BR202015003915U2 - coletor solar de placa plana - Google Patents

Abstract

coletor solar de placa plana. a presente patente de modelo de utilidade aplica-se a indústrias de fabricação de coletores solares e refere-se a coletor solar de placa plana feito com tubulações de cobre de diâmetro variável, chapa absorvedora dotada de aletas de alumínio pintada com tinta padrão preto fosco e grafite expandido e cobertura de vidro duplo de 3mm de espessura cada. o presente coletor é composto de grade, chapa dotada de aletas e cortes circulares com revestimento da pintura a base de grafite expandido, tubos de elevação e tubos de distribuição.

Description

“COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA” [01] A presente patente de modelo de utilidade aplica-se a indústrias de fabricação de coletores solares e refere-se a coletor solar de placa plana feito com tubulações de cobre de diâmetro variável, chapa absorvedora dotada de aletas de alumínio pintada com tinta padrão preto fosco e grafite expandido e cobertura de vidro duplo de 3mm de espessura cada.

[02] Atualmente não existem soluções com custo compatível para se aumentar de forma significativa a eficiência térmica de coletores solares de placa plana, limitando seu uso a temperaturas máximas de 80°C, quando usadas superfícies seletivas. O presente coletor solar é mais eficiente do que os modelos existentes no mercado brasileiro, sendo que o aumento de eficiência permite alcançar temperaturas de operação mais elevadas ou redução na área coletora instalada. Nesse caso, ocorre concomitantemente o aumento da eficiência e a redução dos custos finais das instalações solares.

[03] O presente coletor solar comparado aos modelos convencionais existentes no mercado possui uma distribuição hidráulica mais homogênea em termos da vazão ao longo dos tubos de elevação. Tal característica permite que o equipamento converta mais energia solar em energia térmica com uma menor área coletora, diminuindo desta forma o custo final da instalação.

[04] A patente MU 8800071-0 - Coletor solar para aquecimento de água -refere-se a coletor solar para aquecimento de água, que se utiliza da energia solar para o aquecimento da água, utilizada em piscinas, residências, hotéis, pousadas entre outros locais e finalidades, compreendido por uma estrutura preferencialmente retangular, fechada nas extremidades por cantoneiras com tubo principal, formado e montado por perfil do quadro de sustentação com calha de encaixe da cunha, travada e pressionada por travessa, com vidro fechado por placa de proteção na parte inferior. Por sua vez, o coletor solar ora descrito difere-se da patente acima referenciada por apresentar os tubos de elevação com diâmetros variáveis, proporcionando desta forma um melhor equilíbrio hidráulico do sistema e uniformizando a vazão de água em seu interior. Outra diferenciação é a adição de grafite expandido à pintura da placa absorvedora. Tais modificações, em conjunto, permitem um incremento na eficiência energética do coletor sem alterações em suas dimensões externas, aumentando sua produção específica mensal de energia.

[05] A patente PI 1003670-9 - Coletor termo solar plano de alta eficiência energética - compreende um coletor solar plano composto de painel estampado em chapa de cobre, em duas metades, com acoplamento estanque pelo sistema "TIG"; conexões especiais de entrada e saída em "NPT; e tubos de elevação estampados na chapa de cobre que após acoplamento tem forma elíptica, dito painel com tratamento superficial, resistente a UVA 1 UVB e a caixa de alumínio toda de encaixe, anodizado em preto fosco, com perfis e conexões especificas, dando estanqueidade total. Diferentemente desta, o coletor solar ora descrito apresenta os tubos de elevação com diâmetros variáveis, proporcionando melhor equilíbrio hidráulico do sistema e uniformizando a vazão de água em seu interior, além da adição de grafite expandido à pintura da placa absorvedora, sendo que tais modificações, em conjunto, permitem um incremento na eficiência energética do coletor sem alterações em suas dimensões externas, aumentando a produção específica de energia.

[06] O MU 8801893-8 - Disposição construtiva introduzida em dispositivo coletor solar, - compreende um quadro estrutural composto por quatro réguas e quatro cantoneiras de fechamento; o quadro estrutural é fechado em sua porção inferior por uma chapa de fundo, e dentro do quadro há isolantes térmicos, radiador de fluidos, e múltiplas placas absorvedoras de calor, sendo fechado em sua porção superior com uma placa de material translúcido; cada placa absorvedora de calor compreende um corpo monoblóquico composto por duas rampas inversamente inclinadas que se encontram no centro da referida placa em cada uma de suas laterais, a placa absorvedora de calor conta uma estrutura de formato semicircular voltada para fora; em sua aplicação, uma placa é ligada à outra placa, formando uma camada absorvedora de calor composta de múltiplas placas, que ocupa 90% da superfície do dispositivo; cada placa é confeccionada em alumínio, e tratada com pintura preta; e confeccionada através do processo de extrusão. Por sua vez, o presente coletor solar difere-se da patente acima por apresentar os tubos de elevação com diâmetros variáveis, proporcionando melhor equilíbrio hidráulico do sistema e uniformizando a vazão de água em seu interior. Outra diferenciação é a adição de grafite expandido à pintura da placa absorvedora. Tais modificações, em conjunto, permitem um incremento na eficiência energética do coletor sem alterações em suas dimensões externas, aumentando sua produção específica de energia.

[07] O coletor solar de placa plana desenvolvido com tubos de elevação de diâmetros variáveis proporciona equilíbrio hidráulico, uniformizando o escoamento de água em seu interior e, conseqüentemente, aumenta sua eficiência. Além da mudança nos diâmetros dos tubos de elevação, aplica-se também uma tinta convencional preta, à qual é adicionado grafite expandido. O grafite expandido é um produto de alta condutividade térmica, aproximadamente 3000W/m/K, permitindo que a placa absorvedora do coletor transfira calor com mais intensidade para a água, o que também incrementa sua eficiência térmica. Outra modificação introduzida foi a construção do coletor com isolamento de base em lã de vidro de 50mm de espessura e cobertura superior com vidro duplo de 3mm, o que diminui as perdas térmicas globais.

[08] As alterações introduzidas permitem ao equipamento uma maior absorção da radiação solar e uma uniformidade do escoamento de água em seu interior. Tais características, em conjunto, possibilitam ao equipamento obter maiores temperaturas de saída da água com a mesma área coletora de um equipamento tradicional, ou seja, aumenta a eficiência térmica do equipamento.

[09] Na tabela 1 são discriminadas as principais dimensões características: [010] Com o intuito de simplificar a análise dos resultados encontrados para as quatro simulações desenvolvidas, optou-se por apresentar os resultados de forma concisa para os quatro modelos, [011] A primeira simulação apresenta sete tubos de elevação com a otimização genética dos diâmetros dos tubos, propiciou os melhores resultados. A eficiência energética média atinge aproximadamente 72% quando a diferença é de 0,02°C/W/m2, o FrUL é de 1,58 W/m2/°C e a temperatura de saída do coletor é de 92,68°C. A segunda simulação, apresentando 35 tubos de elevação com a otimização genética dos diâmetros dos tubos, apresenta os resultados menos satisfatórios, vez que a eficiência energética média atinge aproximadamente 57,18% quando a diferença é de 0,02°C/W/m2, o FrUL é de 2,38W/m2/°C e a temperatura de saída do coletor é de 89,78°C.

[012] A terceira simulação, com 7 tubos de elevação sem a otimização genética dos diâmetros dos tubos, apresenta resultados intermediários. A eficiência energética média atinge aproximadamente 55,04% quando a diferença é de 0,02°C/W/m2, o FrUL é de 1,63 W/m2/°C e a temperatura de saída do coletor é de 90,56°C.

[013] A quarta simulação, com 7 tubos de elevação com a otimização genética dos diâmetros dos tubos, apresenta resultados para a vazão uniforme. A eficiência energética média atinge aproximadamente 46,21% quando a diferença é de 0,02°C/W/m2, o FrUL é de 1,2W/m2/°C e a temperatura de saída do coletor é de 90,11°C. Observa-se, principalmente, que a qualidade dos resultados é diretamente proporcional à simetria do escoamento ao longo do coletor solar e, não necessariamente, correlaciona-se com a menor amplitude das vazões ao longo dos tubos de elevação. Tal comportamento justifica o porquê dos melhores resultados encontrados para a 1a simulação e, também, o porquê dos resultados menos significativos encontrados para a 2a simulação. Para a 1a simulação, a diferença entre a maior vazão e a menor vazão ao longo dos tubos de elevação é de aproximadamente 3,00x10-3kg/s, para a 2a simulação a diferença é de 1,1x10-4 kg/s e para a 3a simulação, a diferença é de 2,4x10-4 kg/s.

[014] Nota-se que a 2a simulação apresenta a menor amplitude de vazões ao longo dos tubos de elevação e, no entanto, proporciona os piores resultados fluidodinâmicos. Já a 1a simulação apresenta a maior amplitude de vazões ao longo dos tubos de elevação e, no entanto, fornece os melhores resultados fluidodinâmicos. A 4a simulação apresenta os resultados para o coletor solar com uniformidade de vazão ao longo dos tubos de elevação. Nota-se que a uniformidade da vazão atua principalmente na minimização do FrUL do coletor solar. Todas as simulações foram realizadas para coletores solares de placa plana com o revestimento da pintura a base de grafite expandido. O grafite expandido diluído na pintura padrão das aletas do coletor solar de placa plana mostra-se aplicável para maximizar a eficiência térmica destes equipamentos. Sua condutividade térmica é de aproximadamente 3000 W/m/K, enquanto a condutividade térmica da aleta de alumínio padrão é de 237 W/m/K.

[015] A modelagem e simulação numérica conduzidas no CFX/Ansys mostram-se promissoras na análise dos modelos de coletores solares. Finalmente, pode-se concluir que a otimização genética dos diâmetros dos tubos de elevação, juntamente com o revestimento das aletas com grafite expandido, proporcionam uma melhor configuração hidráulica e um melhor comportamento térmico para o coletor solar.

[016] Para as simulações realizadas, a melhora nos resultados após a otimização genética juntamente com a aplicação do grafite expandido sobre as aletas, chega a aproximadamente 30,81%.

[017] O presente modelo de utilidade apresenta as seguintes vantagens: aumento da eficiência do equipamento mediante a uniformização do escoamento de água em seus tubos de elevação e da utilização de grafite expandido em sua placa absorvedora; diminuição da necessidade de instalação de grandes áreas coletoras, dado que o coletor solar em questão consegue produzir uma maior quantidade de água quente com menos espaço; funcionalmente não houve mudanças, os processos de instalação e funcionamento permanecem os mesmos.

[018] Uma das formas de realização da disposição construtiva aplicada a coletor solar de placa plana poderá ser compreendida pelas figuras anexas, onde: [019] Afigura 1 ilustra vista em perspectiva da grade do coletor solar.

[020] A figura 2 ilustra vista em detalhe da chapa absorvedora apresentando as aletas e furos circulares.

[021] A figura 3 ilustra vista da grade do coletor acoplada às aletas apresentando os tubos totalmente na parte superior da chapa.

[022] A figura 4 ilustra detalhe da distribuição dos tubos de elevação.

[023] A figura 5 ilustra detalhe da forma de fixação dos tubos nas aletas e solda dos tubos de elevação nos tubos de distribuição.

[024] De acordo com as figuras 1 a 5, o coletor (1) é composto de grade (2), chapa (3) dotada de aletas (3.1) e cortes (3.2) circulares com revestimento da pintura a base de grafite expandido, tubos (4) de elevação e tubos (5) de distribuição.

[025] O grafite expandido diluído na pintura padrão das aletas (3.1) do coletor (1) solar de placa plana é aplicável para maximizar a eficiência térmica do coletor (1), sua condutividade térmica é de aproximadamente 3000W/m/K, enquanto a condutividade térmica das aletas de alumínio padrão é de 237W/m/K.

[026] De acordo com as figuras 1 e 2, o coletor (1) apresenta grade (2) elaborada como “montagem” no Solidworks dos manifolds e dos tubos de elevação (5); aletas (3.1) com detalhes de construção e moldagem de chapa (3) metálica absorvedora, utilizando-se furos circulares (3.2) para conciliar as dobras de chapa (3) perpendiculares que servem para receber a grade (2).

[027] De acordo com a figura 4, a distribuição dos tubos (4 e 5) a serem acoplados às aletas (3.1) da chapa absorvedora se dá em conformação tal que envolva grande parte da área da tubulação, principalmente dos tubos de elevação (4), perfazendo-se as conexões dos tubos (4 e 5) através de soldagem, bem como a configuração final dos furos circulares (3.2) destinados a conciliar as conformações perpendiculares para os tubos.

Claims (4)

1. “COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA”, caracterizado por coletor (1) ser composto de grade (2), chapa (3) dotada de aletas (3.1) e cortes (3.2) circulares com revestimento da pintura a base de grafite expandido, tubos (4) de elevação e tubos (5) de distribuição; grafite expandido diluído na pintura padrão das aletas (3.1) do coletor (1) solar de placa plana, tendo sua condutividade térmica de aproximadamente 3000W/m/K.

2. “COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA”, caracterizado por coletor (1) apresentar grade (2) elaborada como “montagem” no Solidworks dos manifolds e dos tubos de elevação (5); aletas (3.1) com detalhes de construção e moldagem de chapa (3) metálica absorvedora, utilizando-se furos circulares (3.2) para conciliar as dobras de chapa (3) perpendiculares que servem para receber a grade (2).

3.

“COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA”, caracterizado por distribuição dos tubos (4 e 5) a serem acoplados às aletas (3.1) da chapa absorvedora se dar em conformação tal que envolva grande parte da área da tubulação, principalmente dos tubos de elevação (4), perfazendo-se as conexões dos tubos (4 e 5) através de soldagem, bem como a configuração final dos furos circulares (3.2) destinados a conciliar as conformações perpendiculares para os tubos.