PT2564127E - Dispositivo e método de armazenamento e transferência de energia térmica - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO E MÉTODO DE ARMAZENAMENTO E TRANSFERENCIA DE

ENERGIA TÉRMICA

Campo da invenção A presente invenção refere-se a um dispositivo de armazenamento e transporte de energia térmica, em particular de origem solar, preferencialmente para uma utilização subsequente ou simultânea da mesma para a produção de energia elétrica.

Antecedentes da invenção É conhecido por armazenar energia solar para utilização subsequente, concentrada por helióstatos fixos ou de seguimento, num recetor que consiste num bloco de material com uma condutividade térmica alta (habitualmente grafite). Esse bloco inclui geralmente uma cavidade orientada de forma adequada, na qual os referidos helióstatos são direcionados. Além disso, o bloco de recetor é habitualmente associado a um permutador de calor que tem conjuntos de tubos imersos no mesmo bloco e atravessados por um fluido de trabalho - ou fluido portador, normalmente água, no estado liquido ou de vapor a uma temperatura elevada. 0 calor armazenado no bloco de recetor é transferido para esse fluido de trabalho para produzir vapor ou calor para instalações industriais.

Num sistema de armazenamento de energia solar no bloco de grafite do tipo descrito acima, as temperaturas envolvidas podem variar entre 400 °C e 2000 °C. O limite de temperatura superior é delimitado pela resistência térmica do permutador de calor e, em particular, pelos conjuntos de tubos do mesmo. Em particular, em relação à diferença de temperatura entre o fluido de entrada e os tubos do permutador, as condições termodinâmicas do fluido podem alterar-se tão rapidamente para criar tensões fortes do metal do tubo (choques térmicos e mecânicos) , de modo a submeter os permutadores de calor a condições físicas extremas, com o risco de tensões internas excessivas e rutura subsequente.

Além disso, uma dificuldade dos sistemas descritos é a garantia da continuidade relativamente à quantidade de calor removido pelo acumulador, uma vez que a etapa de armazenamento está associada às condições atmosféricas e aos ciclos diurnos/noturnos. Por conseguinte, os sistemas conhecidos são poucos versáteis em termos de capacidade de adaptação aos requisitos de energia a jusante.

Além disso, em geral, os sistemas conhecidos não são otimizados em termos de eficiência de utilização e conversão da energia elétrica de entrada. 0 documento US 4.384.569 divulga um sistema de armazenamento/coletor de energia solar, em que um fluido de trabalho circula numa conduta num recipiente cheio com um material endotérmico poroso e sólido. 0 documento US 2009/322089 divulga uma unidade de armazenamento e de receção de energia solar com um núcleo de material refratário e um ou mais canais de fluido dentro do núcleo. O documento US 4.401.103 divulga um aparelho de conversão de energia solar com uma câmara de armazenamento e meios para a circulação de um fluido entre um alvo solar e a câmara.

Sumário da invenção

Por conseguinte, o problema técnico na base da presente invenção é a superação das desvantagens mencionadas relativamente ao estado da técnica. 0 problema acima é resolvido por intermédio de um dispositivo de acordo com a reivindicação 1, através de uma instalação, preferencialmente para a produção de energia, compreendendo a mesma, e por intermédio de um método de acordo com a reivindicação 17. 0 objetivo das reivindicações independentes 1 e 17 difere do documento US4384569 no sentido em que o armazenamento de energia térmica corresponde a um leito de partículas e em que, em utilização, o gás de fluidificação move as partículas do leito causando ou encorajando uma troca de calor entre as próprias partículas e os conjuntos de tubos.

As características preferidas da invenção estão incluídas nas reivindicações dependentes.

Uma vantagem importante da invenção consiste no facto de permitir a obtenção de um armazenamento de energia térmica de origem solar de uma forma eficaz e fidedigna, minimizando as tensões térmicas dos permutadores e aumentando a eficiência de troca de calor para o fluido portador, graças à utilização de um leito granular fluidificável que possa realizar uma função dupla de armazenamento de calor e portador térmico. Na base dessa utilização existem as características favoráveis de troca térmica dos leitos fluidificados e de transmissão convectiva eficaz do calor a seguir à mobilidade da fase granular. Ambas estas características estão associadas à possibilidade de transmitir um comportamento reológico a um sólido granular que seja comparável ao de um fluido, efetivamente graças à fluidificação do mesmo.

Além disso, graças à possibilidade de fluidificação controlada e seletiva do meio de armazenamento granular, são garantidas uma melhor continuidade de extração de calor e uma capacidade otimizada de adaptação aos requisitos de energia a jusante.

Além disso, é possível uma maior flexibilidade na produção de energia queimando combustível gasoso dentro do leito fluidificado, tal como será melhor explicado na descrição detalhada das formas de realização preferidas apresentadas em seguida.

Outras vantagens, características e os métodos de utilização da presente invenção serão apresentados de forma clara na seguinte descrição detalhada de algumas formas de realização da mesma, ilustradas como um exemplo não limitativo.

Breve descrição das figuras

Convém consultar as figuras em anexo, em que: a Fig. 1 ilustra um diagrama de um sistema que incorpora uma forma de realização preferida de um dispositivo de armazenamento e transmissão de energia térmica de acordo com a invenção, equipado com uma única cavidade de receção;- a Fig. la ilustra uma vista em planta do dispositivo da Fig. 1, que mostra a modularidade de um leito fluidificável de partículas do mesmo dispositivo; a Fig. 2 ilustra um diagrama de um sistema relacionado com uma primeira versão de forma de realização do dispositivo da Fig. 1, equipado com múltiplas cavidades de receção; a Fig. 3 ilustra um diagrama de um sistema relacionado com uma segunda versão de forma de realização do dispositivo da Fig. 1, em que o leito f luidif icável de partículas é exposto diretamente a uma cavidade de receção e é fornecido um outro meio de armazenamento de bloco, disposto no perímetro do referido leito fluidificável; a Fig. 4 ilustra um diagrama de um sistema relacionado com uma terceira versão de forma de realização do dispositivo da Fig. 1, em que o leito fluidificável de partículas é exposto diretamente a múltiplas cavidades de receção e é fornecido um outro leito fluidificado para transferir o calor para os tubos de um permutador; a Fig. 5 ilustra um diagrama de um sistema relacionado com uma quarta versão de forma de realização do dispositivo de armazenamento da Fig. 1, com um leito f luidif icável duplo como na Fig. 4, mas com uma única cavidade de receção central; e a Fig. 6 ilustra um dispositivo do tipo apresentado nas figuras anteriores inserido num sistema não equipado com uma combustão de gás combustível e que tem um circuito fechado de um gás de fluidificação.

Descrição detalhada das formas de realização preferidas

Relativamente primeiro às Figuras 1 e la, um dispositivo de armazenamento e transferência de energia térmica de acordo com uma forma de realização preferida da invenção é ilustrado, como exemplo, inserido numa instalação para a produção de energia elétrica indicado globalmente com o número de referência 100. O sistema 100 compreende um ou mais dispositivos de armazenamento e transferência de energia térmica, um dos quais sendo indicado globalmente com o número de referência 1 (para facilitar, a Figura 1 apenas mostra um dispositivo). O dispositivo 1 tem capacidade para armazenar a energia térmica que provém de uma radiação solar aí transmitida/concentrada, por exemplo, por helióstatos fixos ou de seguimento. 0 dispositivo 1 compreende uma caixa de contenção 2 preferencialmente de metal e ai isolada de forma térmica, de modo a minimizar a dispersão de calor para o ambiente exterior. A caixa 2 inclui uma cavidade 20 onde a energia solar se concentra. É obtida uma entrada de alimentação 21 em direção à caixa 2 para um gás de f luidif icação, cuja função será clarificada mais à frente.

Numa parte superior da caixa 2, o dispositivo 1 inclui uma via de saída 5 para o meio de f luidif icação, cuja função será igualmente neste caso clarificada mais à frente.

No presente exemplo - e tal como é melhor ilustrado na Fig. la - o dispositivo 1 tem uma geometria totalmente cilíndrica, com a cavidade 20 disposta centralmente e com um desenvolvimento a partir do topo.

Um meio de armazenamento 30 está disposto na caixa 2, preferencialmente na forma de um bloco de grafite monolítico ou compreendendo grafite, e obtido por exemplo através da compactação de material granular. Na presente forma de realização, o meio de armazenamento 30 encontra-se apenas na cavidade 20 para definir as paredes periféricas da mesma e, deste modo, ser diretamente invadido pela radiação solar concentrada na mesma cavidade 20.

Na entrada da cavidade 20 pode existir uma chapa 13 de um material substancialmente transparente, preferencialmente quartzo. Preferencialmente, a chapa 13 é tratada de forma adequada de modo a ser permeável à radiação solar que entra na cavidade e impermeável à radiação infravermelha que sai da mesma. Por conseguinte, a chapa 13 tem a função de isolar a cavidade de receção 20 do ambiente exterior, minimizando as perdas devido à radiação a partir do interior do dispositivo 1.

As paredes da cavidade 20 também podem ter um revestimento de metal 31 ou um revestimento equivalente -ilustrado de uma maneira meramente esquemática na Figura 1 - que protege o meio de armazenamento 30 da oxidação e, opcionalmente, retém uma possível dispersão de partículas finas provenientes do mesmo meio de armazenamento, por exemplo, se for utilizada grafite exposta a poeira.

As formas de realização diferentes podem fornecer um material diferente para o bloco de armazenamento acima 30, desde que o mesmo tenha uma capacidade e uma condutividade térmica alta que permitam uma rápida difusão de calor dentro do mesmo bloco e uma maximização da quantidade de calor armazenado.

De acordo com a invenção, existe um leito fluidificável de partículas no interior da caixa 2 e circunscrito ao bloco de armazenamento monolítico 30, indicado globalmente com o número de referência 3. As partículas do leito 3 também são apropriadas para o armazenamento de energia térmica e são feitas de um material adequado para o armazenamento térmico e de acordo com as características preferidas descritas mais à frente.

Os conjuntos de tubos 4 de um permutador de calor, que em utilização são atravessados por um fluido de trabalho, são dispostos no leito de partículas 3, ou nas proximidades do mesmo.

Conforme mencionado acima, a entrada 21 do dispositivo 1 é adequada para permitir a entrada na caixa 2 - e especificamente através do leito de partículas 3 - de um gás de fluidificação, habitualmente ar. Em particular, toda a disposição é de modo a que o gás possa mover as partículas do leito 3 para gerar um fluxo/movimento correspondente de partículas adequado para a troca de calor entre as partículas e os conjuntos de tubos 4.

Na entrada 21 existe um septo de distribuição do gás de fluidificação adequado para permitir a entrada do último, ao mesmo tempo que garante um suporte para o leito de partículas 3.

Um separador de poeira 6, habitualmente com elementos de impacto por inércia ou dispositivos equivalentes com baixas perdas de carga e funcionamento ciclónico, é colocado consoante a via de saída 5 e anula a pulverização do gás de saída devolvendo as partículas separadas do gás dentro da caixa 2. A posição dos conjuntos de tubos 4 em relação ao leito de partículas, ou melhor, a exposição da superfície do tubo em relação ao leito de partículas, é de modo a maximizar a quantidade de calor trocado, o último sendo proporcional ao produto do coeficiente de troca térmica e da superfície envolvida na mesma troca térmica.

Os conjuntos de tubos 4 podem ser imersos ou parcialmente imersos no leito de partículas 3 (como no exemplo da Figura 1) ou voltados para o mesmo. A escolha depende dos modos de gestão a utilizar para o dispositivo e da altura mínima e máxima do leito de partículas na variação da velocidade do gás de fluidificação. Em particular, à medida que essa velocidade aumenta, a superfície do conjunto de tubos envolvida na troca térmica aumenta.

Tal como é ilustrado na Figura la, o leito de partículas 3 divide-se preferencialmente em múltiplas secções, opcionalmente em partições 330, com uma estrutura modular que permite uma fluidificação seletiva do mesmo, através de uma compartimentação da área de fluidificação e da introdução do gás apenas nas partes do leito que podem ser selecionadas de acordo com os requisitos de funcionamento específicos. A introdução do gás de fluidificação na entrada 21 do dispositivo 1 ocorre através do meio de alimentação da instalação 100 que compreende vias de alimentação 210 ligadas ao meio de circulação forçada 8, habitualmente um ou mais ventiladores. Em particular, o meio de alimentação define um circuito que recolhe o gás, preferencialmente ar do ambiente, que entra na entrada 21 do dispositivo 1 e a jusante do mesmo, através da via 5, até ao meio de anulação da pulverização 6 e um permutador 7 para pré-aquecer o fluido de trabalho. Um tubo de distribuição 14, ou caixa de ar, é ainda fornecido à entrada do gás de fluidificação. 0 meio de alimentação pode ser controlado seletivamente para alterar a velocidade do gás de fluidificação e, deste modo, o coeficiente de troca térmica total entre as partículas do leito 3 e os conjuntos de tubos 4.

Na realidade, ao alterar a velocidade de passagem do gás, é possível controlar e modificar o coeficiente de troca térmica total do leito fluidificado para o bloco de armazenamento e o fluido de trabalho, com a flexibilidade consequente no ajuste da quantidade de potência térmica transferida. Este efeito é especialmente útil para ajustar a quantidade de calor transferido do meio de armazenamento para o fluido de trabalho através do leito de partículas, devido às condições de radiação solar que dependem da carga necessária. A condição de fluidificação do leito de partículas é preferencialmente a ebulição, ou qualquer uma que maximize o coeficiente de troca térmica e minimize a transmissão de partículas finas no gás de fluidificação. Para tal, a escolha do material das partículas do leito baseia-se nas características térmicas de condutividade térmica alta e difusibilidade do material que constitui as mesmas partículas e, em particular, na baixa abrasividade para satisfazer a necessidade de minimizar o fenómeno de erosão do bloco de armazenamento e das partículas do mesmo leito, de modo a limitar a produção e transmissão de partículas finas para o gás de fluidificação. Com base nestas observações, uma configuração preferida privilegia a utilização, para as partículas do leito 3, de material granular inerte à oxidação, com um formato regular, preferencialmente esferoide e/ou preferencialmente com uma dimensão que varie entre 50 e 200 mícrones; e de modo a que a referida dimensão seja preferencialmente natural, isto é, não resulte da agregação de partículas mais pequenas.

Quando necessário, é possível fornecer uma superfície de um material com uma condutividade térmica alta 32 para proteger a parte do bloco de armazenamento envolvida na ação do leito de material granular.

Relativamente ao fluido de trabalho, no presente exemplo e na configuração preferida, trata-se de água que, ao atravessar os conjuntos de tubos 4 e através do efeito do calor trocado no leito fluidificado, é vaporizada. O circuito do fluido de trabalho está munido de vias 90 que definem os conjuntos de tubos 4 no dispositivo 1 e, no exemplo apresentado na Fig. 1, fornecem uma turbina de vapor 10 ligada a um gerador de energia elétrica, um condensador 11, uma bomba de alimentação 12 e o permutador de calor 7 que funciona como pré-aquecedor.

Todo o dispositivo 1 é isolado de forma térmica, e se os materiais que constituem o bloco de armazenamento 30 e/ou o leito de partículas 3 não forem inertes ao ar (isto é, podem estar sujeitos a fenómenos de oxidação), é necessária a evacuação do ar do ambiente interior do dispositivo 1 e/ou uma ligeira sobrepressão do ambiente interior obtida com um gás inerte. Nesse caso, o gás de fluidificação do leito de partículas tem de ser inerte e o circuito de alimentação do referido gás é fechado, conforme ilustrado na Fig. 6. O dispositivo 1 está equipado com um sistema para fechar a cavidade de receção (sistema não ilustrado na figura), isolada de forma térmica, o que impede a dispersão da energia térmica a partir da mesma cavidade para o ambiente exterior. Esse sistema de fecho, opcionalmente automático, é acionado durante a noite.

Numa forma de realização diferente, o dispositivo de armazenamento 1 é associado a um refletor/concentrador secundário, não ilustrado nas figuras, posicionado na entrada da cavidade 20 e, deste modo, em torno da entrada da caixa 2 que permite o acesso da radiação concentrada pelos helióstatos.

Esse refletor secundário, graças a uma superfície de espelho interior num formato adequado de, por exemplo, um perfil parabólico ou hiperbólico, permite a recuperação de uma parte da radiação refletida que não alcança a cavidade 20. Na realidade, uma parte da radiação refletida pelos helióstatos, por motivos que se devem a imperfeições das superfícies e/ou à intenção das mesmas, não entra na cavidade e, por conseguinte, pode perder-se.

Uma alternativa possível consistirá na obtenção de uma entrada mais larga da cavidade: contudo, esta solução aumentará consideravelmente a radiação da mesma cavidade para o ambiente exterior, resultando na perda de uma parte considerável da potência. A utilização de um concentrador secundário também permite libertar os limites de conceção relativamente à precisão da curvatura do helióstato, o que provoca uma variação da dimensão do feixe luminoso refletido no recetor. Além disso, a utilização do referido concentrador secundário permite utilizar helióstatos planos, com uma área que não exceda a superfície de entrada. Este aspeto influencia muito o custo total da tecnologia: os espelhos planos são muito pouco dispendiosos e o custo dos helióstatos representa habitualmente mais de metade do custo total de um sistema. A orientação do concentrador local descrita acima segue a orientação e a posição da cavidade voltada para o campo do helióstato. A utilização conjunta da já mencionada chapa de quartzo 13, ou outro material transparente, e do concentrador secundário, disposto na entrada da cavidade de receção, é particularmente vantajosa, uma vez que ambos contribuem para o aumento do fator de absorção da energia solar disponível.

Com base noutra forma de realização diferente referida na Figura 2, o dispositivo da invenção - aqui indicado com o número de referência 102 e inserido numa instalação 101 -pode ser munido de múltiplas cavidades de receção, em que duas cavidades 201 e 202 são ilustradas na figura para o exemplo descrito. A presença de múltiplas cavidades de receção permite suavizar os fluxos térmicos que afetam as paredes interiores da cavidade única e diminuir as temperaturas de funcionamento, aumentando a competitividade e o desempenho dos materiais utilizados como revestimento de cavidade. Neste caso, as características descritas acima relativamente à forma de realização das Figuras 1 e la para a cavidade única 20 são iguais para cada uma das cavidades 201 e 202.

Ao contrário do dispositivo de armazenamento descrito relativamente à Figura 1, o dispositivo 102 permite que o leito de partículas 3 seja disposto centralmente e que o bloco de armazenamento monolítico ou granular, indicado com o número de referência 301, seja disposto na lateral em relação ao leito.

Ao longo da linha do fluido de trabalho da instalação 101 existe um desgaseificador 40 com uma bifurcação para a turbina 10 e, a montante do mesmo, uma bomba de extração 120 ou um meio equivalente.

Em relação ao resto, o dispositivo 102 e o sistema 101 são semelhantes aos já descritos relativamente à Figura 1.

Relativamente à Figura 3, uma outra forma de realização diferente do dispositivo da invenção, indicado com o número de referência 104 e inserido num sistema 103, permite que o material granular que constitui o leito fluidificável 3 receba a energia térmica solar diretamente das superfícies da cavidade de receção 20 e, por conseguinte, sirva de meio de armazenamento para além de funcionar como portador térmico. Qualquer material de armazenamento adicional possível, indicado com o número de referência 300, pode ser posicionado no perímetro do leito fluidificável. Nesta configuração, o leito de partículas, quando fluidificado, retira energia térmica das paredes da cavidade de receção e transfere-a para o conjunto de tubos 4 do permutador de calor e para as superfícies do meio de armazenamento 300, se fornecido. Conforme já referido, a velocidade de transferência do calor, isto é, o coeficiente de troca térmica, é regulada pela velocidade do ar de fluidificação.

Na presença de radiação solar, a energia solar concentra-se na cavidade 20 e, através da fluidificação do leito de partículas, a energia térmica é parcialmente transferida para os tubos do permutador 4 e parcialmente para o meio de armazenamento 300. A direção de transferência do calor é da cavidade 20 para o leito de partículas 3 e, por isso, para o permutador 4 e para o meio de armazenamento 300, os mesmos estando a uma temperatura inferior à do material granular 3 e em contacto direto com a cavidade 2 0.

Na ausência de energia solar, por exemplo durante a noite, ao fluidificar o leito de partículas 3, a passagem de calor ocorre do meio de armazenamento 300 para as partículas do leito 3 e, por isso, para os tubos 4 do permutador, assegurando a continuidade do funcionamento e da distribuição de vapor e, por conseguinte, da potência térmica do dispositivo. Deste modo, na ausência de energia solar concentrada na cavidade de receção 20, a direção de transferência do calor inverte-se do meio de armazenamento, que tem energia térmica armazenada transferida através da fluidificação do leito de partículas durante as horas de isolamento, em direção às partículas do mesmo leito, isto é, para os tubos do permutador de calor.

Em relação ao resto, o dispositivo 104 e o sistema 103 da Figura 3 são semelhantes aos já descritos relativamente às Figuras 1 e 2.

Relativamente à Figura 4, uma outra forma de realização diferente do dispositivo da invenção, indicado com o número de referência 106 e inserido numa instalação 105, inclui um primeiro e um segundo leitos fluidificáveis, indicados respetivamente com os números de referência 304 e 305, em que o primeiro está disposto de forma concêntrica em relação ao segundo, e com a função do meio de armazenamento e do portador térmico, respetivamente.

Sempre relativamente à Figura 4, o material granular que constitui o primeiro leito fluidificável 304 recebe a energia térmica solar diretamente das superfícies das cavidades de receção, aqui indicadas com os números de referência 203 e 204, e serve assim como meio de armazenamento. Por outro lado, a transferência de calor é realizada pelo segundo leito fluidificável 305 disposto no primeiro 304 e onde se encontram os tubos 4 do permutador de calor. Esta configuração permite uma maior flexibilidade do sistema tanto na etapa de armazenamento como na libertação de calor para o fluido portador, graças à possibilidade de funcionar independentemente no acionamento e nas velocidades do gás de fluidificação dos dois leitos de material granular e/ou de secções dos mesmos.

Uma configuração semelhante é a da versão ilustrada na Figura 5, em que a posição dos dois leitos, isto é, armazenamento e portador, é inversa em comparação com o caso da Figura 4, uma vez que na Figura 5 é fornecida uma única cavidade de receção 205 na posição central.

Conforme já mencionado, os leitos fluidificados também podem não ser separados por partições físicas 330, mas por intermédio do acionamento individual de zonas modulares através da compartimentação do gás de fluidificação.

Para qualquer uma das configurações descritas, o tamanho do dispositivo e, em particular, o do leito granular, a gama de velocidade do gás de fluidificação, a quantidade de meios de armazenamento (sólidos ou granulares) opcionalmente associados ao leito fluidificado, bem como as superfícies do permutador de calor são de modo a garantir o armazenamento da energia térmica durante as horas de luz solar e a transmissão da mesma durante a noite ao permutador de calor através da fluidificação das partículas do leito.

Além disso, conforme já mencionado, para qualquer uma das configurações descritas utilizando uma estrutura modular do leito fluidificado e modulando a velocidade de fluidificação das mesmas partículas para cada secção, é possível regular a quantidade de energia térmica transferida para os tubos, escolhendo utilizar uma ou mais secções para o armazenamento ou a transferência de calor através de uma fluidificação seletiva e/ou diferenciada das mesmas, garantindo o funcionamento contínuo do dispositivo da invenção.

Além do mais, com as instalações equipadas com múltiplos dispositivos da invenção, conforme ilustrado até agora, a possibilidade de regular a quantidade de calor transferida para o permutador para cada dispositivo e necessária para manter constantes a temperatura e pressão do vapor produzido permite a vantagem de manter, diminuir ou aumentar a produção de energia.

No caso de sistemas baseados em múltiplos dispositivos, o tamanho dos mesmos e a lógica de funcionamento são coordenados para obter uma produção predeterminada de energia, mesmo na ausência de radiação solar.

Na descrição acima, foi feita referência, como exemplo, à aplicação do dispositivo num sistema autónomo para a produção de energia elétrica. Contudo, convém compreender que as possíveis aplicações do dispositivo são vastas e relacionam-se com a produção de vapor ou calor para sistemas industriais, tais como instalações termoelétricas, sistemas de remoção de sal, teleaquecimento, etc.

As disposições legais que regulam a produção de energia a partir de fontes renováveis permitem a produção de uma quota mínima da mesma energia através da combustão de combustíveis fósseis. Habitualmente, nos dispositivos do estado da técnica, esta operação é realizada em unidades de produção separadas do sistema de produção principal.

Pelo contrário, uma vantagem importante das instalações de produção de energia baseadas no dispositivo da invenção é a possibilidade de queimar combustível fóssil gasoso dentro do leito fluidificado.

Por esta razão, para cada uma das formas de realização aqui descritas relativamente às Figuras 1 a 3 respetivas, estas últimas figuras ilustram uma entrada de gás de combustão 401 no leito fluidificável que funciona como portador térmico e diretamente nos canais de alimentação de gás de fluidificação.

Relativamente às variantes das Figuras 4 e 5, essa introdução de gás de combustão pode ser efetuada, conforme ilustrado, num ou em ambos os leitos fluidificáveis.

Todas as figuras relacionadas com a descrição ilustram uma esquematização das configurações e, como tal, podem não mostrar componentes, tais como válvulas ou sensores, etc. que têm de ser fornecidos para a regulação convencional dos circuitos de fluido.

Neste momento, deverá ser melhor compreendido que o sistema de leito fluidificado tem a vantagem dupla de coeficientes de troca térmica elevados no meio de leito-armazenamento ou na interface de leito-leito e nas superfícies de tubo imersas no leito granular, além de uma elevada "difusibilidade" térmica do mesmo leito granular, uma propriedade essencial em relação à possibilidade de carregar/descarregar rapidamente o acumulador térmico nas etapas de funcionamento transitório.

Por conseguinte, a invenção permite um armazenamento de energia térmica dentro do leito de partículas e a variação da potência térmica na saída do sistema através da modulação da velocidade de fluidificação das mesmas partículas.

Igualmente, a utilização de múltiplas cavidades com um tamanho adequado e orientadas em direção ao campo de espelho permite a redução dos fluxos térmicos incidentes e a suavização das temperaturas máximas que iriam afetar a cavidade única, tornando mais competitiva a escolha dos materiais e das tecnologias de revestimento para as paredes da mesma cavidade. A estrutura modular do leito fluidificado permite depois o acionamento de uma ou mais secções com margens de gestão consideráveis e torna a disponibilidade do sistema menos dependente das condições atmosféricas e da disponibilidade do gerador de energia.

Além disso, a combustão simultânea do gás combustível no leito fluidificado do dispositivo permite manter constante a produção de energia do sistema mesmo em períodos de baixo isolamento.

Finalmente, convém compreender que a invenção também fornece um método de armazenamento e troca de calor conforme definido nas reivindicações seguintes e com as mesmas caracteristicas preferidas descritas acima relativamente às várias formas de realização e versões do dispositivo e da instalação da invenção. A presente invenção foi descrita até agora relativamente às formas de realização preferidas. Parte-se do princípio de que podem existir outras formas de realização relacionadas com o mesmo âmbito inventivo, conforme definido pelo âmbito de proteção das reivindicações seguintes.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • US 4384569 A [0006] [0011] • US 2009322089 A [0007] • US 4401103 A [0008]

Lisboa, 16 de Janeiro de 2015

Claims (24)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um dispositivo de armazenamento e transferência de energia térmica (1) de origem solar, com capacidade para receber uma radiação solar, em que o dispositivo (1) compreende: - uma caixa de contenção (2); - conjuntos de tubos (4); um leito de partículas (3) com capacidade para armazenar energia térmica de origem solar, recebida no interior da referida caixa de contenção (2); e pelo menos uma entrada de alimentação para a introdução de um gás de fluidificação através do referido leito de partículas (3), toda a disposição sendo de modo a que, em utilização, esse gás de f luidif icação mova as partículas do referido leito (3) causando ou encorajando uma troca de calor entre as partículas e os conjuntos de tubos (4) nos quais circula um fluido de trabalho.
2. 2. 0 dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 1, em que as partículas do referido leito (3) são feitas de um material granular com um formato substancialmente regular, preferencialmente um formato esférico.
3. 3. 0 dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores compreendendo uma compartimentação da área de fluidificação, com capacidade para permitir uma fluidificação seletiva e/ou diferenciada de uma ou mais partes do referido leito de partículas pelo gás de fluidificação.
4. 4. 0 dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores compreendendo ainda um outro meio de armazenamento na forma de um bloco monolítico (30), que é preferencialmente de grafite ou compreende grafite e/ou que é preferencialmente obtido através de compactação de um material em forma granular.
5. 5. O dispositivo (106) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores compreendendo ainda um outro meio de armazenamento na forma de um outro leito fluidificável de partículas (304) recebido no interior da referida caixa de contenção (2), os referidos leitos de partículas (305, 304) sendo dispostos preferencialmente de forma concêntrica uns em relação aos outros.
6. 6. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores com uma ou mais cavidades de receção (20) dentro das quais, ou dentro de cada uma das quais, a radiação solar se concentra, em que preferencialmente uma chapa (13) de um material substancialmente transparente, preferencialmente quartzo, é disposta em simetria com o bocal da referida, ou de cada, cavidade (20).
7. 7. O dispositivo (1) de acordo com a reivindicação anterior compreendendo um concentrador de radiação solar secundário, encontra-se na entrada da referida, ou da pelo menos uma, cavidade de receção (20).
8. 8. O dispositivo (104) de acordo com a reivindicação 6 ou 7 quando dependente da reivindicação 5, em que o referido leito de partículas (3) é disposto imediatamente em simetria com as referidas, ou pelo menos uma das referidas, cavidades (20).
9. 9. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores contendo uma via de saída (5) para o gás de fluidificação.
10. 10. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores compreendendo um ou mais elementos de troca de calor (4) que recebem ou têm capacidade para receber um fluido de trabalho e são dispostos de modo a ficarem em contacto com o referido leito de partículas (3) e/ou de modo a serem contíguos, em utilização, ao referido leito (3) quando o último é fluidificado pelo referido gás de fluidificação.
11. 11. Uma instalação (100) para a produção de vapor ou calor para utilizações industriais, preferencialmente uma instalação de geração de energia elétrica, compreendendo um ou mais dispositivos (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
12. 12. A instalação (100) de acordo com a reivindicação anterior compreendendo um meio (210, 8) para a introdução do gás de fluidificação através de, pelo menos, uma entrada (21) do referido dispositivo (1), cujo meio de alimentação compreende preferencialmente um meio (8) para a circulação forçada do gás de fluidificação.
13. 13. A instalação (100) de acordo com a reivindicação 12, em que o referido meio de alimentação é controlável seletivamente para alterar a velocidade do gás de fluidificação.
14. 14. A instalação (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13 compreendendo um meio (6) para a anulação da pulverização do gás de fluidificação.
15. 15. A instalação (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14 compreendendo um meio para a introdução seletiva do gás de fluidificação nas partes selecionadas do referido leito de partículas (3).
16. 16. A instalação (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15 compreendendo um meio (401) para a introdução de um gás de combustão na referida caixa (2) do referido dispositivo (1).
17. 17. Um método de armazenamento e troca subsequente de energia térmica de origem solar fornecendo a utilização de um leito de partículas (3) , que recebe e armazena energia térmica de origem solar, e uma fluidificação do referido leito de partículas (3) , de modo a causar ou encorajar uma troca térmica entre o leito de partículas (3) e os conjuntos de tubos (4) de um permutador de calor.
18. 18. O método de acordo com a reivindicação anterior, em que a referida fluidificação é realizada por uma introdução controlada de um gás de fluidificação, preferencialmente ar.
19. 19. O método de acordo com a reivindicação 17 ou 18 fornecendo uma fluidificação diferenciada de partes selecionadas do referido leito de partículas (3).
20. 20. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, em que um fluido de trabalho, que corresponde a água e/ou vapor, circula nos referidos conjuntos de tubos (4) .
21. 21. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20 fornecendo uma etapa de armazenamento de energia térmica num meio de armazenamento (30, 3) durante as horas de luz solar e uma etapa de transferência de calor do referido meio (30) para os conjuntos de tubos (4) através da fluidificação do leito de partículas (3) na ausência de radiação solar.
22. 22. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21 fornecendo a utilização de um ou mais dispositivos (1) ou de uma instalação (100) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 24.
23. 23. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 22 fornecendo uma combustão de combustível fóssil gasoso dentro do referido leito de partículas (3) do referido dispositivo (1).
24. 24. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 23 fornecendo uma etapa de armazenamento de energia térmica e de transferência concomitante ou diferida da referida energia para o permutador de calor, de modo a obter uma geração constante de energia. Lisboa, 16 de Janeiro de 2015