PT101504B

PT101504B - Colector de energia solar do tipo concentrado parabolico composto, sem vacuo

Info

Publication number: PT101504B
Application number: PT101504A
Authority: PT
Original assignee: Manuel Pedro Ivens Collares Pe; Oliveira Joao Vieira Correia De
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 2001-04-30
Also published as: DE69517465T2; ATE193937T1; ES2149317T3; EP0678714A2; GR3034364T3; DK0678714T3; DE69517465D1; EP0678714B1; PT101504A; EP0678714A3

Description

Colector de energia solar do tipo concentrador parabólico composto, sem vácuo

Objectivo do invento

O presente invento tem por objectivo proporcionar um colector de energia solar do tipo concentrador parabólico composto (CPC), sem vácuo, para o aquecimento de fluidos até 120°C, totalmente fixo, que capta a radiação quer directa quer difusa, cujo rendimento é mais elevado do que o dos colectores actualmente existentes e que pode ser produzido com custos iguais ou inferiores aos dos colectores hoje utilizados para as mesmas aplicações.

Este objectivo é hoje conseguido pelo presente invento, através de uma nova configuração para a superfície reflectora e para os absorvedores, um novo posicionamento relativo da dita superfície e dos ditos absorvedores e do isolamento da caixa, que os contém.

Arte anterior

Os colectores do tipo do descrito neste invento, ou seja os colectores do tipo CPC, ideais ou de Winston, estão descritos, por exemplo, em US-A- 3 923 321, US-A-3 957 031, US-A-4 002 499, US-A-4 003 638, US-A-4 230 095, PT-A-80 405 (jã caducada), patentes estas que constituem a arte anterior mais relacionada com o presente invento.

No entanto US-A-4 003 638 e US-A-4 230 095 e PT-A-80 405, são as que mais se aproximam do presente invento, a ponto de merecerem uma explicação das diferenças entre o colector do presente invento e os colectores semelhantes das mesmas.

Na patente US-A-4 003 638 os colectores não prevêem (ver as reivindicações desta patente) a configuração do absorvedor

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com a forma de V invertido, e portanto também não preveem a combinação de arcos de parábola e involuta do presente invento.

Na patente US-A-4 230 095 as reivindicações são dirigidas a um absorvedor com um intervalo para a superfície reflectora, que apresenta configurações ópticas sempre associadas às perdas ópticas. Pelo contrário o presente invento apresenta uma solução em que o afastamento entre o espelho e o absorvedor, não dá origem a perdas ópticas. Por outro lado, em todas as reivindicações de US-A-4 230 095 o absorvedor está sempre rodeado por um invólucro transparente, colocado entre si e o espelho. No presente invento não é considerado qualquer invólucro deste tipo.

Em PT-A-80 405 a configuração da cavidade óptica e a distância entre o espelho e o absorvedor utilizadas, são semelhantes às descritas em US-A-4 230 095, logo bem diferentes do presente invento (ver explicação acima). Como se verá mais adiante a geometria do absorvedor é tubular e, portanto, diferente da geometria de alheta em V invertido do presente invento, não sendo os tubos de circulação do absorvedor iluminados directamente e permitindo ainda o colector do presente invento a colocação de uma cobertura dupla no colector, o que é impossível no colector descrito em PT-A-80 405.

Em US-A-4 340 034 é descrito um colector de energia solar tipo CPC sem vácuo, para o aquecimento de fluidos a temperaturas até 120°C, que compreende:

uma caixa rectangular, cuja altura é mais pequena do que a sua largura e o comprimento, que tem um fundo, um topo, feito de material em chapa transparente, e quatro lados, que têm um perfil rígido vedado no topo pela interposição de uma junta resiliente apertada contra o perfil rígido por um perfil rígido adicional, a caixa contém uma placa de material de isolamento rígido directamente em contacto com a face interior do fundo, estando a superfície de topo da chapa coberta por uma chapa reflectora, que forma uma superfície reflectora, configurada por diversos vales

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alongados, cada um dos quais é definido entre dois planos espaçados e paralelos ao fundo, prolongando-se um dos planos, o inferior, para dentro da placa e um dos planos, o superior, através do topo do vale, cada vale tem, quando visto em secção transversal, lados direito e esquerdo, os quais são imagens de espelho um do outro, sendo cada lado definido por uma curva, que tem início num ponto do dito plano superior e que define um arco parabólico a partir do ponto inicial, prolongando-se a curva para o plano inferior e prolongando-se depois para o plano superior, encontrando a curva do lado esquerdo com a curva do lado direito num ponto de encontro, um absorvedor prolonga-se longitudinal e centralmente para dentro de cada respectivo vale, consistindo cada absorvedor numa alheta com secção transversal em V invertido, revestida em ambos os lados e posicionada para evitar perdas ópticas, incluindo o absorvedor um tubo para conter o fluido a ser aquecido, que se prolonga ao longo da alheta, presente invento é caracterizado por cada curva ter a forma de um arco de um circunferência entre o arco parabólico o ponto de encontro, prolongando-se o arco de circunferência para ambos os lados do fundo da curva, o ponto de encontro estar localizado numa linha entre as extremidades do V invertido da alheta; e o tubo estar localizado no lado da alheta no seu lado virado para a superfície reflectora da chapa.

A concretização descrita tem as seguintes caracteristicas:

1) a utilização da óptica do tipo CPC, obtida por uma superfície reflectora e de um conjunto de elementos absorvedores com forma de V invertido, com um intervalo entre a dita superfície reflectora e os ditos elementos absorvedores,

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suficiente para reduzir as perdas térmicas, resultantes dos curto-circuitos térmicos, e sem as perdas ópticas, normalmente associadas ao dito intervalo;

2) a iluminação de toda a superfície absorvedora, quer directamente quer após a reflexão na superfície reflectora (espelho), com um consumo mínimo de material e a utilização de toda a superfície absorvedora;

3) a utilização de um conjunto de alhetas, de preferência, em alumínio e/ou cobre, com um revestimento do tipo selectivo, como um meio absorvedor, C vezes menor do que a superfície de cobertura (superfície útil da chapa de material transparente isto é, a área correspondente ao comprimento das alhetas), sendo C o factor de concentração geométrica, isto é, a relação entre a ãrea da cobertura e a área do absorvedor, em contraste com os colectores planos em que C = 1; a forma em V das alhetas permite resolver dois problemas: contraria a tendência para fazerem flecha (o que prejudicaria o rendimento óptico), e cria uma barreira à convecção do ar dentro da caixa do colector, o que o torna termicamente melhor.

4) a utilização de uma alheta em forma de V com um ângulo 2β, estando β compreendido, de preferência, entre 45 e 90°;

5) a utilização de posições relativas da superfície reflectora e dos elementos absorvedores, de modo serem obtidos ângulos de aceitação 9a, tais que β s 0a ou β > 9a, de preferência, ângulos de aceitação que permitam um funcionamento estacionário, com o eixo das alhetas orientado quer E.W. quer N.S., sendo esta última orientação muito importante para o funcionamento em termosifão;

6) a utilização de distâncias da superfície inferior da dita chapa de material transparente ao plano definido pelo fundo dos ditos vales, de modo a reduzir as perdas por convecção;

Breve descrição dos desenhos

973 _50 presente invento será agora ser descrito com mais pormenor, por meio de um exemplo de realização do mesmo, e com referência aos desenhos anexos, em que:

a fig. 1 mostra uma perspectiva esquemática e em corte parcial de um colector de acordo com o invento, e um pormenor em corte transversal do caixilho e da vedação do perfil da caixa;

a fig. 2 mostra uma configuração em corte transversal esquemático de um vale para β > Saías figs. 3a e 3b mostram, respectivamente, a configuração em corte transversal de um dos vales mais exteriores e de um vale central da superfície reflectora do invento, obtidos por truncadura do vale da fig. 2;

a fig. 4 mostra a configuração em corte transversal esquemático de um vale mais exterior para β < Sa;

as figs. 5a e 5b mostram, respectivamente, a configuração em corte transversal de um vale mais exterior e de um vale central da superfície reflectora do presente invento;

a fig. 6 mostra esquematicamente o circuito hidráulico do colector de acordo com o presente invento, e um pormenor do lado direito do colector do presente invento; e

A fig. 7 representa uma outra concretização do invento, que difere da representada nas figs. 1 a 6, devido à utilização de uma segunda cobertura, um material tipo teflon transparente e fino, de preferência teflon.

Descrição das concretizações preferidas do invento

Como se pode ser na fig. 1, o colector de acordo com o presente invento é, genericamente, constituído por uma caixa rectangular 1, com uma altura mais pequena do que as suas duas outras dimensões (comprimento e largura), sendo o topo 2 dita

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-6caixa constituído por uma placa de vidro temperada com baixo teor em ferro, cujo caixilho 3 (as quatro paredes laterais da caixa) é formado por um perfil rígido de alumínio anodizado, o qual é vedado, relativamente ao topo 2, pela interposição de uma junta de borracha EPDM (um monomero de etilleno-propilenodieno) 4, solidarizado ao perfil rígido com o auxílio de um outro perfil também de alumínio anodizado 5, e sendo o fundo da dita caixa 1 constituído por uma chapa de PVC resistente aos raios ultravioleta.

No interior da caixa encontra-se uma placa 7 de espuma rígida de poliuretano, directamente em contacto com a superfície interior plana da chapa de fundo 6 e formando a sua superfície de topo uma superfície reflectora 7', configurada com sete vales longitudinais 8, 8', sendo a sua configuração descrita mais adiante. A superfície reflectora 7' é revestida por uma chapa de alumínio (ou de prata). Nos topos dos vales 8, 8' é colocada uma chapa de alumínio (ou prata), a fim de diminuir os efeitos de extremidade, que resultam da projecção de sombras, quando os raios solares não incidem dentro do plano meridiano.

A configuração dos vales 8, 8' é definida, a partir do ponto de truncadura, pelas linhas 3¹-3' e 3''-3'' do vale com a altura de fundo H ou H', representados em corte transversal nas figs. 2 e 4, os quais apresentam, respectivamente ângulos de aceitação de 56,4° e 60,0°, sendo a sua configuração definida por uma linha, cujo lado esquerdo (meio vale esquerdo) é a imagem de espelho do lado direito (meio vale direito) , sendo a descrição das suas partes esquerda, as seguintes:

Na fig. 2

De 6 a 1 é um arco de circunferência de raio 5-6;

de 1 a 2 é um arco de parábola com foco em 5 e eixo contendo o segmento 1-5;

de 2 a 9 é um arco de parábola com foco em 4 e eixo

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-7- /2» contendo o segmento 1-5; <X & ' de 9 a 3 é um arco de parábola de foco em 8 e eixo paralelo a 1-5.

Na fig. 3 de 6 a 1 é um arco de circunferência de raio 5-6 e centro em 5 ;

de 1 a 2 é um arco de circunferência com centro em 4 e raio 4-1;

de 2 a 3 é um arco de parábola de foco em 4 e eixo contendo o segmento 2-5.

A fig. 3a representa o vale mais exterior esquerdo, sendo o vale mais exterior direito uma imagem de espelho do anterior, sendo o seu meio vale mais exterior esquerdo (direito), truncado a uma altura que varia entre 0,70H e Ι,ΟΟΗ (truncadura por 3'- 3' da fig. 2), e apresentando um ângulo de aceitação de Sa = ±74°, e sendo o seu meio vale central esquerdo (direito), truncado a uma altura que varia entre 0,6OH e 0,7OH (truncadura por 3'3'' da fig. 2), e apresentando um ângulo de aceitação de Sa = + 78°.

Na fig. 3b está representado um dos cinco vales 8' (vales centrais), o qual é truncado a uma altura que varia entre 0,60H e 0,70H, e os seus meios vales tanto esquerdos como direitos, apresentam ângulos de aceitação de Oa = + 78°.

Em correspondência com cada um dos ditos vales 8 e 8 ' , ao longo do seu comprimento e na sua região central está disposto um absorvedor 9, que consiste numa alheta em forma de V invertido, revestida com um revestimento superficial de tipo selectivo (Ni-negro), em ambos os lados, e cujo vértice está disposto na linha de simetria dos vales, a uma altura que varia entre 0,3OH e 0,60H. Encontra-se disposto, correndo longitudinalmente no centro da dita alheta e no lado virado para a dita superfície

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- 8 - / £ <

reflectora, um tubo de cobre 11, o qual se prolonga para além da alheta, ligando-se em ambos os lados a tubos de entrada e de saída mais largos (colectores) 12.

A fig. 5a representa o vale lateral mais à esquerda sendo o vale lateral mais à direita uma sua imagem de espelho, sendo o seu meio vale central direito (esquerdo), truncado a uma altura que varia entre 0,70H' e Ι,ΟΟΗ' (truncadura por 3'- 3' da fig. 4), e apresentando um ângulo de aceitação que corresponde a 0a = ±74°, e sendo o seu meio vale central esquerdo (meio vale central direito), truncado a uma altura que varia entre 0,60H' e 0,70H' (truncadura por 3'¹- 3'' da fig. 4), e apresentando um ângulo de aceitação de 0a = ±78°.

A fig. 5b representa um dos cinco centrais vales, truncado a uma altura que varia entre 0,60H' e 0,70H', e os seus meios vales tanto esquerdos como direitos, apresentam ângulos de aceitação de Sa = ± 78°.

Em correspondência com cada um dos ditos vales 8 e 8 ' , ao longo do seu comprimento e na sua região central está disposto um absorvedor 9, que consiste numa alheta 10, com uma forma de V invertido, revestida com um revestimento superficial de tipo selectivo (Ni-negro), em ambos os lados, e cujo vértice está disposto na linha de simetria dos vales a uma altura que varia entre 0,30H' e 0,60H'. Encontra-se disposto, correndo longitudinalmente a meio da dita alheta e no lado virado para a dita superfície reflectora, um tubo de cobre 11, para o fluido a ser aquecido, o qual se prolonga para além das alhetas, ligando-se em ambos os lados a tubos de entrada e de saída mais largos (colectores) 13.

Na concretização particular das figs. 2, 3a e 3b, ο V das alhetas apresenta um ângulo de 120°, isto é β - 60°. A escolha destes valores corresponde a uma concentração final de C = 1,2, a qual corresponde a uma optimização de energia média captada numa base anual, compatível com o funcionamento estacionário na orientação E.W. ou N.S.. Os valores escolhidos

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são, um caso particular, da família de soluções para as quais β > 0a (sem truncadura).

Os valores de 0a e β, escolhidos para a concretização do presente invento, correspondem a uma optimização, que se reflete nos custos dos materiais, nos custos de produção e na energia captada. No entanto, as variações naqueles custos poderão, no futuro, determinar variantes do presente invento em que seja mais interessante ter β < 0a.

Na concretização das figs. 4, 5a e 5b o colector, embora semelhante, terá uma composição ligeiramente diferente de arcos de parábola e circunferência. Neste caso consideram-se de forma idêntica os aspectos ligados à truncadura.

A fig. 6 representa o circuito hidráulico, e como se pode ver no pormenor representado no lado direito desta figura, cada vale tem um absorvedor com a forma de um V invertido - uma alheta em alumínio - estando na parte interior do V e junto do seu vértice disposto um tubo de cobre 11, no interior do qual circula o fluido a ser aquecido. Cada um dos ditos tubos de cobre 11 encontra-se ligado, prolongando-se para além das alhetas, a tubos de cobre de entrada e saída, formado em cada lado uma grelha.

Assim, a energia solar, que incide directamente na alheta ou reflectida pela dita superfície reflectora, é concentrada nas ditas alhetas 10 e é transferida para o fluído, que circula no interior dos tubos de cobre 11 e nos colectores (12, 13) , que aquecem o fluido, que entra mais frio do que sai. Os tubos de entrada e saída 14, 15, 16 e 17 permitem uma grande flexibilidade de ligação de diferentes colectores (caixas).

Com a concretização descrita do presente invento, foi medida uma temperatura de estagnação acima da ambiente de, pelo menos, 165°C.

Na fig. 7 está representada uma outra concretização do invento, a qual compreende mais uma cobertura, uma película fina

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-10e transparente, de preferência, de teflon 18, disposta de modo tangencial aos topos superior dos vales centrais, a fim de reduzir as perdas por convecção, melhorando portanto o rendimento do colector. Foi medida uma temperatura de estagnação de, pelo menos, 185°C, acima da temperatura ambiente, com esta concretização de-,dupla cobertura.

Claims

1 - Colector de energia solar do tipo CPC, sem vácuo, para aquecimento de fluidos a temperaturas até 120°C, que compreende:

uma caixa rectangular (1), cuja altura é mais pequena do que a sua largura e o comprimento, que tem um fundo (6a), um topo (2), feito de material em chapa transparente, e quatro lados, que têm um perfil rígido vedado no topo (2) pela interposição de uma junta resiliente (4) apertada contra o perfil rígido por um perfil rigido adicional (5) , a caixa contém uma placa (7) de material de isolamento rígido directamente em contacto com a face interior do fundo (6a), estando a superfície de topo da placa (7) coberta por uma chapa reflectora, que forma uma superfície reflectora, configurada por diversos vales alongados (8, 8'), cada um dos quais é definido entre dois planos espaçados e paralelos ao fundo (6a), prolongando-se um dos planos, o inferior, para dentro da placa (7) e um dos planos, o superior, através do topo do vale, cada vale tem, quando visto em secção transversal, lados direito e esquerdo, os quais são imagens de espelho um do outro, sendo cada lado definido por uma curva, que tem início num ponto do dito plano superior e que define um arco parabólico (1-3) a partir do ponto inicial, prolongando-se a curva para o plano inferior e prolongando - se depois para o plano superior, encontrando a curva do lado esquerdo com a curva do lado direito num ponto de encontro (6) , um absorvedor (9) prolonga-se longitudinal e centralmente para dentro de cada respectivo vale (8, 8'), consistindo cada absorvedor numa alheta (10) com secção transversal em V invertido, revestida em ambos os lados e posicionada para evitar perdas ópticas, incluindo o absorvedor um tubo (11) para conter o fluido a ser aquecido, que se prolonga ao longo da alheta (10), caracterizado por:

75 973 cada curva ter a forma de um arco de um circunferência (1-6) entre o arco parabólico (1-3) o ponto de encontro (6) , prolongando-se o arco de circunferência (1-6) para ambos os lados do fundo da curva, o ponto de encontro (6) estar localizado numa linha (5-8) entre as extremidades do V invertido da alheta (10); e o tubo (11) estar localizado no lado da alheta (10) no seu lado virado para a superfície reflectora da chapa (7).

2 - Colector de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por existirem sete vales, sendo os dois vales mais exteriores (8) imagens de espelho um do outro e cada um ter o seu meios vale exterior truncado a uma altura que varia entre 0,70H e Ι,ΟΟΗ, e estando o seu meio vale interior, bem como os meios vales de todos os outros vales, truncados a uma altura que varia entre 0,60H e 0,70H.

3 - Colector de acordo qualquer das reivindicações 1 e 2, caracterizado por o ângulo do V de cada alheta (10) do absorvedor estar compreendido entre 90° e 180°, estando o seu vértice disposto na linha de simetria dos vales a uma altura que varia entre 0,30H e 0,60H.

4 - Colector de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por o dito ângulo ser de 120°.

5 - Colector de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por os dois meios vales mais exteriores terem ângulos de aceitação de 9a = ±74°, e por todos os outros meios vales terem ângulos de aceitação de 9a = ± 78°.

6 - Colector de acordo qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por as extremidades dos vales terem uma chapa de material reflector para diminuir os efeitos, que resultam das sombras produzidas, quando os raios solares incidem fora do plano meridiano.

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-3/37 - Colector de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o dito topo (2) ser feito numa chapa de vidro temperado e com baixo teor em ferro.

8 - Colector de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a alheta (10) ser feita em alumínio e o tubo (11) em cobre, sendo as suas superfícies revestidas com um revestimento selectivo do tipo Ni-negro.

9 - Colector de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a dita placa (7) de isolamento ser feita em espuma de poliuretano.

10 - Colector de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o dito fundo (6a) da caixa (1) ser feita numa chapa de PVC rígida e resistente aos raios ultravioleta.

11 - Colector de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por ser colocada, no interior da dita caixa (1), uma segunda cobertura (18) em película transparente, entre o topo (2) e a superfície reflectora (7').