BR112018002383B1

BR112018002383B1 - STORAGE DEVICE, PRODUCTION PLANT AND STORAGE METHOD

Info

Publication number: BR112018002383B1
Application number: BR112018002383-3A
Authority: BR
Inventors: Mario Magaldi; Alberto Carrea; Gennaro SOMMA
Original assignee: Magaldi Power S.P.A
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2023-06-06

Abstract

DISPOSITIVO DE ALTO NÍVEL EFICAZ EM TERMOS DE ENERGIA, USINA E MÉTODO PARA O USO DE ENERGIA TÉRMICA DE ORIGEM SOLAR. Trata-se de um dispositivo (1) para armazenamento e troca de energia térmica de origem solar, tal dispositivo (1) é configurado para receber uma radiação solar concentrada com o uso de um sistema óptico do tipo "beam down" (feixe para baixo), tal dispositivo (1) compreende: um invólucro de contenção (2) que define um compartimento interno (20) e tem uma abertura superior (10) configurada para permitir a entrada da radiação solar concentrada, tal abertura (10) coloca em comunicação direta o compartimento interno (20) com o ambiente externo que não tem meios de tela ou fechamento; um leito (3) de partículas sólidas fluidizáveis, recebidas dentro do compartimento interno (20), tal leito (3) tem uma região operacional irradiada (30) diretamente exposta, em uso, à radiação solar concentrada que entra através da dita abertura (20) e uma região de acúmulo de calor (31) adjacente à dita região operacional (30); elementos de fluidização (4) do leito de partículas (3), configurados para alimentar o ar de fluidização dentro do compartimento (20), tal meio de fluidização (4) é configurado para determinar regimes de dinâmica de fluidos diferentes na região operacional e na região de acúmulo, com base em velocidades de fluidização diferentes, em que, em (...).HIGH LEVEL DEVICE EFFECTIVE IN TERMS OF ENERGY, PLANT AND METHOD FOR USE OF THERMAL ENERGY FROM SOLAR ORIGIN. It is a device (1) for storage and exchange of thermal energy of solar origin, such device (1) is configured to receive concentrated solar radiation with the use of an optical system of the "beam down" type (beam down ), such a device (1) comprises: a containment enclosure (2) that defines an internal compartment (20) and has an upper opening (10) configured to allow the entrance of concentrated solar radiation, such opening (10) puts in communication directs the internal compartment (20) with the external environment that has no means of screen or closure; a bed (3) of fluidizable solid particles, received within the internal compartment (20), said bed (3) has an irradiated operating region (30) directly exposed, in use, to concentrated solar radiation entering through said opening (20) ) and a heat accumulation region (31) adjacent to said operational region (30); fluidization elements (4) of the particle bed (3), configured to feed the fluidization air inside the compartment (20), such fluidization means (4) is configured to determine different fluid dynamics regimes in the operational region and in the accumulation region, based on different fluidization velocities, where, in (...).

Description

DESCRIPTION FIELD OF THE TECHNIQUE OF THE INVENTION

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para armazenamento e troca de energia térmica de origem solar com base em um leito de partículas fluidizáveis. A invenção fornece adicionalmente uma usina de produção de energia que inclui tal dispositivo e um método relacionado.[001] The present invention relates to a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin based on a bed of fluidizable particles. The invention further provides a power plant that includes such a device and a related method.

BACKGROUND

[002] A coleta de energia solar por meio de helióstatos, os quais concentram a radiação em espelhos refletores, é técnica conhecida. Os últimos, por sua vez, transportam a radiação em dispositivos de armazenamento e troca térmica com base em leitos de partícula fluidizados. Um sistema desse tipo é descrito, por exemplo, no documento sob o no WO2013/150347A1 sob o nome do mesmo proprietário.[002] The collection of solar energy by means of heliostats, which concentrate radiation on reflecting mirrors, is a known technique. The latter, in turn, transport radiation in storage and thermal exchange devices based on fluidized particle beds. Such a system is described, for example, in document under WO2013/150347A1 under the same proprietary name.

[003] As usinas para a produção de energia térmica/elétrica podem ter por base tais dispositivos para armazenamento e troca de energia térmica de origem solar, tais usinas irão incluir uma ou mais unidades para armazenamento e/ou troca de acordo com a potência térmica que um indivíduo deseja obter.[003] The plants for the production of thermal/electric energy may be based on such devices for storage and exchange of thermal energy of solar origin, such plants will include one or more units for storage and/or exchange according to the thermal power that an individual wants to obtain.

[004] Os dispositivos de leito fluidizado da técnica conhecida são implantados de acordo com duas estruturas principais.[004] The known art fluidized bed devices are implanted according to two main structures.

[005] Com base em uma primeira estrutura, descrita no documento sob o no WO2013/150347A1, a radiação solar é recebida sobre as paredes de uma cavidade de metal do dispositivo. Tal cavidade define uma porção do invólucro do leito de partículas e a mesma se estende dentro do último. O leito fluidizado de partículas subtrai a energia térmica que deriva da radiação solar concentrada a partir das paredes da cavidade.[005] Based on a first structure, described in the document under WO2013/150347A1, solar radiation is received on the walls of a metal cavity of the device. Such a cavity defines a portion of the shell of the bed of particles and it extends inside the latter. The fluidized bed of particles subtracts the thermal energy that derives from concentrated solar radiation from the cavity walls.

[006] Na presença de altos fluxos irradiantes incidentes, a estrutura já descrita tem a desvantagem de expor a superfície da cavidade a altas temperaturas e gradientes térmicos que poderiam comprometer a resistência termomecânica e durabilidade. A fim de reduzir e controlar os fluxos térmicos ao qual as paredes da cavidade são expostas, o campo de helióstato pode ser organizado em várias subseções dispostas ao redor do dispositivo e configuradas para uniformizar os fluxos térmicos sobre a superfície da cavidade. No entanto, tal configuração do campo de helióstato exige uma ocupação de solo considerável para cada unidade de geração solar.[006] In the presence of high incident radiant fluxes, the structure already described has the disadvantage of exposing the surface of the cavity to high temperatures and thermal gradients that could compromise the thermomechanical resistance and durability. In order to reduce and control the thermal fluxes to which the cavity walls are exposed, the heliostat field can be organized into several subsections arranged around the device and configured to uniform the thermal fluxes over the surface of the cavity. However, such a heliostat field configuration requires considerable land occupation for each solar generating unit.

[007] Adicionalmente, a estrutura descrita coloca limites para a temperatura de operação máxima do dispositivo de armazenamento e troca, à medida que isso depende da resistência térmica do material que constitui as paredes da cavidade. Tal temperatura de operação também é condicionada pelo modo para transferir a energia térmica a partir da cavidade para o leito de partículas e por meio da condutividade do material que constitui a própria cavidade.[007] Additionally, the structure described places limits on the maximum operating temperature of the storage and exchange device, as this depends on the thermal resistance of the material that makes up the cavity walls. Such operating temperature is also conditioned by the way to transfer the thermal energy from the cavity to the bed of particles and by means of the conductivity of the material that constitutes the cavity itself.

[008] Em uma segunda estrutura conhecida, a cavidade mencionada acima não é fornecida e o leito de partículas do dispositivo de armazenamento e troca recebe a radiação solar concentrada através de uma janela de material transparente, tipicamente quartzo, obtida sobre o invólucro do dispositivo.[008] In a second known structure, the cavity mentioned above is not provided and the particle bed of the storage and exchange device receives concentrated solar radiation through a window of transparent material, typically quartz, obtained on the device casing.

[009] No entanto, uma criticidade de tal segunda estrutura consiste no fato de que o contato direto da janela transparente com o sólido fluidizado tem que ser evitado, e isso para limitar o surgimento, a tempo, de fenômenos deslustradores do material transparente que reduzem a eficácia de recepção do mesmo.[009] However, a criticality of such a second structure consists in the fact that the direct contact of the transparent window with the fluidized solid has to be avoided, and this to limit the appearance, in time, of tarnishing phenomena of the transparent material that reduce its reception efficiency.

[010] Uma vantagem adicional relacionada ao uso de meio de recebimento do tipo com janela transparente está relacionada à dificuldade de produzir janelas em quartzo com tamanhos maiores do que aquelas usadas para usinas de laboratório ou do tipo protótipo.[010] An additional advantage related to the use of transparent window type receiving medium is related to the difficulty of producing quartz windows with larger sizes than those used for laboratory or prototype type plants.

[011] Ademais, uma desvantagem adicional associada a ambas as estruturas mencionadas acima - e, em particular, a meios de recebimento relacionados com cavidades ou janelas - consiste nas perdas térmicas devido à reliberação em direção ao ambiente externo de uma porção da energia solar incidente. Tal porção depende das características do material que constitui o meio de recebimento.[011] Furthermore, an additional disadvantage associated with both structures mentioned above - and, in particular, with receiving means related to cavities or windows - consists of thermal losses due to the release towards the external environment of a portion of the incident solar energy . Such portion depends on the characteristics of the material that constitutes the receiving medium.

[012] Como consequência do observado anteriormente, os dispositivos mencionados acima para armazenamento e transferência de energia térmica de origem solar podem ser altos custos para produzir a energia elétrica, no entanto, distantes de uma chamada “rede de paridade”.[012] As a result of what was noted above, the devices mentioned above for storing and transferring thermal energy of solar origin can be expensive to produce electrical energy, however, far from a so-called “parity network”.

SUMMARY OF THE INVENTION

[013] O problema da técnica colocado e solucionado pela presente invenção é, então, para fornecer um dispositivo para armazenar e transferir energia térmica de origem solar que permite evitar as desvantagens mencionadas acima com referência à técnica conhecida.[013] The technical problem posed and solved by the present invention is, then, to provide a device for storing and transferring thermal energy of solar origin that allows to avoid the disadvantages mentioned above with reference to the known technique.

[014] Tal problema é solucionado por um dispositivo conforme definido na reivindicação 1.[014] This problem is solved by a device as defined in claim 1.

[015] A invenção fornece uma usina conforme definido na reivindicação 18 e um método conforme definido na reivindicação 19.[015] The invention provides a plant as defined in claim 18 and a method as defined in claim 19.

[016] Os recursos preferenciais da presente invenção são o assunto das reivindicações dependentes.[016] The preferred features of the present invention are the subject of the dependent claims.

[017] A invenção fornece um dispositivo para receber, armazenar e transferir energia térmica de origem solar com base em um leito fluidizado de partículas. O último é irradiado, isto é, atingido, de maneira direta pela radiação solar concentrada, sem interposição de meios de recebimento, como, por exemplo, cavidades ou janelas transparentes. Em outras palavras, o leito fluidizado está diretamente em comunicação com o ambiente externo por meio de uma abertura de irradiação obtida em um invólucro do dispositivo, de preferência, em uma parede superior do próprio invólucro.[017] The invention provides a device to receive, store and transfer thermal energy of solar origin based on a fluidized bed of particles. The latter is irradiated, that is, reached directly by concentrated solar radiation, without the interposition of receiving means, such as, for example, cavities or transparent windows. In other words, the fluidized bed is directly in communication with the external environment through an irradiation opening obtained in a housing of the device, preferably in an upper wall of the housing itself.

[018] Portanto, o dispositivo da invenção não fornece uma janela transparente, ou outras estruturas, interposta entre o ambiente externo/a radiação solar incidente e o leito de partículas.[018] Therefore, the device of the invention does not provide a transparent window, or other structures, interposed between the external environment / incident solar radiation and the particle bed.

[019] Vantajosamente, o dispositivo está associado a um sistema óptico, o último constituído por helióstatos primários e meios de reflexão secundários, por exemplo, espelhos planos. Tal sistema óptico concentra a radiação solar no dispositivo, em particular, em uma região operacional do leito disposto na abertura de irradiação mencionada acima.[019] Advantageously, the device is associated with an optical system, the latter consisting of primary heliostats and secondary reflection means, for example, plane mirrors. Such an optical system concentrates the solar radiation in the device, in particular, in an operational region of the bed arranged in the irradiation opening mentioned above.

[020] Em uma configuração vantajosa, a irradiação é a partir do topo e obtida por meio de um sistema óptico do chamado tipo “beam down” (feixe para baixo). O último inclui um campo de helióstato, colocado sobre o solo, associado a um ou mais refletores secundários dispostos em uma altura, em particular, acima do dispositivo.[020] In an advantageous configuration, the irradiation is from the top and obtained through an optical system of the so-called “beam down” type. The latter includes a heliostat field, placed on the ground, associated with one or more secondary reflectors arranged at a height, in particular, above the device.

[021] A região operacional mencionada acima do leito de partículas diretamente irradiada pela radiação solar incidente é fluidizada de acordo com um regime de dinâmica de fluido específico, isto é, hidrodinâmico. Portanto, o dispositivo compreende, ou está associado a, um sistema para distribuição e alimentação de um gás de fluidização, de preferência, ar. Tal sistema de distribuição pode ser disposto na base do leito de partículas e é adequado para estabelecer o dito regime de dinâmica de fluidos na região de leito irradiada.[021] The operational region mentioned above of the bed of particles directly irradiated by incident solar radiation is fluidized according to a specific fluid dynamics regime, that is, hydrodynamic. Therefore, the device comprises, or is associated with, a system for distributing and supplying a fluidizing gas, preferably air. Such a distribution system can be arranged at the base of the particle bed and is suitable for establishing said fluid dynamics regime in the irradiated bed region.

[022] O meio mencionado acima para distribuição ou alimentação do ar de fluidização é configurado a fim de produzir uma fluidização diferenciada e, então, um regime de dinâmica de fluidos diferente, na região operacional em relação à porção restante do leito, a última designada como a região de acúmulo. Tal regime de dinâmica de fluidos diferente está associado a uma velocidade de fluidização diferente das duas regiões do leito.[022] The means mentioned above for distributing or feeding the fluidization air is configured in order to produce a differentiated fluidization and, therefore, a different fluid dynamics regime, in the operational region in relation to the remaining portion of the bed, the latter designated as the accumulation region. Such a different fluid dynamics regime is associated with a different fluidization velocity of the two bed regions.

[023] Com base em uma primeira variante de modalidade, tal velocidade de fluidização diferente é controlada a fim de produzir um volume oco dentro da região operacional, em particular, em formato cônico ou substancialmente cônico.[023] Based on a first embodiment variant, such different fluidization speed is controlled in order to produce a hollow volume within the operating region, in particular, in conical or substantially conical shape.

[024] Em uma segunda variante, até dentro da região operacional são fornecidas velocidades de fluidização diferenciadas, a fim de produzir um movimento convectivo circulatório das partículas. As últimas migram com continuidade, isto é, recirculam, entre sub-regiões adjacentes da região operacional.[024] In a second variant, even within the operational region differentiated fluidization velocities are provided in order to produce a convective circulatory movement of the particles. The latter migrate with continuity, that is, they recirculate, between adjacent sub-regions of the operational region.

[025] Com base em uma terceira variante de modalidade, o regime de dinâmica de fluidos mencionado acima é (também) obtido com uma divisão física interposta entre a região irradiada e a região de acúmulo. Até nesse caso, é produzido um movimento convectivo e uma alteração/recirculação de partículas acima e abaixo da divisão entre as duas regiões.[025] Based on a third modality variant, the fluid dynamics regime mentioned above is (also) obtained with a physical division interposed between the irradiated region and the accumulation region. Even in that case, a convective movement and an alteration/recirculation of particles above and below the division between the two regions is produced.

[026] As variantes de modalidade podem fornecer uma seleção, em um mesmo dispositivo, do tipo de regime de dinâmica de fluidos a ser estabelecido nas duas regiões mencionadas acima, e isso por meio de um controle diferenciado das velocidades de fluidização dependendo das necessidades de operação específicas.[026] The modality variants can provide a selection, in the same device, of the type of fluid dynamics regime to be established in the two regions mentioned above, and this through a differentiated control of the fluidization velocities depending on the needs of specific operation.

[027] As condições de fluidização induzidas na região operacional do leito atingida pela radiação solar concentrada são de modo a garantir a alta distribuição da energia térmica de origem solar em todo o volume da própria região. Tal região de leito absorve a energia térmica que deriva da radiação solar concentrada pelo sistema óptico dedicado.[027] The fluidization conditions induced in the operating region of the bed affected by concentrated solar radiation are such as to ensure the high distribution of thermal energy of solar origin throughout the volume of the region itself. Such a bed region absorbs the thermal energy derived from solar radiation concentrated by the dedicated optical system.

[028] Devido à diferenciação do regime de dinâmica de fluidos da região operacional em relação à região de acúmulo, a troca das partículas diretamente expostas à radiação solar e uma transferência e distribuição da energia térmica para a região de acúmulo é permitida.[028] Due to the differentiation of the fluid dynamics regime of the operational region in relation to the accumulation region, the exchange of particles directly exposed to solar radiation and a transfer and distribution of thermal energy to the accumulation region is allowed.

[029] Em uma configuração preferencial, o dispositivo compreende, ou está associado a, meio para extrair o ar de fluidização que surge a partir do topo do leito de partículas, em particular, na região de leito irradiada. Tal meio de extração é tipicamente configurado como meio de sucção.[029] In a preferred configuration, the device comprises, or is associated with, means for extracting the fluidization air that arises from the top of the bed of particles, in particular, in the irradiated bed region. Such an extraction means is typically configured as a suction means.

[030] O meio para extração de ar pode ser configurado para manter o ambiente no interior do dispositivo e acima da borda livre do leito de partículas (isto é, o chamado espaço de “borda livre”) em equilíbrio de pressão com o ambiente externo ou, de preferência, em ligeira depressão em relação ao último. Dessa forma, tal meio evita a saída em direção ao ambiente externo de ar e possível pó do leito de partículas.[030] The means for extracting air can be configured to keep the environment inside the device and above the free edge of the particle bed (i.e., the so-called "free edge" space) in pressure equilibrium with the external environment or, preferably, in slight depression from the latter. In this way, such a medium prevents the exit towards the external environment of air and possible dust from the bed of particles.

[031] Vantajosamente, tal equilíbrio de pressão pode ser assistido por meios de controle, por exemplo, sensores de fluxo, dedicados tanto à linha de ar de fluidização como à linha de extração de ar, de modo que o fluxo de ar extraído a partir do leito seja ligeiramente maior do que (por exemplo, em 10%) a entrada de ar de fluidização no leito de partículas.[031] Advantageously, such pressure balance can be assisted by control means, for example, flow sensors, dedicated to both the fluidizing air line and the air extraction line, so that the flow of air extracted from of the bed is slightly greater than (e.g. by 10%) the fluidizing air input to the particle bed.

[032] O ar que volta do ambiente para o dispositivo através da abertura de entrada da radiação solar concentrada se aquece na passagem através da dita abertura introduzindo um teor térmico no ar extraído do dispositivo.[032] The air returning from the environment to the device through the entrance opening of the concentrated solar radiation heats up when passing through said opening, introducing a thermal content in the air extracted from the device.

[033] Ainda de maneira vantajosa, com base no teor térmico do ar de fluidização que sai do dispositivo, o meio para a distribuição do ar de fluidização que entra e o meio para a extração do ar de fluidização que sai podem ser implantados como sistemas sinérgicos que trocam calor, desse modo, implantando uma fase regenerativa. Em particular, o ar de fluidização extraído, aquecido pela passagem anterior através das partículas do leito, pode ser enviado a um trocador regenerativo que pré-aquece o ar de fluidização, então, enviado ao sistema para distribuição/alimentação de ar dentro do leito de partículas. Em outras palavras, o ar que entra no leito de partículas pré-aquece em detrimento do teor térmico do ar que sai do mesmo.[033] Still advantageously, based on the thermal content of the fluidizing air leaving the device, the means for distributing the incoming fluidizing air and the means for extracting the outgoing fluidizing air can be implemented as systems synergists that exchange heat, thereby implementing a regenerative phase. In particular, the extracted fluidizing air, heated by the previous passage through the bed particles, can be sent to a regenerative exchanger which preheats the fluidizing air, then sent to the system for distributing/supplying air inside the fluidizing bed. particles. In other words, the air entering the bed of particles preheats to the detriment of the thermal content of the air leaving it.

[034] Com base em uma variante de modalidade preferencial, o espaço mencionado acima no interior do invólucro que se eleva além da borda livre do leito granular é configurado para executar a função de câmara de admissão em relação ao movimento das partículas do leito induzidas pela fluidização.[034] Based on a variant of preferred embodiment, the space mentioned above inside the casing that rises beyond the free edge of the granular bed is configured to perform the function of inlet chamber in relation to the movement of bed particles induced by the fluidization.

[035] Adicionalmente ou alternativamente ao sistema de contenção mencionado acima do ambiente dentro do dispositivo em relação ao ambiente externo com base no meio de extração de ar, um sistema de entrada de ar pode ser fornecido na abertura do invólucro. O fluxo de ar que entra é configurado para contrastar, como uma faca de ar, com o que sai em direção à saída do ar de fluidização que sai do leito.[035] In addition or alternatively to the aforementioned containment system of the environment inside the device in relation to the external environment based on the air extraction means, an air intake system can be provided in the opening of the housing. The incoming air flow is configured to contrast, like an air knife, with the outgoing air towards the fluidizing air outlet leaving the bed.

[036] Em uma variante de modalidade - como dispositivo de engano adicional ou alternativo para o controle de perdas do material granular em direção ao ambiente externo - de preferência, uma estrutura de contenção é fornecida, disposta na abertura de irradiação. Tal estrutura de contenção pode ser configurada como um cone divergente e ser integral ao invólucro ou integrada ao mesmo.[036] In a variant embodiment - as an additional or alternative deception device for controlling losses of granular material towards the external environment - preferably, a containment structure is provided, arranged in the irradiation opening. Such a containment structure may be configured as a diverging cone and be either integral to or integrated with the enclosure.

[037] Até a estrutura de contenção preenche a função de câmara de admissão, de porção de uma câmara de admissão ou uma câmara de admissão adicional, para reduzir drasticamente a velocidade de superfície do ar de fluidização e as partículas sólidas ejetadas acima da borda livre do leito.[037] Even the containment structure fulfills the function of an intake chamber, a portion of an intake chamber or an additional intake chamber, to drastically reduce the surface velocity of fluidizing air and solid particles ejected above the freeboard from the bed.

[038] De preferência, no caso de uma estrutura de contenção cônica, o meio de extração mencionado acima compreende uma pluralidade de saídas de sucção que se desenvolvem ortogonalmente em relação ao eixo geométrico de cone. As saídas sugam a suspensão de pós finos e ar e podem transportá-la, por meio de um sistema de sucção dedicado, a um sistema de tratamento relacionado. Tais saídas podem até mesmo estar em comunicação com o ambiente da borda livre e, nesse caso, transportar a suspensão dentro da borda livre, ou melhor na porção da mesma, para fora do departamento interno definido pelo cone. Em qualquer caso, a ação das saídas produz um campo de movimento do ar sugado oposto ao fluxo que ascende da suspensão sólida.[038] Preferably, in the case of a conical containment structure, the extraction means mentioned above comprises a plurality of suction outlets that develop orthogonally with respect to the cone axis. The outlets suck up the fine dust suspension and air and can convey it, via a dedicated suction system, to a related treatment system. Such outputs may even be in communication with the freeboard environment and, in this case, convey the suspension within the freeboard, or rather a portion thereof, outside the inner department defined by the cone. In any case, the action of the outlets produces a field of movement of the sucked air opposite the flow that rises from the solid suspension.

[039] O dispositivo da invenção compreende tipicamente, ou está associado a, elementos de troca de calor imersos no leito granular, em particular, dispostos na região de acúmulo mencionada acima. Tais elementos podem incluir feixes de tubos, de preferência, atravessados por um fluido de operação pelo menos em fases selecionadas da operação de dispositivo.[039] The device of the invention typically comprises, or is associated with, heat exchange elements immersed in the granular bed, in particular arranged in the accumulation region mentioned above. Such elements may include bundles of tubes preferably traversed by an operating fluid at least at selected stages of device operation.

[040] Em relação aos dispositivos de irradiação indireta de técnica conhecida, o dispositivo da invenção permite transferir diretamente a potência radioativa incidente ao sólido fluidizado sem a interposição de paredes ou outras barreiras. Segue-se que a temperatura máxima obtenível é limitada exclusivamente pelas propriedades do sólido fluidizado e, portanto, é intrinsecamente mais elevada do que aquela tolerável nos sistemas conhecidos com irradiação indireta.[040] Regarding indirect irradiation devices of known technique, the device of the invention allows to directly transfer the incident radioactive power to the fluidized solid without the interposition of walls or other barriers. It follows that the maximum obtainable temperature is limited exclusively by the properties of the fluidized solid and is therefore intrinsically higher than that tolerable in known systems with indirect irradiation.

[041] Além disso, a transferência direta da potência radiativa incidente para o sólido fluidizado ocorre sem a interposição de janelas transparentes, as últimas fontes potenciais de sujidade e deposição de pós com deslustragem, aumento de temperatura e estabelecimento de gradientes térmicos. A ausência de janelas contribui para proporcionar ao dispositivo da invenção uma maior resistência e durabilidade.[041] In addition, the direct transfer of the incident radiative power to the fluidized solid occurs without the interposition of transparent windows, the last potential sources of dirt and dust deposition with tarnishing, temperature increase and establishment of thermal gradients. The absence of windows contributes to providing the device of the invention with greater resistance and durability.

[042] Além disso, até mesmo as vantagens do dispositivo da invenção na aplicação de uma usina industrial para a produção, por exemplo, de energia elétrica, são numerosas.[042] Furthermore, even the advantages of the device of the invention in the application of an industrial plant for the production, for example, of electrical energy, are numerous.

[043] Primeiramente, a ausência de meios para receber a radiação solar concentrada permite o aumento da temperatura de trabalho do leito fluidizado. A consequência mais imediata desse evento é um aumento considerável no desempenho térmico do dispositivo.[043] First, the absence of means to receive concentrated solar radiation allows the increase in the working temperature of the fluidized bed. The most immediate consequence of this event is a considerable increase in the thermal performance of the device.

[044] Uma vez que se tenha fixado a quantidade de calor que se quer acumular, ou seja, que se tenha fixado o múltiplo solar (razão entre a potência transferida e a potência acumulada), a possibilidade de aumentar a temperatura de operação do leito de partículas envolve até mesmo a diminuição na carga de partícula. Mais detalhadamente, uma vez que se tenha fixado a quantidade de energia térmica “Q” que se deseja acumular, isso é proporcional à massa do sólido “m” e à variação de temperatura “ΔT” do mesmo (Q ͌ mΔT). Em relação a uma usina de técnica conhecida, então, visto que o leito de partículas pode atingir temperaturas mais elevadas, a temperatura delta (ΔT) pode aumentar e a massa de sólido pode diminuir.[044] Once the amount of heat to be accumulated has been set, that is, the solar multiple has been set (ratio between the transferred power and the accumulated power), the possibility of increasing the operating temperature of the bed of particles involves even the decrease in particle charge. In more detail, once you have fixed the amount of thermal energy “Q” that you want to accumulate, this is proportional to the mass of the solid “m” and its temperature variation “ΔT” (Q ͌ mΔT). In relation to a known technique plant, then, since the particle bed can reach higher temperatures, the delta temperature (ΔT) can increase and the solid mass can decrease.

[045] Além disso, visto que não há resistência física associada ao meio de recebimento, é possível ter uma configuração do feixe radioativo concentrado não necessariamente distribuído de maneira uniforme em um anel circular.[045] In addition, since there is no physical resistance associated with the receiving medium, it is possible to have a configuration of the concentrated radioactive beam not necessarily uniformly distributed in a circular ring.

[046] Dependendo do que acabou de ser ilustrado, mesmo no caso do sistema óptico do tipo “beam down”, o principal campo de helióstato e o(s) refletor(es) secundário(s) pode ser reposicionado de modo a obter uma maior eficácia na ocupação do solo.[046] Depending on what has just been illustrated, even in the case of the optical system of the “beam down” type, the main heliostat field and the secondary reflector(s) can be repositioned in order to obtain a greater efficiency in land occupation.

[047] Vantagens, recursos e modos de uso adicionais da presente invenção serão mais evidentes a partir da seguinte descrição detalhada de algumas modalidades, mostradas a título de exemplo e não para fins de limitação.[047] Additional advantages, features and modes of use of the present invention will be more evident from the following detailed description of some embodiments, shown by way of example and not for the purpose of limitation.

BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

[048] As Figuras dos desenhos anexados serão referidas, em que: A Figura 1 mostra uma vista esquemática em corte longitudinal de um dispositivo para armazenar e trocar energia térmica de origem solar de acordo com uma primeira modalidade preferencial da invenção; A Figura 1bis mostra uma representação esquemática do dispositivo da Figura 1 inserido em uma usina de produção de energia completa com sistema óptico; A Figura 1ter mostra uma vista ampliada de alguns componentes da Figura 1bis, referindo-se em particular ao dispositivo da Figura 1 e a alguns componentes de usina; A Figura 2 mostra uma vista esquemática em corte longitudinal de um dispositivo para armazenar e trocar energia térmica de origem solar com base em uma segunda modalidade preferencial da invenção; A Figura 2bis mostra uma vista de topo esquemática do dispositivo da Figura 2; A Figura 3 mostra uma vista esquemática em corte longitudinal de um dispositivo para armazenar e trocar energia térmica de origem solar com base em uma terceira modalidade preferencial da invenção; A Figura 4 mostra uma vista esquemática em corte longitudinal de um dispositivo para armazenar e trocar energia térmica de origem solar com base em uma variante da configuração da Figura 1.[048] The Figures of the attached drawings will be referred to, in which: Figure 1 shows a schematic view in longitudinal section of a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin according to a first preferred embodiment of the invention; Figure 1bis shows a schematic representation of the device of Figure 1 inserted in a power plant complete with optical system; Figure 1ter shows an enlarged view of some components of Figure 1bis, referring in particular to the device of Figure 1 and some components of the plant; Figure 2 shows a schematic view in longitudinal section of a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin based on a second preferred embodiment of the invention; Figure 2bis shows a schematic top view of the device of Figure 2; Figure 3 shows a schematic view in longitudinal section of a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin based on a third preferred embodiment of the invention; Figure 4 shows a schematic view in longitudinal section of a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin based on a variant of the configuration of Figure 1.

[049] As dimensões e inclinações mostradas nas figuras mencionadas acima devem ser entendidas como um modo de exemplo puro e não estão necessariamente representadas em proporção.[049] The dimensions and inclinations shown in the figures mentioned above are to be understood as a pure example mode and are not necessarily represented in proportion.

DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED MODALITIES

[050] Várias modalidades e variantes da invenção serão descritas doravante no presente documento, e isso, referindo-se às figuras mencionadas acima.[050] Various embodiments and variants of the invention will be described hereinafter in this document, and that, referring to the figures mentioned above.

[051] Componentes análogos são designados nas figuras diferentes com o mesmo número de referência.[051] Analogous components are designated in different figures with the same reference number.

[052] Na descrição detalhada a seguir, as variantes e modalidades adicionais em relação às modalidades e variantes já tratadas na mesma descrição serão ilustradas de modo limitado às diferenças em relação ao que já foi ilustrado.[052] In the detailed description below, additional variants and embodiments in relation to the embodiments and variants already dealt with in the same description will be illustrated in a limited way to the differences in relation to what has already been illustrated.

[053] Além disso, as variantes e modalidades diferentes descritas doravante no presente documento estão sujeitas a serem usadas em combinação, quando compatíveis.[053] In addition, the variants and different embodiments described hereinafter are subject to being used in combination, when compatible.

[054] Referindo-se à Figura 1, um dispositivo para armazenar e trocar energia térmica de origem solar de acordo com uma primeira modalidade preferencial da invenção é designado como um todo com 1.[054] Referring to Figure 1, a device for storing and exchanging thermal energy of solar origin according to a first preferred embodiment of the invention is designated as a whole with 1.

[055] Conforme mostrado nas Figuras 1bis e 1ter, o dispositivo 1 da presente modalidade é entendido como estando inserido em uma usina de produção de energia 500, no caso incluindo uma pluralidade de dispositivos como aqueles aqui considerados.[055] As shown in Figures 1bis and 1ter, the device 1 of the present embodiment is understood to be inserted in an energy production plant 500, in this case including a plurality of devices such as those considered herein.

[056] A usina 500 compreende um sistema óptico configurado para focalizar uma radiação solar incidente no(s) dispositivo(s) 1. Cada dispositivo pode ser associado ao seu próprio sistema óptico. De maneira vantajosa, tal sistema óptico tem uma configuração de “feixe para baixo”. Em particular, o sistema óptico pode compreender uma pluralidade de helióstatos primários 501 ou elementos ópticos primários equivalentes dispostos no solo e adequados para captar a radiação solar para desviá-la/concentrá-la em espelhos de reflexão secundários 502 ou elementos ópticos secundários equivalentes. Os últimos são dispostos a uma altura acima do dispositivo ou dispositivos 1 dispostos no solo, e realmente transportam a radiação solar para o(s) próprio(s) dispositivo(s).[056] The plant 500 comprises an optical system configured to focus an incident solar radiation on the device(s) 1. Each device can be associated with its own optical system. Advantageously, such an optical system has a "beam down" configuration. In particular, the optical system may comprise a plurality of primary heliostats 501 or equivalent primary optical elements arranged on the ground and suitable for capturing solar radiation to deflect/concentrate it onto secondary reflection mirrors 502 or equivalent secondary optical elements. The latter are arranged at a height above the device or devices 1 arranged on the ground, and actually transport solar radiation to the device(s) itself.

[057] A usina 500 pode, então, incluir conforme mostrado esquematicamente na Figura 1ter, componentes para a troca de calor ou transformação de energia e elementos de circuito, por exemplo, uma ou mais bombas, turbinas, capacitores e por aí em diante.[057] The plant 500 may then include, as shown schematically in Figure 1ter, components for heat exchange or energy transformation and circuit elements, for example, one or more pumps, turbines, capacitors and so on.

[058] Referindo-se novamente à Figura 1, o dispositivo 1 primeiramente compreende um invólucro de contenção 2, que define um compartimento interno 20, o último adequado para armazenar um leito de partículas fluidizáveis 3 sobre o qual se falará em breve. O invólucro 2 pode ter geometria poligonal, por exemplo, cúbica ou paralelepídica ou cilíndrica.[058] Referring again to Figure 1, the device 1 primarily comprises a containment enclosure 2, which defines an internal compartment 20, the latter suitable for storing a bed of fluidizable particles 3 about which will be discussed shortly. The enclosure 2 can have polygonal geometry, for example, cubic or parallelepiped or cylindrical.

[059] Com relação à geometria do dispositivo 1, pode-se definir uma direção longitudinal L, no presente exemplo vertical, e uma direção transversal T, ortogonal à direção longitudinal L e, nesse exemplo, então, horizontal.[059] Regarding the geometry of device 1, you can define a longitudinal direction L, in this example vertical, and a transverse direction T, orthogonal to the longitudinal direction L and, in this example, then horizontal.

[060] O invólucro 2 tem uma abertura de irradiação 10, de preferência, disposta em sua própria parede superior 21. Os refletores secundários mencionados acima 502 concentram a radiação solar incidente que de fato entra em tal abertura 10 e no interior do compartimento 20.[060] The enclosure 2 has an irradiation opening 10, preferably arranged in its own upper wall 21. The secondary reflectors mentioned above 502 concentrate the incident solar radiation that actually enters such opening 10 and inside the compartment 20.

[061] A abertura 10 coloca em comunicação direta o compartimento interno 20 e, então, o leito de partículas 3 alojado no mesmo, com o ambiente externo. Em particular, a abertura 10, em uso, é desprovida de meios de tela ou fechamento, como, por exemplo, janelas transparentes ou outros. Em outras palavras, o dispositivo 1 é configurado para funcionar sem meios de tela ou fechamento. Durante períodos sem operação, a abertura pode ser blindada para proteger o sistema e o ambiente externo.[061] The opening 10 puts the internal compartment 20 in direct communication, and then the particle bed 3 housed therein, with the external environment. In particular, the opening 10, in use, is devoid of screen or closing means, such as, for example, transparent windows or the like. In other words, device 1 is configured to work without means of screen or closure. During periods of non-operation, the opening can be shielded to protect the system and the external environment.

[062] O leito de partículas fluidizáveis 3 é do tipo granular, ou seja, formado por partículas sólidas.[062] The bed of fluidizable particles 3 is of the granular type, that is, formed by solid particles.

[063] O tipo de material granular preferencial para o leito de partículas do dispositivo 1 é do tipo com recursos térmicos de alta condutividade e difusidade térmica e, em particular com fraca abrasividade, a fim de minimizar a produção de material fino. Um exemplo de material granular preferencial é a areia do rio, que, além de ter recursos térmicos adequados, tem um formato arredondado natural das partículas que minimiza o fenômeno da abrasão mútua entre elas.[063] The preferred type of granular material for the particle bed of the device 1 is the type with thermal resources of high conductivity and thermal diffusion, and in particular with low abrasiveness, in order to minimize the production of fine material. An example of a preferred granular material is river sand, which, in addition to having adequate thermal resources, has a natural rounded particle shape that minimizes the phenomenon of mutual abrasion between them.

[064] O leito 3 ocupa o compartimento interno 20 de modo a deixar, mesmo em uso, um espaço livre 22, ou borda livre, acima de sua própria borda livre 35. Em particular, o espaço 22 é delimitado no lado inferior pela borda livre 35 e no lado superior pela parede 21 do invólucro 2.[064] The bed 3 occupies the internal compartment 20 so as to leave, even in use, a free space 22, or free edge, above its own free edge 35. In particular, the space 22 is delimited on the lower side by the edge free 35 and on the upper side by the wall 21 of the enclosure 2.

[065] O leito 3 define uma primeira região de leito 30 que está apta para ser diretamente irradiada, ou seja, atingida pela radiação solar que entra através da abertura de irradiação 10. Tal primeira região 30 será chamada região operacional ou irradiada. A porção restante do leito, que circunda e é adjacente à região operacional 30 define uma região de acúmulo de calor 31.[065] The bed 3 defines a first bed region 30 that is able to be directly irradiated, that is, reached by solar radiation that enters through the irradiation opening 10. This first region 30 will be called operational or irradiated region. The remaining portion of the bed surrounding and adjacent to the operating region 30 defines a heat accumulation region 31.

[066] Em termos gerais, a região operacional 30 é disposta centralmente do leito 3 e a região de acúmulo 31 a circunda e está longitudinalmente adjacente à mesma.[066] In general terms, the operating region 30 is arranged centrally from the bed 3 and the accumulation region 31 surrounds it and is longitudinally adjacent to it.

[067] O leito de partículas 3 é colocado em movimento por meio de meio de fluidização 4 configurado para alimentar com um gás de fluidização, em particular ar, o interior do compartimento 20. Na presente modalidade, o meio 4 compreende uma pluralidade de elementos para alimentar ou inserir ar de fluidização, disposto em uma base inferior 24 do invólucro 2, ou seja, do leito de partículas 3. A rota do ar de fluidização dentro do leito de partículas 3 é, então, do fundo ao topo, em particular, vertical ou substancialmente vertical.[067] The bed of particles 3 is set in motion by means of fluidizing means 4 configured to feed a fluidizing gas, in particular air, into the compartment 20. In the present embodiment, the means 4 comprises a plurality of elements for feeding or inserting fluidizing air, arranged in a lower base 24 of the housing 2, i.e. the bed of particles 3. The route of the fluidizing air inside the bed of particles 3 is then from the bottom to the top, in particular , vertical or substantially vertical.

[068] No presente exemplo, tais elementos de alimentação são dispostos - e, então, alimentam com ar - tanto uma base da região de acúmulo 31 quanto uma base da região operacional 30. Na Figura 1, um elemento de alimentação de um primeiro tipo, disposto na região operacional 30, é designado com 40, enquanto um elemento de alimentação de um segundo tipo, associado à região de acúmulo 31, é designado com 41.[068] In the present example, such feeding elements are arranged - and then feed air - both a base of the accumulation region 31 and a base of the operating region 30. In Figure 1, a supply element of a first type , arranged in operating region 30, is designated 40, while a feed element of a second type, associated with accumulation region 31, is designated 41.

[069] Os dois tipos de elementos de alimentação podem diferir em velocidade e, no caso de taxa, do fluxo de ar de fluidização que entra no leito de partículas 3. Tais elementos 40 e 41 podem até mesmo resultar como sendo estruturalmente análogos entre os mesmos e controlados diferentemente em termos de velocidade e/ou taxa.[069] The two types of feed elements may differ in speed and, in the case of rate, fluidization air flow entering the particle bed 3. Such elements 40 and 41 may even result as being structurally analogous between the same and controlled differently in terms of speed and/or rate.

[070] O meio 4 é configurado para determinar um primeiro regime de fluidização de dinâmica de fluidos da região operacional 30 diferente de um segundo regime de fluidização de dinâmica de fluidos da região de acúmulo 31. Em particular, tal primeiro e segundo regimes de dinâmica de fluidos são baseados em velocidades de fluidização diferentes.[070] The means 4 is configured to determine a first fluid dynamics fluidization regime of the operating region 30 different from a second fluid dynamics fluidization regime of the accumulation region 31. In particular, such first and second dynamic regimes of fluids are based on different fluidization speeds.

[071] Na presente modalidade, em uso, tanto o primeiro quanto o segundo regime de dinâmica de fluidos fornecem um movimento das partículas e, então, uma fluidização dos mesmos. Em particular, no presente exemplo, o regime de fluidização é do tipo com jorro, por exemplo, com jato, fonte ou pulso, para a região operacional 30 e do tipo de ebulição para a região 31, conforme representado esquematicamente por meio de bolhas de ar A na Figura 1.[071] In the present embodiment, in use, both the first and the second regime of fluid dynamics provide a movement of the particles and, then, a fluidization of the same. In particular, in the present example, the fluidization regime is of the spouted type, for example, with a jet, fountain or pulse, for the operational region 30 and of the boiling type for the region 31, as represented schematically by means of bubbles of ar A in Figure 1.

[072] O leito fluidizado do tipo com jorro é geralmente um leito fluidizado em que o regime hidrodinâmico é caracterizado por um jato central de gás de fluidização na base do mesmo leito que, devido a uma grande diferença na velocidade de superfície entre a fluidização mínima e a de operação, estabelece um movimento arrastado pela coluna do leito que insiste no próprio jato e nas áreas de vista (cilíndricas) criando, de fato, um efeito semelhante a uma fonte na porção central alimentada pelo sólido arrastado nas porções laterais do jato.[072] The spouted-type fluidized bed is generally a fluidized bed in which the hydrodynamic regime is characterized by a central jet of fluidizing gas at the base of the same bed which, due to a large difference in surface velocity between the minimum fluidization and the operating one, establishes a movement dragged by the column of the bed that insists on the jet itself and on the areas of view (cylindrical) creating, in fact, an effect similar to a source in the central portion fed by the solid dragged in the lateral portions of the jet.

[073] As variantes das modalidades podem proporcionar que as partículas da região de acúmulo 31 permaneçam, pelo menos parcialmente, estacionárias.[073] The variants of the modalities can provide that the particles of the accumulation region 31 remain, at least partially, stationary.

[074] Os regimes de dinâmica de fluidos diferentes permitem uma troca de calor eficaz das partículas da região operacional 30 com aquelas da região de acúmulo 31. Além disso, as partículas pertencentes às duas regiões são submetidas a uma troca contínua e recirculação. Em particular, em uso, as partículas da região operacional 30 absorvem energia térmica da radiação solar e as fornecem para as partículas da região de acúmulo 31.[074] The different fluid dynamics regimes allow an effective heat exchange of the particles of the operational region 30 with those of the accumulation region 31. In addition, the particles belonging to the two regions are subjected to a continuous exchange and recirculation. In particular, in use, the particles in the operating region 30 absorb thermal energy from solar radiation and provide it to the particles in the accumulation region 31.

[075] Na modalidade específica considerada no presente documento, o meio de fluidização 4 é configurado para determinar, em uso, um regime de dinâmica de fluidos da região operacional 30, de modo a obter na dita região um volume oco 36. A última tem tipicamente formato cônico, com uma seção maior na borda livre 35 e eixo geométrico de acordo com a direção longitudinal L.[075] In the specific embodiment considered in this document, the fluidization means 4 is configured to determine, in use, a fluid dynamics regime of the operating region 30, in order to obtain a hollow volume 36 in said region. typically conical shape, with a larger section on the free edge 35 and geometric axis according to the longitudinal direction L.

[076] No presente exemplo, o elemento de alimentação 40 - disposto centralmente da região operacional 30 - introduz ar de fluidização a uma velocidade de modo a produzir o dito volume oco 36 que recebe o fluxo solar. A troca de partículas da região operacional 30 para a de acúmulo 31 - que permite maximizar a superfície de partículas expostas à radiação solar concentrada - é determinada pela velocidade inferior do ar de fluidização, ou seja, densidade diferente, da região de acúmulo 31 adjacente ao volume oco 36.[076] In the present example, the supply element 40 - arranged centrally of the operating region 30 - introduces fluidizing air at a velocity so as to produce said hollow volume 36 that receives the solar flow. The exchange of particles from the operational region 30 to the accumulation region 31 - which allows maximizing the surface of particles exposed to concentrated solar radiation - is determined by the lower fluidization air velocity, that is, different density, of the accumulation region 31 adjacent to the hollow volume 36.

[077] Os elementos de troca de calor 5 são alojados no interior da região de acúmulo 31, em particular, em feixes de tubos. Através de tais feixes de tubos, mediante condições de operação selecionadas, ou seja, mediante algumas condições de uso, um fluido operação pode passar, por exemplo, água no estado líquido e/ou de vapor.[077] The heat exchange elements 5 are housed inside the accumulation region 31, in particular, in bundles of tubes. Through such tube bundles, under selected operating conditions, i.e. under certain conditions of use, an operating fluid can pass, for example, water in liquid and/or vapor state.

[078] Em particular, em uma fase de troca térmica, ou seja, uma fase de uso da energia térmica retida, o fluido de operação pode ser levado a fluir nos feixes de tubos 5 e para receber calor das partículas da região de acúmulo 31. Ao contrário, durante uma fase de acúmulo apenas, os feixes de tubos 5 podem funcionar secos, ou seja, sem fluido de operação.[078] In particular, in a thermal exchange phase, that is, a phase of using the retained thermal energy, the operating fluid can be caused to flow in the tube bundles 5 and to receive heat from the particles of the accumulation region 31 On the contrary, during an accumulation phase only, the tube bundles 5 can run dry, that is, without operating fluid.

[079] A fase de acúmulo pode ser ativada na presença do sol. A fase de troca térmica, ou seja, de transferência da energia térmica ao fluido de operação, pode ser ativada mesmo na ausência do sol.[079] The accumulation phase can be activated in the presence of the sun. The thermal exchange phase, that is, the transfer of thermal energy to the operating fluid, can be activated even in the absence of sunlight.

[080] A fluidização do leito de partículas 3 ou de uma região do mesmo 30 ou 31 pode ocorrer mesmo durante a fase de acúmulo apenas.[080] The fluidization of the bed of particles 3 or a region thereof 30 or 31 can occur even during the accumulation phase only.

[081] O fluido de operação que sai do dispositivo 1 sob condições de temperatura e pressão projetadas pode ser levado a expandir em uma turbina acoplada a um gerador para a produção de energia elétrica ou pode ser usado para outros fins industriais. Em outras palavras - e conforme já destacado acima - os feixes de tubos 5 são conectados a componentes adicionais da usina 500, por exemplo, uma ou mais turbinas, capacitores, trocadores de calor, e por aí em diante, cada um propriamente conhecido.[081] The operating fluid that comes out of the device 1 under projected temperature and pressure conditions can be expanded in a turbine coupled to a generator for the production of electricity or can be used for other industrial purposes. In other words - and as already noted above - the tube bundles 5 are connected to further plant components 500, for example one or more turbines, capacitors, heat exchangers, and so on, each one properly known.

[082] O dispositivo 1 compreende adicionalmente um meio de sucção 6 para sugar o ar de fluidização que finalizou sua própria rota no interior do leito de partículas 3. Tal meio de sucção 6 é disposto no interior do invólucro 2 acima da borda livre 35 do leito de partículas 3. O meio de sucção 6 é configurado para evitar a entrada, ou uma entrada massiva, do ar de fluidização e/ou das partículas assim arrastadas no ambiente externo através da abertura 10.[082] The device 1 additionally comprises suction means 6 for sucking the fluidizing air that has completed its own route inside the particle bed 3. Such suction means 6 is disposed inside the enclosure 2 above the free edge 35 of the particle bed 3. The suction means 6 is configured to prevent the entry, or a massive entry, of the fluidizing air and/or the particles thus entrained in the external environment through the opening 10.

[083] No presente exemplo, o meio de sucção 6 é configurado para subtrair ar do espaço livre 22 em uma porção superior de uma saia lateral ou de paredes laterais 23 do invólucro 2.[083] In the present example, the suction means 6 is configured to draw air from the free space 22 in an upper portion of a side skirt or side walls 23 of the enclosure 2.

[084] Vantajosamente, o meio de sucção 6 fornece um meio de controle (não ilustrado), de preferência, sensores de fluxo que, em sinergia com um meio de controle adicional (não ilustrado) associado ao meio de fluidização 4, determina um fluxo de ar extraído pelo dispositivo 1 igual ou maior que o fluxo de entrada de ar de fluidização para o leito de partículas.[084] Advantageously, the suction means 6 provides a control means (not illustrated), preferably flow sensors which, in synergy with an additional control means (not illustrated) associated with the fluidization means 4, determines a flow of air extracted by device 1 equal to or greater than the fluidizing air inlet flow to the particle bed.

[085] No segundo caso, o meio de sucção causa um retorno de ar do ambiente para o dispositivo através da abertura de entrada 10 da radiação solar concentrada. Tal ar se aquece na passagem através da abertura de entrada 10, enriquecendo-se com um teor térmico que é levado para o ar extraído pelo dispositivo 1.[085] In the second case, the suction medium causes a return of air from the environment to the device through the entrance opening 10 of the concentrated solar radiation. Such air heats up as it passes through the inlet opening 10, enriching itself with a thermal content that is taken into the air extracted by the device 1.

[086] Vantajosamente, o dispositivo 1 fornece uma troca de calor entre o ar de fluidização (aquecido) que sai do leito de partículas 3 na borda livre 35 do último e sugado pelo meio 6 e o ar de fluidização que entra no leito de partículas 3 por meio do meio de fluidização 4. E outras palavras, uma regeneração de calor é fornecida, obtida por meio de meio de troca térmica.[086] Advantageously, the device 1 provides a heat exchange between the fluidization air (heated) that leaves the bed of particles 3 at the free edge 35 of the latter and sucked by the medium 6 and the fluidization air that enters the bed of particles 3 by means of fluidization medium 4. In other words, a heat regeneration is provided, obtained by means of thermal exchange medium.

[087] Na presente modalidade, o dispositivo 1 tem uma câmara de admissão na borda livre 35 do leito de partículas 3. Tal câmara de admissão é entendida como área de velocidade baixa ou nula para as partículas do leito e é definida, no presente exemplo, pelo espaço livre 22.[087] In the present embodiment, the device 1 has an intake chamber at the free edge 35 of the particle bed 3. Such an intake chamber is understood as an area of low or zero velocity for the bed particles and is defined, in the present example , by free space 22.

[088] Mesmo a câmara de admissão 22 contribui para evitar uma saída ou saída massiva de ar e/ou de partículas através da abertura 10.[088] Even the intake chamber 22 helps to prevent a massive exit or exit of air and/or particles through the opening 10.

[089] Na presente modalidade, o dispositivo 1 compreende adicionalmente meio de entrada 7 para a entrada de um gás de contenção, em particular ar, na forma de um fluxo laminar. O último é adequado para produzir uma barreira (adicional) para a saída de partículas em direção à saída.[089] In the present embodiment, the device 1 additionally comprises inlet means 7 for the inlet of a containment gas, in particular air, in the form of a laminar flow. The latter is suitable for producing an (additional) barrier to the egress of particles towards the outlet.

[090] O meio 7 é disposto acima da borda livre 35 do leito de partículas 3, em particular, na abertura de irradiação 10. De preferência, a disposição é tal que o fluxo laminar seja emitido exatamente na abertura 10, paralelamente à direção transversal de desenvolvimento T da última, para formar um tipo de janela gasosa de fechamento da última.[090] The medium 7 is arranged above the free edge 35 of the bed of particles 3, in particular, in the irradiation opening 10. Preferably, the arrangement is such that the laminar flow is emitted exactly in the opening 10, parallel to the transverse direction development T of the latter, to form a type of gaseous window closing the latter.

[091] As variantes de modalidades podem fornecer uma pluralidade de aberturas de irradiação. No caso de múltiplas aberturas, cada uma seguirá a atitude válida de abertura única conforme descrito no presente documento. As aberturas diferentes podem ser associadas a uma região operacional comum ou a regiões operacionais diferentes.[091] Embodiment variants may provide a plurality of radiating openings. In the case of multiple openings, each one will follow the valid single opening attitude as described in this document. Different openings can be associated with a common operating region or different operating regions.

[092] Referindo-se agora às Figuras 2 e 2bis, um dispositivo baseado em uma segunda modalidade da invenção é designada como um todo com 100. O dispositivo 100 difere do dispositivo previamente descrito 1 em dois aspectos principais.[092] Referring now to Figures 2 and 2bis, a device based on a second embodiment of the invention is designated as a whole with 100. The device 100 differs from the previously described device 1 in two main aspects.

[093] Uma primeira diferença se situa no regime de dinâmica de fluidos da região de operação ou região irradiada, aqui designada com 130. Nesse caso, o meio de fluidização, designado com 104, é configurado para determinar, em uso, duas velocidades de fluidização diferentes dentro da região operacional 130. Nesse modo, na última, é determinado um movimento convectivo circulatório de partículas sólidas. Em particular, em uma sub-região longitudinal central da região operacional 130, a velocidade das partículas é maior que aquela das sub-regiões longitudinais laterais. Um regime de dinâmica de fluidos com leitos coaxiais com circulação interna é, então, estabelecido, ou melhor, sub-regiões coaxiais de circulação do leito, em que as sub-regiões são adjacentes de acordo com a direção longitudinal L. O movimento convectivo mencionado acima, na porção de topo das sub-regiões adjacentes do leito, verte as partículas da sub-região com maior velocidade de fluidização na sub-região adjacente com menor velocidade de fluidização e atrai as partículas da última dentro da sub-região com maior velocidade na porção inferior das sub-regiões adjacentes.[093] A first difference lies in the fluid dynamics regime of the operating region or irradiated region, designated here with 130. In this case, the fluidization medium, designated with 104, is configured to determine, in use, two speeds of different fluidization within the operating region 130. In this mode, in the latter, a circulatory convective movement of solid particles is determined. In particular, in a central longitudinal sub-region of operating region 130, the particle velocity is greater than that of the lateral longitudinal sub-regions. A fluid dynamics regime with coaxial beds with internal circulation is then established, or rather coaxial sub-regions of bed circulation, where the sub-regions are adjacent according to the longitudinal direction L. The mentioned convective motion above, in the top portion of adjacent subregions of the bed, sheds particles from the subregion with higher fluidization velocity into the adjacent subregion with lower fluidization velocity and attracts particles from the latter within the subregion with higher velocity in the lower portion of adjacent subregions.

[094] Tal remistura das partículas de sub-regiões permite que uma massa e energia térmica sejam transferidas no volume total da região operacional do leito envolvido pelo ponto solar e isso maximiza a superfície de partículas expostas à radiação solar concentrada.[094] Such remixing of particles from subregions allows mass and thermal energy to be transferred in the total volume of the operational region of the bed surrounded by the solar spot and this maximizes the surface area of particles exposed to concentrated solar radiation.

[095] Mesmo nesse caso, elementos de alimentação, respectivamente 140 e 141, são fornecidos, dispostos na região operacional 130 e na região de acúmulo 131. Mesmo nesse caso, os elementos de alimentação 140 e 141 podem ser diferentes em número e/ou estrutura, ou ter estrutura análoga, mas controle diferente, ou seja, parâmetros de fluidização diferentes em termos de velocidade e/ou fluxo.[095] Even in this case, power elements, respectively 140 and 141, are provided, arranged in the operating region 130 and in the accumulation region 131. Even in this case, the power elements 140 and 141 may be different in number and/or structure, or have similar structure but different control, i.e. different fluidization parameters in terms of velocity and/or flow.

[096] Uma segunda diferença do dispositivo 100 em relação ao dispositivo 1 da primeira modalidade, consiste na presença de uma estrutura de contenção conformada 8, disposta na boca da abertura de irradiação 10 e, em particular parcialmente dentro do espaço livre 22 do compartimento 20 e parcialmente se projetando na direção para fora. A estrutura de contenção 8 tem uma abertura atravessante, ou seja, que tem estrutura tubular, de modo a permitir a comunicação direta entre aparte interna e a parte externa do invólucro por meio de abertura de irradiação 10.[096] A second difference of the device 100 in relation to the device 1 of the first embodiment, consists in the presence of a shaped containment structure 8, arranged at the mouth of the irradiation opening 10 and, in particular partially within the free space 22 of the compartment 20 and partially projecting outwards. The containment structure 8 has a traversing opening, that is, it has a tubular structure, in order to allow direct communication between the internal part and the external part of the enclosure through the irradiation opening 10.

[097] A estrutura de contenção 8 define uma câmara de admissão e, então, contribui para evitar ou reduzir a saída de ar e/ou de partículas na direção para fora.[097] The containment structure 8 defines an intake chamber and then helps to prevent or reduce the output of air and/or particles in the outward direction.

[098] Na presente modalidade, a estrutura de contenção 8 tem um formato afunilado, em particular cônico, com uma seção que diminui em direção à parte interna do invólucro 2. Tal seção da estrutura de contenção permite não interferir na direção da radiação solar concentrada pelo sistema óptico dedicado que, no presente exemplo, é um sistema óptico de feixe para baixo com disposição do campo de helióstato no solo, de preferência, organizado em subcampos de acordo com as direções cardinais.[098] In the present embodiment, the containment structure 8 has a tapered shape, in particular conical, with a section that decreases towards the inner part of the enclosure 2. Such a section of the containment structure allows not to interfere with the direction of concentrated solar radiation by the dedicated optical system which, in the present example, is a downward beam optical system with heliostat field arrangement on the ground, preferably organized into subfields according to cardinal directions.

[099] Além disso, nas paredes da estrutura 8, saídas de sucção de ar 60 são obtidas ou elementos de sucção equivalentes, que podem estar em comunicação com o ambiente da borda livre, ou seja, podem estar associados a um sistema de sucção dedicado. Quando em comunicação com a borda livre, tais saídas 60 vertem o ar sugado para o espaço contido no interior da borda livre 35 e da parede superior 21 do invólucro 2. A partir desse ponto, mesmo esse fluxo de ar é sugado pelo meio de sucção já ilustrado 6.[099] In addition, on the walls of the structure 8, air suction outlets 60 are obtained or equivalent suction elements, which can be in communication with the freeboard environment, that is, they can be associated with a dedicated suction system . When in communication with the free edge, such outlets 60 pour the sucked air into the space contained inside the free edge 35 and the upper wall 21 of the casing 2. From that point on, even this air flow is sucked in by the suction means already illustrated 6.

[0100] Referindo-se à Figura 3, um dispositivo baseado em uma terceira modalidade da invenção é designado como um todo com 200. O dispositivo 200 se difere do dispositivo anteriormente descrito 1, devido à presença de uma ou mais partições 9 dispostas para separar a região operacional, aqui designada com 230, da região de acúmulo, aqui designada com 231.[0100] Referring to Figure 3, a device based on a third embodiment of the invention is designated as a whole with 200. The device 200 differs from the previously described device 1 due to the presence of one or more partitions 9 arranged to separate the operational region, here designated 230, from the accumulation region, here designated 231.

[0101] No caso de geometria cilíndrica do compartimento 20, uma única partição 9, com geometria cilíndrica também, pode ser fornecida. No caso de geometria poliedral do compartimento 22, inúmeras partições com geometria plana podem ser fornecidas.[0101] In the case of cylindrical geometry of compartment 20, a single partition 9, with cylindrical geometry as well, can be provided. In case of polyhedral geometry of compartment 22, numerous partitions with plane geometry can be provided.

[0102] Além disso, o meio de fluidização, designado com 204, é configurado para determinar, em uso, uma velocidade de fluidização diferente da região operacional 230 em relação à região de acúmulo 231. Em particular, um movimento convectivo circulatório de partículas entre a região central 230 e a região lateral 231 e, depois, uma troca de partículas, é determinado.[0102] Furthermore, the fluidization means, designated 204, is configured to determine, in use, a different fluidization velocity of the operating region 230 relative to the accumulation region 231. In particular, a convective circulatory movement of particles between the center region 230 and the side region 231 and then a particle exchange is determined.

[0103] Quando a velocidade do ar de fluidização da região operacional 230 é maior que aquela da região de acúmulo adjacente 231, as partículas da região operacional 230 vertem acima da partição 9 na região de acúmulo adjacente 231, atraindo as partículas do fundo abaixo da própria partição. Essa é a configuração mostrada na Figura 3.[0103] When the fluidizing air velocity of the operating region 230 is greater than that of the adjacent accumulation region 231, the particles of the operating region 230 pour above the partition 9 into the adjacent accumulation region 231, attracting the particles from the bottom below the partition itself. This is the configuration shown in Figure 3.

[0104] Ao reverter o tamanho das velocidades de ar de fluidização pertencente à região operacional 230 e à região de acúmulo 231, uma reversão da recirculação das partículas em relação à partição 9 é obtida.[0104] By reversing the size of the fluidization air velocities belonging to the operating region 230 and the accumulation region 231, a reversal of particle recirculation in relation to partition 9 is obtained.

[0105] Com base em uma variante da modalidade à qual se refere à Figura 4, separada da região operacional 30 que recebe a radiação solar concentrada e a região de acúmulo 31 adjacente à mesma, o leito de partículas compreende também uma região adicional 310, que pode ser chamada como uma região de troca térmica, adjacente à região de acúmulo, fora da última. Para tal região adicional 310, a energia térmica pode ser transferida, em regime de fluidização das três regiões ou pelo menos da região adicional e da região de acúmulo. Em tal região adicional, os feixes de tubos 5 mencionados acima ou meio equivalente a esses podem ser alojados.[0105] Based on a variant of the embodiment referred to in Figure 4, separated from the operational region 30 that receives concentrated solar radiation and the accumulation region 31 adjacent to it, the bed of particles also comprises an additional region 310, which can be called as a thermal exchange region, adjacent to the accumulation region, outside the latter. To such an additional region 310, thermal energy can be transferred, in a fluidization regime, from the three regions or at least from the additional region and the accumulation region. In such a further region, the above-mentioned bundles of tubes 5 or equivalent thereto can be housed.

[0106] Em tal configuração do dispositivo, cada porção do leito de partículas é ativo, ou seja, executa a função especial, quando é fluidizado. Em particular, para a região adicional mencionada acima do leito, uma fluidização independente é fornecida, de modo a permitir manipular separadamente a fase de acúmulo e a fase de troca.[0106] In such a device configuration, each portion of the particle bed is active, that is, it performs the special function when it is fluidized. In particular, for the above-mentioned additional region of the bed, an independent fluidization is provided, in order to allow to manipulate separately the accumulation phase and the exchange phase.

[0107] A região adicional 310 pode ser implantada como uma sub-região da região de acúmulo em cada uma das modalidades ilustradas acima, que pode ser, de preferência, atuada seletivamente em modos de operação específicos.[0107] The additional region 310 can be deployed as a sub-region of the accumulation region in each of the embodiments illustrated above, which can preferably be actuated selectively in specific modes of operation.

[0108] Em todas as modalidades e variantes descritas, o dimensionamento da região operacional depende da quantidade de energia térmica que tal região tem para absorver e dos recursos físico-químicos das partículas que constituem o leito granular. Os modos de tal dimensionamento são conhecidos de um indivíduo versado na técnica e, então, esse não permanecerá adicionalmente nisso.[0108] In all the modalities and variants described, the dimensioning of the operational region depends on the amount of thermal energy that such region has to absorb and on the physical-chemical resources of the particles that constitute the granular bed. The modes of such scaling are known to a person skilled in the art and so he will not dwell on it further.

[0109] O dispositivo da invenção tem natureza modular, ou seja, é bem adequado para ser conectado a um ou mais dispositivos análogos em série ou em paralelo em relação à troca térmica.[0109] The device of the invention is modular in nature, that is, it is well suited to be connected to one or more analogous devices in series or in parallel with respect to thermal exchange.

[0110] Adicionalmente, os tipos de dispositivos mencionados acima de acordo com as diferentes modalidades descritas podem ser favoravelmente associados para uma maior flexibilidade na produção e/ou operação da usina industrial com base em inúmeros dispositivos da invenção.[0110] Additionally, the types of devices mentioned above according to the different modalities described can be favorably associated for greater flexibility in the production and/or operation of the industrial plant based on numerous devices of the invention.

[0111] Em todas as modalidades e variantes descritas, o transporte de energia do feixe radioativo concentrado para o leito fluidizado é atribuído ao material granular que se torna o veículo primário da energia térmica, diferentemente do meio de recebimento tradicional com janela transparente ou membrana que, pela interposição entre a energia concentrada e o veículo de calor correlacionado, determina uma separação física desses.[0111] In all the modalities and variants described, the transport of energy from the concentrated radioactive beam to the fluidized bed is attributed to the granular material that becomes the primary vehicle of thermal energy, unlike the traditional receiving medium with a transparent window or membrane that , by the interposition between the concentrated energy and the correlated heat vehicle, determines a physical separation of these.

[0112] A presente invenção é descrita até o momento com referência às modalidades preferenciais. Deve ser entendido que outras modalidades pertencentes ao mesmo núcleo inventivo podem existir, conforme definido pelo escopo protetivo das reivindicações relatadas abaixo no presente documento.[0112] The present invention is described so far with reference to preferred embodiments. It should be understood that other modalities belonging to the same inventive core may exist, as defined by the protective scope of the claims reported below in this document.

Claims

1. Device (1) for storing and exchanging thermal energy of solar origin, in which the device (1) is configured to receive concentrated solar radiation using an optical system, the device (1) comprising: a housing ( 2) that defines an internal compartment (20) and has an irradiation opening (10) configured to allow the entrance of concentrated solar radiation, in which said opening (10) puts said internal compartment (20) in direct communication with the environment external being devoid, in use, of screen or closure means, said opening (10) being preferably arranged in an upper wall (21) of said enclosure (2); a bed (3) of fluidizable solid particles, received within said internal compartment (20) of said housing (2), wherein said bed (3) has an operating region (30) directly exposed, in use, to solar radiation concentrate entering through said aperture (10) and a heat accumulation region (31) adjacent said operating region (30); and CHARACTERIZED in that it further comprises: fluidizing means (4) of said particle bed (3), configured to feed a fluidizing gas into said compartment (20), in which the fluidizing means (4) is configured for determining a first fluid dynamics regime in said operational region (30) different from a second fluid dynamics regime in said accumulation region (31), wherein, in particular, said first and second fluid dynamics regimes are based on different fluidization velocities, and wherein the general configuration is such that, in use, the particles of said operating region (30) absorb thermal energy from solar radiation and provide the same to the particles of said operating region (30). accumulation (31).

2. Device (1), according to claim 1, characterized by the fact that said fluidization means (4) is configured to determine, in use, the formation of a hollow volume (36) in said operational region (30 ).

3. Device (100), according to claim 1 or 2, characterized by the fact that said fluidization means (104) is configured to determine, in use, at least two different fluidization velocities within said operational region ( 130).

4. Device (100), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that said fluidization means (104) is configured to determine, in use, a circulatory convective movement of particles within said operational region (130 ).

5. Device (1), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that said fluidization means (4) is configured to determine, in use, a fluid dynamics regime of the type with gush in said region operational (30).

6. Device (1), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that said fluidization means (4) is configured to determine, in use, a boiling bed regime in said accumulation region (31 ).

7. Device (200), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that it comprises one or more separation divisions (9) arranged between said operating region (230) and said accumulation region (231).

8. Device (1), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that said fluidization means (4) includes fluidization gas supply elements (40, 41) arranged on a lower base (24) of said bed of particles (3) or of said envelope (2).

9. Device (1), according to any one of the preceding claims, CHARACTERIZED by the fact that it comprises suction means (6) for suctioning the fluidizing gas, arranged inside said enclosure (2) above a free edge ( 35) of said bed of particles (3).

10. Device (1), according to claim 9, characterized by the fact that it comprises regenerative heat exchange means between the fluidization gas entering said enclosure (2) through said fluidization means (4) and the fluidizing gas exiting said enclosure (2) by means of said suction means (6).

11. Device (1), according to claim 9 or 10, characterized by the fact that said suction means (6) is configured to extract from the device (1) a flow of fluidizing gas equal to or greater than than a flow rate of fluidizing air fed into said particle bed (3).

12. Device (1), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that it comprises, above a free edge (35) of said bed of particles (3), an admission chamber (22) of a movement of fluidization of the particles of said bed (3).

13. Device (1), according to claim 12, characterized by the fact that said intake chamber (22) is defined by a calm space interposed between the free edge (35) of said particle bed (3) and said top wall (21) of said housing (2).

14. Device (100), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that it comprises a shaped containment structure (8), configured to retain the particles of said bed (3) inside said enclosure (2), wherein said containment structure (8) is disposed in said radiation opening (10) and preferably projects at least partially towards the outside with respect to the latter, wherein, preferably, said structure of containment (8) defines at least part of said intake chamber.

15. Device (100), according to claim 14, characterized by the fact that said containment structure (8) has a tapered shape, preferably conical, with a section that decreases towards the inner side of said housing (two).

16. Device (1), according to any one of the preceding claims, CHARACTERIZED by the fact that it comprises inlet means (7) for introducing a containment gas, preferably air, arranged in said enclosure (2) above from a free edge (35) of said bed of particles (3), preferably into said irradiation opening (10), wherein said inlet means (7) is configured to deliver a laminar flow of gas suitable for producing a barrier to the escape of particles towards the outside.

17. Device (1), according to any one of the preceding claims, characterized by the fact that it comprises heat exchange elements (5) in which, in use, the working fluid flows and, preferably, arranged in said region of accumulation (31) of the bed of fluidizable particles (3).

18. Thermal energy production plant (500) characterized by the fact that it comprises: at least one device (1) for storage and exchange of thermal energy of solar origin, as defined in any one of the preceding claims; and an optical system configured to focus an incident solar radiation onto said radiating aperture (10) of said at least one device (1), wherein said optical system preferably has a "beam down" configuration comprising one or more primary optical elements (501) arranged on the ground and one or more secondary reflection optical elements (502) arranged at a height.

19. Method for storing and exchanging thermal energy of solar origin, in which the method involves irradiating a fluidized bed (3) of solid particles with concentrated solar radiation using an optical system, in which said bed of particles (3) is housed in an enclosure (2) provided with an irradiation opening (10) configured to allow the entrance of concentrated solar radiation, in which said opening (10) puts the bed of particles (3) in direct communication with the external environment, the opening (10) having no means of screen or closure, wherein said particle bed (3) has an operating region (30) directly exposed to concentrated solar radiation entering through said opening (10) and a heat accumulation region (31) adjacent to said operational region (30), characterized by the fact that said particle bed (3) is fluidized according to a first fluid dynamics regime obtained in said operational region ( 30) different from a second fluid dynamics regime obtained in said accumulation region (31), wherein said first and second fluid dynamics regimes are in particular based on different fluidization velocities, and wherein the configuration general is such that, in use, the particles of said operating region (30) absorb thermal energy from solar radiation and provide the same to the particles of said accumulation region (31).

20. Method, according to claim 19, CHARACTERIZED by the fact that said fluidization involves the formation of a hollow volume (36) in said operational region (30).

21. Method according to claim 19 or 20, CHARACTERIZED by the fact that said fluidization determines at least two different fluidization velocities within said operational region (130).

22. Method according to any one of claims 19 to 21, characterized by the fact that said fluidization determines a circulatory convective movement of particles within said operational region (130).

23. Method, according to any one of claims 19 to 22, characterized by the fact that said fluidization determines a spouted-type bed regime in said operational region (30).

24. Method according to any one of claims 19 to 23, characterized by the fact that said fluidization determines a boiling bed regime in said accumulation region (31).

25. Method according to any one of claims 19 to 24, characterized by the fact that it employs a device (1) or a plant, as defined in any one of claims 1 to 18.