BR112021003338A2 - gerador elétrico solar. - Google Patents

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Abstract

GERADOR ELÉTRICO SOLAR. Um gerador elétrico solar que compreende uma parede externa (1, 2) disposta para envolver parcialmente uma cavidade. Um concentrador (3) é provido dentro da cavidade em que a face externa (4) da parede é provida com células solares (5). Pelo menos um do concentrador (3) e da face interna (6) da parede são providos com células solares (5).

Description

1 / 11
GERADOR ELÉTRICO SOLAR
[001] A presente invenção se refere a um gerador elétrico solar.
[002] Os geradores elétricos solares, mais comumente chamados de painéis solares, normalmente têm uma configuração plana que é orientada em uma direção que maximiza a capacidade de converter energia solar em eletricidade ao longo do dia. Os painéis são geralmente fixos de forma que só estejam no ângulo ideal para coletar energia solar por algumas horas do dia.
[003] A presente invenção visa prover um projeto de gerador elétrico solar que pode coletar energia solar de forma mais eficiente, de modo a aumentar a quantidade de energia elétrica que pode ser gerada dentro de um determinado rastro.
[004] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é provido um gerador elétrico solar de acordo com a reivindicação 1.
[005] O projeto usa uma parede externa definindo uma cavidade, cuja face externa é provida com células solares. A parede externa pode ser posicionada de forma que sempre haja algumas células solares que estão na posição ideal para conversão de energia a qualquer hora do dia/ano. Além disso, ao contrário de um painel convencional, no mesmo rastro, o gerador tem uma cavidade central com um concentrador no qual outras células solares são providas para geração elétrica posterior.
[006] Ao nos afastarmos da geometria plana para esta geometria mais complexa, os testes iniciais mostraram que fomos capazes de aumentar a quantidade de energia gerada em um determinado rastro em cerca de 300 a 500%.
[007] As faces do concentrador e a face interna da parede que, em uso, serão expostas à luz podem ser providas de células solares. Em particular, o concentrador tem de um modo preferido uma face superior com células solares.
[008] No entanto, pelo menos um do concentrador e da face interna da parede externa podem, alternativamente ou adicionalmente, ser providos
2 / 11 com refletores. Esses refletores são de um modo preferido posicionados para refletir parte da luz incidente em direção a uma célula solar oposta. A geração de energia mais eficaz é obtida pela cobertura máxima de células solares com a cobertura mínima de refletores. No entanto, também é a opção mais cara. A substituição de algumas das células solares por refletores reduz o custo, ao mesmo tempo que garante que a energia pode ser gerada a partir da luz que incide nos refletores. Isso traz a vantagem de ser possível, com um único projeto geral, produzir uma série de produtos que podem ser essencialmente feitos dos mesmos componentes. No entanto, para uma solução de baixo custo e energia relativamente baixa, um número maior de refletores pode ser usado no lugar de painéis solares. Por outro lado, se um custo mais alto, uma solução de maior produção de energia for necessária, uma proporção maior de células solares pode ser usada.
[009] O gerador elétrico solar também é facilmente escalável e, portanto, pode atender a um grande número de aplicações. Na extremidade inferior, um pequeno gerador poderia ser montado, por exemplo, acima de um equipamento remoto que requer eletricidade, mas não está conectado à rede, como uma máquina de bilhetes em um estacionamento ou um poste de telefone. No meio do lacuna, um gerador pode ter uma largura máxima entre 1 e 2 metros e uma altura de 1,5 a 2,5 metros. Esse gerador pode ser usado com utilidade em um ambiente doméstico para recarregar um veículo elétrico. O projeto tem uma aparência esteticamente moderna e agradável, em contraste com os painéis solares convencionais, que têm uma aparência utilitária maçante. No topo da escala, vários geradores grandes poderiam ser usados em um parque solar.
[0010] A parede externa pode ser feita de material de painel solar convencional. Neste caso, vários painéis planos podem ser ligados uns aos outros. De um modo preferido, no entanto, a parede externa é formada por uma armação curva à qual um tecido solar flexível é fixado. Isso pode criar uma configuração geralmente curva e também é muito mais leve do que um material
3 / 11 de painel solar convencional.
[0011] O gerador pode ser disposto para prover energia diretamente a uma peça de equipamento externo, tal como uma máquina de bilhetes ou veículo descrito acima. De um modo preferido, no entanto, o gerador também incorpora armazenamento de energia. Isso pode estar convenientemente localizado dentro do concentrador e pode assumir a forma de uma bateria ou volante. Isso provê um projeto elegante para gerar e armazenar energia sem a necessidade de conexões externas entre o gerador e o armazenamento de energia.
[0012] A parede externa e o concentrador podem ser providos separadamente um do outro e montados no solo com a relação espacial definida acima. No entanto, de um modo preferido, a parede externa é conectada ao concentrador por meio de um ou mais raios, proporcionando assim um dispositivo unitário no qual as relações espaciais entre os componentes são definidas antes da instalação.
[0013] A parede externa envolve parcialmente a cavidade, de modo que a luz pode entrar na cavidade através do topo ou através da parte da cavidade não rodeada pela parede. Na prática, isso significa que há pelo menos uma lacuna na parede lateral. Isso pode se estender por parte da profundidade da parede externa. No entanto, de um modo preferido, estende-se por toda a profundidade da parede lateral.
[0014] A parede externa de um modo preferido subtende um ângulo maior do que 250º e de um modo mais preferido maior do que 280º no concentrador. Isso garante que a parede externa circunde a grande maioria do concentrador para maximizar a área de superfície das faces convexas externas. Por outro lado, a parede externa de um modo preferido subtende um ângulo maior do que inferior a 320º no concentrador. Isso ainda provê uma lacuna de tamanho razoável para permitir que a luz incida sobre as faces internas côncavas e o concentrador.
4 / 11
[0015] A parede externa é de um modo preferido provida por uma parede externa disposta para envolver parcialmente uma cavidade, um primeiro painel e um segundo painel, cada painel tendo uma face interna côncava e uma face externa convexa, os painéis sendo espaçados horizontalmente de modo que as faces côncavas fiquem voltadas uma para a outra definindo assim a cavidade central. Pode haver mais de dois painéis, mas a preferência é que haja dois desses painéis que são diametralmente opostos um ao outro para definir um par de lacunas entre as respectivas extremidades adjacentes dos painéis.
[0016] O gerador é, de um modo preferido, montado estaticamente, pois sua forma provê a capacidade de coletar energia solar em qualquer orientação. Alternativamente, pode ser montado rotativamente em torno de um eixo geométrico vertical. Isso pode permitir que o gerador se posicione na posição ideal para um determinado local ou gire ao longo do dia para otimizar a coleta de energia.
[0017] As células solares na parede externa podem ser fixadas em uma única posição. No entanto, de um modo preferido, pelo menos parte da parede é móvel a partir de uma primeira posição para uma segunda posição em que sua face externa está mais próxima de um plano vertical. Isso permite que pelo menos alguns dos painéis das células solares sejam movidos para uma posição na qual possam receber uma quantidade maior de luz incidente em um determinado momento do dia. Por exemplo, a segunda posição pode ser usada no meio do dia, quando o sol está diretamente acima. Adicionalmente ou alternativamente, quando o sol está baixo no céu de um lado do gerador, a parte da parede no lado oposto pode ser movida para a segunda posição de modo que, novamente, uma quantidade maior de luz incida sobre esses painéis.
[0018] Toda a espessura da parede pode ser móvel entre a primeira e a segunda posições, o que exigiria alguma forma de armação para suportar a parede nas várias posições. No entanto, de um modo preferido, a parede externa tem uma porção de parede interna e uma porção de parede externa e a porção
5 / 11 de parede externa é móvel enquanto a porção interna é estática.
[0019] O mecanismo para mover a parte móvel da parede pode ser qualquer mecanismo adequado que moverá a parede entre as duas posições. No entanto, de um modo preferido, a parte móvel da parede pode rodar em torno de um eixo geométrico substancialmente horizontal adjacente à sua extremidade superior. A parte móvel da parede externa pode compreender apenas um único painel. No entanto, de um modo preferido, a porção da parede externa móvel compreende uma pluralidade de painéis móveis. O movimento de vários painéis em oposição a um único painel significa que cada painel individual se estende até uma extensão arqueada limitada, de modo que cada painel pode ser movido para um plano que é aproximadamente horizontal.
[0020] A porção de parede externa móvel pode ser configurada para ser movida manualmente. Alternativamente, o gerador pode ser provido com tecnologia de rastreamento do sol para otimizar a posição da parte móvel de acordo com a posição do sol no céu.
[0021] No entanto, de um modo preferido, o gerador tem um temporizador para controlar o movimento da parte móvel da parte externa da parede. Isso é significativamente mais barato do que a tecnologia de rastreamento do sol, embora ainda permita um grau significativo de otimização da posição da parte móvel da parede externa.
[0022] A mobilidade de pelo menos parte da parede externa forma um segundo aspecto da presente invenção, de acordo com o qual é provido um gerador elétrico solar de acordo com a reivindicação 18.
[0023] Este gerador pode ter qualquer uma das características preferidas mencionadas acima em relação ao primeiro aspecto da invenção.
[0024] A fim de aumentar ainda mais as capacidades de geração de energia do gerador, o gerador pode compreender adicionalmente uma ou mais turbinas eólicas. Estes podem ser de qualquer forma adequada, mas é de um modo preferido uma turbina eólica multidirecional, por exemplo, uma turbina
6 / 11 “batedeira” de eixo geométrico vertical ou uma turbina eólica que é um dispositivo multidirecional, geralmente esférico.
[0025] Um exemplo de um gerador elétrico solar de acordo com a presente invenção será agora descrito em referência aos desenhos anexos, nos quais: a Fig. 1 é uma vista em perspectiva de um primeiro gerador; a Fig. 2 é uma vista superior em perspectiva do primeiro exemplo; a Fig. 3 é uma vista esquemática em planta do primeiro gerador; e as Figs. 4 a 6 são vistas esquemáticas do segundo, terceiro e quarto exemplos de geradores.
[0026] O gerador consiste em três componentes principais, a saber, primeiro 1 e segundo 2 painéis solares e um concentrador central 3. O gerador pode ser autônomo no solo ou pode ser montado em um poste ou outro equipamento.
[0027] Os dois painéis 1, 2 têm a mesma construção e apenas um deles será descrito a seguir.
[0028] Uma proporção significativa de cada face externa convexa 4 de cada painel é coberta com células solares 5.
[0029] A face interna côncava 6 de cada um dos painéis pode, da mesma forma, ser coberta com células solares 5. Alternativamente ou adicionalmente, pode ser coberta por um ou mais refletores 7.
[0030] Os dois painéis curvos 1, 2 estão dispostos geralmente concentricamente de modo que formem uma construção substancialmente cilíndrica com um eixo geométrico vertical. Existem, no entanto, um par de lacunas 8 formados entre as extremidades adjacentes dos painéis. Em um exemplo preferido, cada um dos painéis curvos que subtende um ângulo de cerca de 150º em cada lacuna que subtende o ângulo de cerca de 30º no
7 / 11 concentrador. Em uso, pretende-se que o gerador seja montado em uma orientação com as lacunas 8 voltadas em uma direção para prover a geração máxima de energia. Isto permite que a luz incida nas faces côncavas internas 6, quer através do topo do gerador ou através das lacunas 8.
[0031] O concentrador 3 é mostrado com uma forma esférica nas Figs. 1 e 2. Pode ter outras formas, como cilindro ou cúpula. Em qualquer caso, é preferível que a superfície 9 do concentrador voltada para cima seja provida com células solares. As superfícies periféricas que geralmente estão voltadas para a face côncava interna 6 podem ser providas com células solares, refletores ou uma combinação de ambos. Se as faces côncavas internas 6 forem providas com refletores, seria preferível prover mais células solares na superfície periférica do concentrador 3, pois qualquer luz refletida da face côncava interna 6 será concentrada na face periférica do concentrador 3. Por outro lado, se a face côncava interna 6 for provida com uma alta proporção de células solares, a periferia do concentrador 3 pode ser provida com uma alta proporção de refletores para refletir a luz na face côncava interna 6. O arranjo exato de refletores e células pode ser determinado por tentativa e erro e pode depender das condições locais. No entanto, o arranjo descrito oferece um meio muito eficiente de gerar eletricidade em que há sempre uma parte da face externa 4 para a qual as células solares 5 estarão na posição ideal para qualquer hora do dia e do ano. O arranjo das faces côncavas internas e do concentrador também provê uma maneira eficiente de utilizar a face oposta à face externa 4 de uma maneira que pode novamente receber uma quantidade significativa de energia solar novamente com superfícies em vários ângulos diferentes de modo que, novamente, lá frequentemente serão células solares que estão na posição ideal para coletar a energia em um determinado momento.
[0032] No exemplo preferido mostrado nas Figs. 1 a 3, o primeiro e o segundo 2 painéis curvos são formados produzindo uma armação curva rígida. Para isso, um tecido solar flexível de película fina pode ser aplicado. Este é
8 / 11 fornecido em rolos e pode ser facilmente fixado à moldura para formar uma armação muito simples e leve. Uma segunda camada de tecido solar flexível de película fina pode ser aplicada à superfície côncava interna 6. Neste caso, isso pode não ser aplicado totalmente em toda a superfície, mas em vez disso, algumas das regiões podem, em vez disso, ser providas com material reflexivo. Uma série de variações deste projeto são mostradas nas Figs. 4 a 6.
[0033] Como alternativa ao arranjo mostrado na Fig. 1, o primeiro e o segundo painéis podem ser efetivamente unidos de modo que haja um grande painel curvo se estendendo em uma forma substancialmente em C em torno do concentrador 3 com apenas uma única lacuna 8.
[0034] A superfície superior do concentrador é de um modo preferido posicionada verticalmente acima do ponto médio da parede externa, de modo que não seja indevidamente sombreada pela parede externa. De um modo preferido, a largura máxima do concentrador é inferior a metade e de um modo preferido inferior a um terço da largura máxima da cavidade. Isso garante que o concentrador não proteja indevidamente a face interna da parede. O concentrador pode ser mais baixo e, em caso afirmativo, sua largura pode ser aumentada, pois, quanto mais baixo, menos sombreia a face interna da parede. Em um caso limite, o concentrador pode cobrir efetivamente a base da cavidade. Outra possibilidade é um concentrador elevado, como descrito acima, com células solares adicionais posicionadas na base da cavidade.
[0035] Na Fig. 4, cada um dos primeiro 1 e segundo 2 painéis curvos é efetivamente dividido em dois de modo que haja quatro painéis separados 1A, 1B e 2A, 2B. Isso introduz duas lacunas adicionais 8’. Novamente, a disposição exata dos painéis e lacunas pode ser determinada experimentalmente e pode variar dependendo das condições locais. Pode haver, por exemplo, três ou mais painéis e um número correspondente de lacunas.
[0036] O arranjo mostrado nas Figs. 4 e 5 mostra os painéis 1, 2 separados do concentrador 3. Estas podem ser instalações adequadas em maior
9 / 11 escala, onde os painéis podem ser fixados para transporte e montados in situ. No entanto, como mostrado na Fig. 3, os painéis 1, 2 são conectados ao concentrador 9 por um par de raios 10. Pode haver mais de um raio por painel, por exemplo, como mostrado em 10A na Fig. 6. O gerador pode ser pré- montado nesta configuração, que é mais apropriada para pequenas instalações. Alternativamente, os painéis 1, 2 e o concentrador 3 podem ainda ser transportados separadamente e os raios 10 montados in situ para ajudar a fixar as relações geométricas ideais entre os componentes.
[0037] Conforme mostrado na Fig. 4, o concentrador 3 contém uma bateria 11 para armazenar a energia gerada pelas células solares. Na Fig. 5, o armazenamento de energia tem a forma de uma roda volante 12. Os concentradores 10, 10A proveem uma conexão conveniente entre as células solares 5 e o dispositivo de armazenamento 11, 12.
[0038] O terceiro exemplo da Fig. 5 mostra uma implementação com a invenção de tecnologia de painel solar mais convencional, em que uma série de painéis rígidos planos 13 são conectados entre si para formar os painéis 1C, 2C. As faces internas desses painéis também podem ser providas com células solares ou refletores, conforme descrito anteriormente. Os painéis planos podem igualmente ser ligeiramente separados uns dos outros.
[0039] Os exemplos anteriores mostram o primeiro 1 e o segundo 2 painéis tendo uma configuração arqueada centrada em torno do centro do concentrador 3. Como mostrado no terceiro exemplo da Fig. 6, os painéis podem se desviar de uma configuração arqueada e podem, por exemplo, ter uma forma parabólica ou outra forma não circular, conforme mostrado como 1D e 2D no quarto exemplo da Fig. 6.
[0040] Como seria evidente a partir da descrição acima, embora uma série de modificações tenham sido incorporadas em exemplos individuais, modificações individuais podem ser usadas em outros exemplos. Assim, a presença ou ausência de raios, o uso de um dispositivo de armazenamento de
10 / 11 energia dentro do concentrador, o uso de mais de dois painéis, o uso de painéis planos convencionais ou painéis curvos e a forma geral dos painéis podem ser usados independentemente um do outro.
[0041] Em um quinto exemplo de um gerador o concentrador tem a forma de um painel curvo que é inclinado para cima em direção a uma das lacunas 8. No entanto, a principal nova característica no quinto exemplo é que o primeiro 1 e o segundo 2 painéis curvos são formados por uma parede interna e uma parede externa, com a parede externa de cada painel sendo feita de três seções separadas. Poderia, no entanto, haver mais ou menos de três seções. Cada uma das seções é articulada em um ponto na região central de sua borda superior em relação à parede interna.
[0042] As seções podem ser movidas manualmente, mas também podem ser motorizadas de modo a serem móveis da configuração expandida uma configuração retraída na qual todas as seções ficam contra a parede interna de modo que o gerador se assemelha aos geradores descritos acima em relação aos exemplos anteriores. Um temporizador é de um modo preferido provido para controlar o movimento das seções. A parede interna voltada para dentro e o concentrador permanecerão em suas posições fixas e funcionarão como antes (embora o concentrador pudesse opcionalmente ser montado de modo a ser rotativo). Quando o sol está relativamente baixo no céu pela manhã e à noite, as seções estão na configuração retraída contra a parede interna. No entanto, no meio do dia quando o sol está alto no céu, as seções são giradas para a configuração expandida de modo que, os painéis apresentam uma superfície incidente muito maior quando o sol está em ou próximo a uma posição diretamente acima do gerador.
[0043] As seções não precisam necessariamente ser móveis juntas. Em vez disso, quando o sol está relativamente baixo no céu, as seções que estão viradas para a direção do sol podem estar na posição retraída contra a parede interna, enquanto as outras seções são giradas no plano geralmente horizontal
11 / 11 mostrado nos desenhos, ou mesmo bem além do plano horizontal, de modo que estejam voltados na direção geral do sol neste momento.
[0044] Para otimizar totalmente a posição das seções, a tecnologia de rastreamento solar pode ser empregada. No entanto, isso é caro e a intenção é usar um temporizador para controlar a posição das seções, pois isso provê um grau razoável de otimização da posição da seção por um custo relativamente baixo.
[0045] Um sexto exemplo de um gerador é baseado no gerador do quinto exemplo, mas este princípio pode se aplicar a qualquer um dos geradores descritos anteriormente. Em particular, um par de turbinas eólicas é fixado a uma borda superior dos painéis 1, 2. Qualquer projeto de turbina eólica adequado pode ser usado. Tal arranjo é particularmente útil quando os geradores estão sendo usados individualmente para produzir energia para uma finalidade localizada, como carregar um veículo em um local remoto. O uso de uma ou mais turbinas eólicas sob estas circunstâncias proveem um meio de suplementar a energia produzida pelas células solares, que deve ser particularmente útil durante os meses de inverno ou em dias nublados, quando, embora menos energia solar esteja disponível, é provável que mais energia eólica possa ser obtida.

Claims (17)

REIVINDICAÇÕES
1. Gerador elétrico solar, caracterizado pelo fato de que compreende uma parede externa disposta para envolver parcialmente uma cavidade, um concentrador dentro da cavidade em que a face externa da parede é provida com células solares e em que o concentrador tem uma face superior que é provida com células solares.
2. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a face interna da parede é provida com células solares.
3. Gerador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dentre o concentrador e a face interna da parede externa são providos com um refletor.
4. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede externa é formada por uma armação curva à qual um tecido solar flexível é fixado.
5. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um dispositivo de armazenamento de energia dentro do concentrador.
6. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede externa está conectada ao concentrador por meio de um ou mais raios.
7. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede externa subtende um ângulo maior do que 250° no centro do concentrador.
8. Gerador de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a parede externa subtende um ângulo maior do que 280° no centro do concentrador.
9. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede externa subtende um ângulo inferior a 320° no centro do concentrador.
10. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a parede externa é provida por um primeiro painel e um segundo painel, cada painel tendo uma face interna côncava e uma face externa convexa, os painéis sendo espaçados horizontalmente de modo que as faces côncavas se voltem uma para a outra definindo assim a cavidade central.
11. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a largura máxima do concentrador é inferior a metade da largura máxima da cavidade.
12. Gerador de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a largura máxima do concentrador é inferior a um terço da largura máxima da cavidade.
13. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos parte da parede externa é móvel a partir de uma primeira posição para uma segunda posição na qual sua face externa está mais próxima de um plano vertical.
14. Gerador de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que a parede externa tem uma porção interna e uma porção externa e a porção externa é móvel, enquanto a porção interna é estática.
15. Gerador de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que a parte móvel da parede externa pode girar em torno de um eixo geométrico substancialmente horizontal adjacente à sua borda superior.
16. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado pelo fato de que a parte móvel da parede externa compreende uma pluralidade de seções.
17. Gerador de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um temporizador para controlar o movimento da parte móvel da parede.
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