externa da camada antirrefletora 14 pode ter uma textura a fim de aumentar a absorção solar e minimizar a superfície de reflexão. A textura pode ser aplicada por meio de quaisquer métodos adequados.

[0072] Uma pilha compreendendo um espelho infravermelho à base de platina, juntamente com um compósito de cerâmica e metal de Cr/Cr2O3, Mo/AI2O3 ou W/AI2O3 com uma camada antirrefletora de SiO2, ou feito de quaisquer outros materiais antirrefletores no topo da mesma poderá, por exemplo, ser usada. Uma outra opção poderá ser o uso de uma pintura seletiva contendo pigmentos resistentes a altas temperaturas, com ou sem a adição de uma camada antirrefletora de SiO2.

[0073] Em uma modalidade específica, uma camada de barreira de difusão pode ser adicionada ao revestimento seletivo, em particular, quando o tubo é um tubo de aço escolhido entre os tubos do tipo P195GH, 13CrMo44, e 10CrMo9-10. Esta camada de barreira de difusão é, neste caso, disposta de modo a ficar em contato direto com a superfície externa do tubo 2. As camadas do revestimento seletivo são separadas do tubo 2 pela camada de barreira de difusão 12. De um modo vantajoso, a camada de barreira de difusão 12 reduz ou impede a difusão de quaisquer espécies oxidantes, tais como O2 ou seus íons, da atmosfera para o tubo 2, ou, ao contrário, dos átomos do substrato 2 para a camada de absorção de radiação solar e/ou da camada externa para o substrato 2. A camada de barreira de difusão 12 pode compreender pelo menos um material refratário, tal como molibdênio, tungstênio, AI2O3, Cr2O3, uma liga de níquel e cromo, uma liga de cobalto e cromo, WC, ZrB2, ou uma mistura de ZrB2 e SiC. A espessura da dita camada de barreira de difusão 12 é, com vantagem, maior que 25 μm e, de preferência, compreende entre 40 μm e 200 μm.

[0074] Em outra modalidade, o revestimento seletivo compreende pelo menos uma camada que tem uma função tanto como de uma barreira de difusão como também de uma camada de absorção.

[0075] Um método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar 1 compreende as etapas de: - prover um tubo 2 concebido de modo a conter um meio de transferência de calor 10, com ou sem um revestimento seletivo, - inserir no tubo 2 um conjunto de aletas 3 feitas de um material condutor térmico, o dito conjunto de aletas 3 sendo concebido de modo a definir pelo menos duas passagens longitudinais 4 no tubo 2, as ditas passagens 4 sendo adjacentes em um plano em seção e perpendiculares ao eixo longitudinal eixo do tubo, e o dito conjunto de aletas 4 sendo concebido de modo a criar uma ponte térmica contínua através do tubo 2, - estirar a frio o tubo 2 e o conjunto de aletas de 3 de modo a prender o conjunto de aletas 3 dentro do tubo 2, - formar o revestimento seletivo pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo 2.

[0076] O conjunto de aletas pode ser inserido automática ou de maneira semiautomática no tubo.

[0077] A operação de estiramento a frio garante a fixação do conjunto de aletas 3 dentro do tubo 2. O tubo 2 e o conjunto de aletas 3 formam, com vantagem, uma única entidade, um único corpo.

[0078] Com vantagem, o processo de estiramento a frio permite obter um tubo 2 com excelente linearidade. Além disso, este processo é adequado para diversos diâmetros. É um método preciso e reprodutível. A superfície do tubo obtida apresenta uma baixa rugosidade e propriedades mecânicas respectivamente adequadas para a exigência óptica e mecânica da aplicação.

[0079] Antes de inserir o conjunto de aletas 3 no tubo 2, uma operação de passivação de superfície poderá ser realizada no conjunto de aletas 3 e/ou no tubo 2 a fim de prevenir corrosão.

[0080] Após a etapa de estiramento a frio, o método de fabricação do corpo absorvedor de radiação solar 1 compreende ainda as etapas de depositar o revestimento seletivo 11 sobre o tubo 2. Em uma primeira etapa, a camada de barreira de difusão 12 pode ser depositada sobre a superfície externa do tubo 2 por meio de pulverização térmica.

[0081] Em seguida, a camada de absorção de radiação solar 13 é depositada sobre a camada de barreira de difusão 12. A camada de absorção de radiação solar 13 pode ser depositada por deposição física de vapor.

[0082] De preferência, a camada de barreira de difusão 12 e a camada de absorção de radiação solar 13 são depositadas sobre o tubo depois da etapa de estiramento a frio.

[0083] O corpo absorvedor de radiação solar 1 assim obtido apresenta uma elevada capacidade de absorção espectral ao longo da faixa de comprimentos de onda solar, ou seja, o corpo absorvedor absorve a radiação solar incidente e converte a mesma em uma outra energia, ou seja, em calor, que é transferido por condução para a camada adjacente. Por "elevada capacidade de absorção", deve-se entender que o material absorve entre mais do que 80 % da radiação solar incidente na faixa espectral de 300 nm < À < 1600 nm e por "elevada produção de radiação incidente", deve-se entender que as perdas térmicas e ópticas do corpo absorvedor de radiação solar são menores do que 25 %. As perdas podem ser quantificadas por espectrofotometria, por exemplo. Isto significa que o corpo absorvedor de radiação solar 1 se limita a irradiar de volta apenas uma pequena quantidade de calor e perde tão somente uma pequena quantidade de radiação solar incidente através da reflexão.

[0084] A presente invenção não se limita às modalidades descritas acima que foram apresentadas com propósitos de exemplificação, sem caráter restritivo. Em particular, a presente invenção pode ser aplicada a todos os tubos usados como um permutador de calor, os ditos tubos contendo um meio de transferência de calor, especialmente aqueles que envolvem uma fonte externa heterogeneamente distribuída em torno do tubo.

Claims

1. Corpo absorvedor de radiação solar (1) para um sistema de energia solar concentrada, o dito corpo absorvedor de radiação solar (1) compreendendo: - um tubo (2) concebido de modo a conter um meio de transferência de calor (10) e compreendendo uma primeira parte destinada a ficar exposta à luz do sol e uma segunda parte destinada a não ficar exposta à luz do sol, o tubo sendo feito em um primeiro material, a primeira parte e a segunda parte sendo opostas uma à outra no diâmetro do tubo, - um conjunto de aletas (3) definindo pelo menos duas passagens longitudinais dentro do tubo, as pelo menos duas passagens longitudinais sendo adjacentes em um plano perpendicular ao eixo longitudinal do tubo, e - um revestimento seletivo disposto pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo (2), caracterizado pelo fato de que o tubo tem um diâmetro nominal compreendido entre DN15 e DN80, e as aletas são feitas do primeiro material, liga de alumínio ou liga de cobre e possuem uma espessura compreendida entre 0,5 mm e 4 mm para criar uma ponte térmica contínua no interior do tubo a partir de pelo menos uma porção da superfície interna da primeira parte do tubo para pelo menos uma porção da superfície interna da segunda parte do tubo, a ponte térmica sendo disposta através da área de seção transversal do tubo e termicamente conectada à primeira parte e à segunda parte.

2. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conjunto de aletas (3) define entre 3 a 8 passagens longitudinais no tubo.

3. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o conjunto de aletas (3) tem uma estrutura em forma de estrela.

4. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o conjunto de aletas (3) tem um invólucro externo (6), o dito invólucro externo (6) ficando em contato com uma parte interna do tubo (2) e conectando pelo menos dois pontos (5) da estrutura em forma de estrela, e em que o invólucro é descontínuo, de modo que uma extremidade de pelo menos uma aleta do conjunto de aletas está em contato com o tubo e pelo menos uma passagem longitudinal é delineada pelo tubo.

5. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 4, caracterizado pelo fato de que o conjunto de aletas (3) compreende um elemento obstrutor (7) situado uma interseção dos pontos de aleta da estrutura em forma de estrela e em que o elemento obstrutor (7) representa pelo menos 5% de uma área interna do tubo e não mais do que 20% da área interna.

6. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o conjunto de aletas (3) é preso dentro do tubo (2).

7. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o tubo (2) compreende pelo menos um conjunto adicional de aletas (8), o conjunto de aletas (3) definindo um primeiro grupo de passagens longitudinais (4) no tubo (2) e o conjunto adicional de aletas (8) definindo um segundo grupo de passagens longitudinais (9) no tubo (2), as passagens longitudinais (4) do primeiro grupo sendo deslocadas com relação às passagens longitudinais (9) do segundo grupo no eixo longitudinal do tubo (2), e em que o conjunto de aletas (3) compreende um elemento obstrutor (7) situado uma interseção das aletas (3) e em que o elemento obstrutor (7) representa pelo menos 5% de uma área interna do tubo e não mais do que 20% da área interna.

8. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o tubo (2) é um tubo sem costura, e, com vantagem, um tubo estirado a frio sem costura.

9. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o tubo (2) é feito de aço compreendendo elementos de liga e em que o total de elementos de liga chega até 8% em peso.

10. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o tubo é feito de P195GH, 13CrMo44, 10CrMo9-10.

11. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o revestimento seletivo (11) é formado por um revestimento refletor feito de um espelho de IR a base de platina, uma camada de absorção de radiação solar (13) feita de um cermet de Cr/Cr2Os ou MO/AI2O3 e por uma camada antirrefletora feita de SÍO2.

12. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de compreender uma camada de barreira de difusão (12) em contato direto com a superfície externa do tubo (2), o revestimento seletivo sendo separado do tubo (2) pela camada de barreira de difusão (12), e em que a camada de barreira de difusão (12) compreende pelo menos um material refratário, tal como molibdênio, tungstênio, AI2O3, Cr2O3, uma liga de níquel e cromo, uma liga de cobalto e cromo, WC, ZrB2, ou uma mistura de ZrB2 e SiC..

13. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o tubo (2) compreende pelo menos um conjunto adicional de aletas (3), o conjunto de aletas (3) definindo um primeiro grupo de passagens longitudinais no tubo (2) e o conjunto adicional de aletas definindo um segundo grupo de passagens longitudinais no tubo (2), as passagens longitudinais do primeiro grupo sendo deslocadas com relação às passagens longitudinais do segundo grupo no eixo longitudinal do tubo (2), e em que o conjunto de aletas (3) define um primeiro número de passagens longitudinais e o conjunto adicional de aletas (3) define um segundo número de passagens longitudinais diferente do primeiro número.

14. Corpo absorvedor de radiação solar (1), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a face interna do tubo (2) define um círculo em um plano em seção transversal e em que as aletas (3) se estendem a partir da face interna do tubo (2) até um ponto de conexão e o ponto de conexão é espaçado do centro do círculo.

15. Método de fabricação de um corpo absorvedor de radiação solar (1), como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de: - prover o tubo (2), - inserir o conjunto de aletas (3) no tubo (2), - estirar a frio o tubo (2) e o conjunto de aletas (3) de modo a prender o conjunto de aletas (3) dentro do tubo (2), - formar o revestimento seletivo pelo menos sobre a superfície externa da primeira parte do tubo (2), em que um conjunto de aletas (3) define pelo menos duas passagens longitudinais dentro do tubo, as pelo menos duas passagens longitudinais sendo adjacentes em um plano perpendicular ao eixo longitudinal do tubo, sendo que as aletas são feitas do primeiro material, liga de alumínio ou liga de cobre e possuem uma espessura compreendida entre 0,5 mm e 4 mm, para criar uma ponte térmica contínua no interior do tubo a partir de pelo menos uma porção da superfície interna da primeira parte do tubo até pelo menos uma porção da superfície interna da segunda parte do tubo, a ponte térmica sendo disposta através da área de seção transversal do tubo e termicamente conectada a uma primeira parte projetada para ser exposta à radiação solar, e a uma segunda parte projetada para não ser exposta à radiação solar.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que, antes de inserir o conjunto de aletas (3) dentro do tubo (2), uma operação de pré-tratamento é realizada no conjunto de aletas.