PT103400B

PT103400B - Sistema de baixa pressão e de baixa temperatura para captação térmica de energia solar

Info

Publication number: PT103400B
Application number: PT103400A
Authority: PT
Inventors: Luis Henrique De Andre Godinho
Original assignee: Luis Henrique De Andre Godinho
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2008-01-25
Also published as: US20070151559A1; PT103400A; EP1798497A2; BRPI0605303A; AU2006252040A1

Abstract

O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM SISTEMA DE CAPTAÇÃO TÉRMICA DE ENERGIA SOLAR PARA AQUECIMENTO DE ÁGUA COMPOSTO BASICAMENTE POR UM SISTEMA DE PAINÉIS SOLARES, CONSTRUÍDOS A PARTIR DE PLACAS ESTRUTURADAS 23 COM LARGURA FIXA E COMPRIMENTO VARIÁVEL, E POR UM SISTEMA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA CONSTITUÍDO POR DOIS RESERVATÓRIOS GEMINADOS, UM PARA O ARMAZENAMENTO DE CALOR PROPRIAMENTE DITO 3 (PODERÁ SIMPLESMENTE CONTER ÁGUA PURA) E OUTRO 4 PARA CONTER O LÍQUIDO QUE CIRCULA NOS COLECTORES. O COLECTOR SOLAR 7 DESTES PAINÉIS É TRANSPARENTE SENDO O CALOR SOLAR ABSORVIDO DIRECTAMENTE PELO LÍQUIDO QUE NELE CIRCULA, O QUAL É OPACO À RADIAÇÃO. O RESERVATÓRIO 4 QUE CONTÉM ESTE LÍQUIDO ABSORSOR ENCONTRA-SE À PRESSÃO ATMOSFÉRICA RECEBENDO POR GRAVIDADE O LÍQUIDO QUE E BOMBEADO PARA OS PAINÉIS. QUANDO NÃO EXISTE RADIAÇÃO SOLAR SUFICIENTE, OU EM CASO DE AVARIA, A BOMBA DE CIRCULAÇÃO PÁRA E O LÍQUIDO ABSORSOR ESCORRE PARA O TANQUE 4. OS COLECTORES 7 FICAM ASSIM VAZIOS E TRANSPARENTES O QUE, POR UM LADO, EVITA QUE ESTES CONGELEM NO CASO DE TEMPERATURAS EXTERIORES MUITO BAIXAS E, POR OUTRO LADO, QUE SOBREAQUEÇAM NO CASO DE RADIAÇÃO EXCESSIVA. A BAIXA PRESSÃO E BAIXA TEMPERATURA DE FUNCIONAMENTO DESTE SISTEMA PERMITEM QUE O MESMO SEJA CONSTRUÍDO ESSENCIALMENTE A PARTIR DE MATERIAIS POLIMÉRICOS COM AS SIGNIFICATIVAS VANTAGENS QUE LHES ESTÃO ASSOCIADOS, TAIS COMO: SIMPLIFICAÇÃO DA PRODUÇÃO E DAS MONTAGENS, MELHOR ISOLAMENTO, MENOR PESO, REDUÇÃO DOS CUSTOS, ETC.

Description

SISTEMA DE BAIXA PRESSÃO E DE BAIXA TEMPERATURA PARA CAPTAÇÃO TÉRMICA DE ENERGIA SOLAR

Âmbito do invento presente invento diz respeito a um sistema de captação térmica de energia solar tal como definido na reivindicação 1.

Técnica anterior

São conhecidos muitos e variados sistemas de captação térmica de energia solar com colectores negros absorsores nos quais o calor é transferido por condução para um fluido que nele circula e que o transporta até aos pontos de consumo ou de acumulação. Porém, são relativamente poucos os que se baseiam no princípio inverso do colector transparente por onde se faz circular um liquido negro (black liquid) o qual, para além de elemento de transporte, funciona também como elemento absorsor da energia radiante incidente no painel. Entre estes salientamos os que são objecto das seguintes patentes:

A Patente US 3107052 diz respeito a um sistema transparente para recolha e dissipação de radiação térmica

-2que pode ser utilizado na construção de janelas para observação de fontes de intensa radiação térmica, como sejam fornos; o sistema é constituído por painéis colocados paralelamente entre os quais circula um fluido, também transparente à radiação visível, o qual absorve a radiação térmica e é depois arrefecido por circulação exterior ao painel, passando através de acumuladores ou dissipadores de calor.

A Patente US 3939819 refere-se a um painel para recolher energia térmica solar no qual uma caixa isolada posteriormente e com uma tampa transparente contém um enrolamento planificado (várias disposições apresentadas) de tubo transparente por onde se faz circular um líquido absorsor com negro de fumo em suspensão coloidal, vulgarmente chamado de líquido negro.

A Patente US 4134389 diz respeito a um painel solar para captação de energia térmica, constituído por placas transparentes, possuindo eventualmente uma camada de isolamento posterior com superfície reflectora; o liquido absorsor circula entre as folgas formadas pelo relevo das duas chapas posteriores quando justapostas, ou por canais maquinados directamente num bloco de plástico maciço; este painel tanto pode operar em modo activo ou passivo, isto é, ou o líquido absorsor circula e este fica opaco à radiação, ou o circuito é desligado esvaziando o painel, tornando-o assim transparente ou reflector.

-3Também as Patentes US 4158355, US 4170984 e US 4227514 se referem a painéis solares térmicos de tipo muito semelhante: caixa com tampa em chapa transparente, sistema colector com a frente transparente para utilização de liquido negro, e fundo isolante; estes variam apenas na disposição e na forma dos canais por onde circula o fluido absorsor, no tipo de escoamento e nas propriedades deste fluido com vista a optimizar a eficiência dos ditos painéis.

Esta solução, ao contrário das soluções objecto das patentes anteriormente mencionadas, refere-se a um sistema completo de absorção, transporte e armazenamento de energia térmica solar cujo objectivo principal é permitir uma redução drástica de custos de produção e simplificação da instalação pela possibilidade de utilização de materiais poliméricos sem comprometer a eficiência e a longa duração, superior a dez anos, que tem de ser garantida a estes sistemas.

O calor é gerado quando existe radiação solar mas, regra geral, este será mais utilizado quando essa radiação é menor ou mesmo inexistente. Assim, torna-se evidente que o armazenamento da energia para utilização posterior é tão importante quanto a sua recolha.

Por isso, o painel, o sistema de transporte e a acumulação da energia, por estarem interligados e interdependentes, não podem ser vistos isoladamente pois

-4tanto os níveis de pressão como os de temperatura no sistema dependem das caracteristicas do conjunto e não apenas de um componente em particular.

Pressão e temperatura: estas são as principais limitações dos materiais poliméricos que condicionam a sua aplicação em sistemas de captação e armazenamento de energia térmica solar. A pressão induz tensões no plástico fazendo com que as suas cadeias poliméricas tendam a escorregar umas pelas outras conduzindo a deformações irreversíveis e, finalmente, à rotura. Este fenómeno designa-se por fluência e é fortemente dependente do tempo e da temperatura.

A temperatura aumenta a agitação molecular diminuindo a força que liga as cadeias poliméricas entre si, facilitando o seu escorregamento irreversível (fluência), como também acelera as reacções de oxidação que destroem a própria cadeia e conduzem à degradação do polímero, particularmente na presença de radiação ultravioleta. Por outro lado, eventuais ligações químicas cruzadas que ligam as cadeias umas às outras podem ser quebradas por um excesso de tensão e temperatura.

A combinação das temperaturas elevadas que são normalmente atingidas nos colectores tradicionais quando o sistema pára sob intensa radiação, vulgarmente designada por temperatura de estagnação, e a pressão da rede, a qual pode por vezes exceder os 5Kg/cm2, torna-se excessiva para os polímeros mais comuns e económicos, limitando fortemente a durabilidade dos componentes onde eles são utilizados.

Este invento permite construir um sistema que funciona a baixa pressão e que, mesmo em caso de avaria, se proteja a si próprio esvaziando o painel e impedindo que a temperatura suba a valores que possam acelerar a degradação dos seus componentes.

Pretende-se ainda que o sistema seja construído pensando no futuro desmantelamento e reaproveitamento (reciclagem) dos seus materiais.

Breve descrição dos desenhos

A descrição que se segue baseia-se nos desenhos anexos apresentados sem qualquer carácter limitativo. Nos desenhos:

A Figura 1 representa um esquema simplificado do conjunto que compõe o sistema objecto do invento;

A Figura 2 representa um corte transversal do painel solar (7) considerado no sistema objecto do invento.

Descrição detalhada do invento

Conforme se pode observar pelas figuras anexas, o sistema de captação e armazenagem de energia térmica solar é composto por vários elementos distintos que constituem e suportam circuitos independentes com funções específicas.

-6O elemento central do sistema é constituído por um tanque (1) revestido por uma camada isolante (2), do tipo lã mineral ou qualquer outro material, polimérico ou não, com baixa condutibilidade térmica, tanque este que está dividido em dois compartimentos separados (3) e (4) os quais armazenam dois líquidos distintos: o reservatório maior (3) , contém água ou qualquer outro fluido apropriado e serve para armazenar a energia térmica e distribui-la quando e onde esta for necessária; o reservatório menor (4) contém o líquido absorsor, que pode ser uma suspensão coloidal de negro de fumo em água, fluido este que irá passar pelo colector (7), recolher a energia solar nele incidente e, ao atravessar o permutador de calor (8) no seu regresso ao reservatório (4) , cedê-la ao fluido de acumulação contido no reservatório (3).

A localização do compartimento do fluido absorsor (4) por debaixo do compartimento de armazenamento (3), em vez da disposição lado a lado tal como representada na Figura 1, será mais vantajosa do ponto de vista termodinâmico embora possa eventualmente apresentar maiores dificuldades de execução prática e, eventualmente, um custo mais elevado.

O sistema compreende três circuitos principais e o seu funcionamento será melhor explicado pela descrição individual de cada um destes circuitos:

O circuito de captação de energia térmica solar compreende o reservatório (4) do fluido absorsor, o qual se encontra à pressão atmosférica, com um volume de ar (5) na sua parte superior; este fluido opaco às radiações solares é bombeado para a parte superior dos painéis solares (7) pela bomba eléctrica (6) a qual tanto pode ser alimentada pela energia da rede como pela energia fornecida por painéis fotovoltaicos; o fluido percorre os painéis (7) de cima para baixo aquecendo no percurso por absorção da radiação solar e, por acção da gravidade, regressa ao reservatório (4) não sem antes atravessar o permutador de calor (8) onde cede a energia recolhida nos painéis ao fluido de contido no reservatório (3). Quando a bomba de circulação (6) pára, seja por que razão for, o fluido que na altura se encontra nos painéis (7) regressa automaticamente por gravidade ao reservatório (4), ficando então os painéis cheios com o ar que se encontrava no espaço superior (5) do reservatório.

A bomba de circulação (6) só arranca quando o sensor que se encontra no painel indicar que existe radiação solar suficiente para aquecer o líquido absorsor e o sensor instalado na parte inferior do reservatório de acumulação (3) indicar que a temperatura ali é suficientemente baixa para receber o calor a ser recolhido nos painéis.

Por outro lado, a bomba de circulação (6) pára quando: a) falta a energia ou a bomba avaria ou; b) o fluido absorsor à entrada do permutador de calor (8) está acima de uma temperatura pré-determinada que pode comprometer a integridade e/ou a duração dos componentes deste circuito ou; c) falta a radiação solar e o calor recolhido nos painéis (7) e transportado pelo fluido absorsor não irá incrementar significativamente a quantidade de calor já armazenada no fluido contido no reservatório de acumulação (3). Em qualquer destes casos, os painéis (7) esvaziam-se, ficando transparentes ou reflectores, pelo que não existe risco dos mesmos congelarem ou sobreaquecerem.

Temos depois o circuito de acumulação e distribuição do calor o qual tem, como elemento principal, o reservatório de acumulação (3), que pode não ser pressurizado; este recebe, através do permutador (8) , o calor recolhido pelo circuito de absorção ou, eventualmente e quando necessário, o calor gerado pelo sistema de apoio (9) o qual pode utilizar energia eléctrica, gás, ou qualquer outra fonte de energia disponível e adequada.

fluido de acumulação contido no reservatório (3) , eventualmente água pura, pode ser utilizado para distribuir o calor nele armazenado através de circuitos com bomba de circulação (10) e radiadores (11) para aquecimento ambiente de baixa temperatura como, por exemplo, sistemas de aquecimento no soalho.

Como é natural, este acumulador de calor será dimensionado em função do armazenamento de energia necessário para suprir um determinado consumo médio, assim como o circuito de absorção de energia térmica solar, ou

-9seja, a área de painéis (7), terá de estar equilibrado com o acumulador a que está ligado.

Por fim, temos o circuito de água quente para consumo que é pressurizado à pressão de distribuição de água da rede; a água vem directamente da rede (12) e passa pelo permutador de calor (13) mergulhado no fluido de acumulação contido no reservatório (3), onde é pré-aquecida antes de passar pelo sistema de aquecimento de apoio (14) e seguir para os diversos pontos de consumo;

Este circuito de água quente para consumo é independente de qualquer dos outros dois circuitos pelo que a água que nele circula, geralmente potável, não corre o risco de ser contaminada por qualquer fluido de acumulação ou de absorção que possa ser utilizado no sistema.

Nada impede que, por razões práticas e de economia, os dois sistemas de aquecimento de apoio (9) e (14) possam estar agrupados num mesmo aparelho.

A Figura 2 representa um corte transversal de uma solução construtiva possível para os painéis solares considerados no circuito de absorção deste sistema. Este painel é constituído por um caixilho (20) que pode ser construído a partir de um ou mais perfis normalizados de alumínio, plástico, ou qualquer outro material adequado.

-10Este perfil do caixilho fixa o bordo de três placas produzidas a partir de material polimérico. A placa superior (21) será necessariamente transparente e pode ser estruturada com alvéolos dispostos longitudinalmente como representado na figura. Para melhor vedação, no bordo da placa pode ser colocado um perfil flexível (22) com uma forma adequada.

A placa central (23) é transparente e constitui o colector propriamente dito; esta placa é estruturada com alvéolos dispostos longitudinalmente e pode ser obtida por extrusão de um material polimérico transparente como seja o policarbonato; nos topos desta chapa ajustam, por encaixe, as ligações do fluido absorsor, entrando este pela ligação superior, descendo por gravidade por dentro dos alvéolos da placa e saindo pela ligação inferior de volta ao reservatório.

fluido absorsor pode descer por todos os alvéolos da placa colectora (23), tornando-a opaca, ou apenas por alvéolos alternados o que se consegue tapando os topos dos alvéolos que devem permanecer vazios (25); esta solução, para além de tornar o painel semi-opaco, aumenta o rendimento da absorção pois os canais por onde circula o fluido (24) recebem radiação não apenas na sua face frontal mas também nas faces laterais; para travar o fluxo do fluido e promover alguma turbulência e uniformidade na sua exposição e temperatura, podem ser introduzidos nos canais por onde circula o fluido absorsor (24) cordões em espiral

-11produzidos por extrusão de um material que pode ser transparente, idêntico ao da chapa colectora.

As caracteristicas isolantes do painel aumentam quando o fluido absorsor deixa de circular e este é substituído por ar nos canais do colector.

A placa do fundo (28) , a qual pode ser alveolar para melhoria da sua rigidez e caracteristicas de isolamento, assim como para redução de peso, suporta uma placa isolante (26) cuja função é reduzir as perdas térmicas do painel para o exterior, placa isolante esta que possui uma face reflectora (27) para melhorar a eficiência do colector em funcionamento e reflectir a radiação quando este se encontra vazio, evitando assim as elevadas temperaturas de estagnação dos colectores tradicionais. A face reflectora (27) do isolamento fica plenamente visível quando a circulação do fluido absorsor pára e pode ter cores variadas e diversas, incluindo imagens, representando uma mais valia estética para o painel. Esta variação de cores pode também ser conseguida pela utilização de líquidos absorsores coloridos, incluindo translúcidos e até mesmo transparentes à radiação visível.

A não	utilização da placa isolante (26), aliada	à
utilização de	uma placa do	fundo	(28) em material
transparente,	permite obter	painéis	translúcidos	e
transparentes à	radiação quando	o liquide	' absorsor deixa	de
circular e o	painel fica	vazio.	Para aumentar	a

-12transparência dos painéis, tanto a placa frontal (21) como a do fundo (28), em vez de estruturadas, podem ser maciças.

Tanto a placa frontal (21) como a do fundo (28) podem estar alojadas no caixilho (20) com um perfil de vedação, (22) e (29) , com uma secção adequada e produzido a partir de um material elastomérico resistente à radiação, tipo EPDM.

A chapa superior (21), o colector (23), a placa isolante (26) e a placa do fundo com uma largura normalizada e (28) podem ser produzidas cortadas apenas no seu comprimento na dimensão longitudinal requerida para o painel. Esta solução construtiva permite obter painéis de baixo custo a partir de elementos normalizados, com excelentes características isolantes e de duração já comprovada, podendo estes painéis, para além da sua função na captação de energia térmica solar, substituir com inúmeras vantagens diversos elementos tradicionais de cobertura e de revestimento exterior utilizados na construção civil.

Claims

1. Sistema de captação térmica de energia solar para aquecimento de fluidos constituído por um a) circuito de captação de energia térmica solar através de um fluido absorsor que circula a baixa pressão nos alvéolos longitudinais de colectores 7 construídos a partir de placas estruturadas 23 transparentes, por um b) circuito de armazenamento e distribuição dessa energia térmica, também em baixa pressão, e por um c) circuito de água quente para consumo à pressão da rede de abastecimento, caracterizado por:

o referido circuito de captação funcionar a baixa pressão;

- o fluido absorsor ser bombeado para a parte superior dos colectores e daí escoar por gravidade de regresso ao tanque 4;

- a baixa temperatura dado que o único elemento negro e o mais quente do sistema é o fluido absorsor que recolhe e transporta o calor para fora do painel; quando o circuito pára, seja por avaria, por ausência de radiação ou por excesso de temperatura, o colector 7 esvazia-se ficando transparente e/ou reflectindo a radiação nele incidente;

o referido circuito de captação, funcionando a baixa pressão e a baixa temperatura, permitir que na sua construção sejam utilizados materiais poliméricos, com segurança e durabilidade, controladas e garantidas;

- o referido circuito de captação possuir os colectores 7 alojados em painéis construídos a partir de componentes, como sejam placas, perfis, etc., normalizados de baixo custo, fácil montagem, excelentes propriedades isolantes e comprovada duração quando submetidos à radiação solar;

- o referido circuito de armazenamento e distribuição de energia térmica poder funcionar também a baixa pressão o que reduz o custo de produção dos reservatórios e minimiza fugas do fluido nos circuitos de distribuição do calor;

- o referido circuito de água quente para consumo funcionar à pressão da rede de distribuição e ser constituído por um permutador de calor 8 que pré-aquece a água da rede a partir do calor acumulado no circuito de armazenamento, sem possibilidade de contaminação da água da rede por não existir qualquer contacto entre esta e os fluidos de captação (absorsor) e de armazenamento/ distribuição.

2. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por permitir construir sistemas modulares e integrados de colectores/acumuladores de baixa pressão e baixa temperatura em que a capacidade de acumulação de calor do reservatório 3, a qual é definida a partir do perfil de consumo energético da instalação, é equilibrada com a área de colectores solares 7 a instalar e esta, por sua vez, determina o volume do reservatório de fluido absorsor 4.

3. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por possuir colectores 7 de baixo custo os quais, para além da sua função de captação da energia solar, podem funcionar na construção como elementos isolantes de elevada eficiência substituindo telhas nas coberturas e revestimentos nas paredes exteriores dos edifícios.

4. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por possuir painéis que ficam translúcidos quando o fluido absorsor deixa de neles circular e se esvaziam, permitindo utilizar diferentes cores ou imagens na película reflectora 27 por detrás do colector, conferindo-lhes assim uma mais valia do ponto de vista estético e/ou promocional.

5. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com as reivindicações 1, 3 e 4, caracterizado por utilizar um fluido absorsor a circular por um colector 7 transparente, fluido este que pode ter outras cores que não o negro ou até, sendo opaco à radiação infra-vermelha, ser transparente à radiação visível.

6. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com as reivindicações 1 e 5, caracterizado pelos seus painéis, sem a placa isolante interna, poder ser translúcido deixando passar a radiação solar quando esta for reduzida ou, fazendo circular o fluido absorsor no colector, aumentar a sua opacidade isolando o interior da construção do excesso de calor ao mesmo tempo que este excesso de energia térmica é armazenado para posterior consumo/distribuição.

7. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com as reivindicações 1, caracterizado por o fluido absorsor poder descer por todos os alvéolos da placa colectora 23, tornando-a opaca, ou apenas por alvéolos alternados o que se consegue tapando os topos dos alvéolos que devem permanecer vazios 25 solução esta para, além de tornar o painel semi-opaco, aumenta o rendimento da absorção pois os canais por onde circula o fluido 24 recebem radiação não apenas na sua face frontal mas também nas faces laterais.

8. Sistema de captação térmica de energia solar, de acordo com as reivindicações 1 e 7, caracterizado por a velocidade do fluxo do fluido poder ser travada e introduzida alguma turbulência e uniformidade na sua exposição e temperatura desde que se introduzam nos canais por onde circula o fluido absorsor 24 cordões em espiral produzidos por extrusão de um material que pode ser transparente, idêntico ao da chapa colectora 23.