PT2627948E - Dispositivo, instalação e método com alto nível de eficiência energética para armazenamento e utilização de energia térmica de origem solar - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

DISPOSITIVO, INSTALAÇÃO E MÉTODO COM ALTO NÍVEL DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA PARA ARMAZENAMENTO E UTILIZAÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA DE ORIGEM SOLAR

Campo da invenção A presente invenção refere-se a uma instalação industrial baseada na utilização e armazenamento de energia solar, a um dispositivo para armazenar e libertar energia térmica solar adequada à utilização na referida instalação e a um método relacionado.

Antecedentes da invenção É conhecida a utilização de energia solar concentrada através de helióstatos, fixos ou rastreadores. Também é conhecida a possibilidade de armazenar calor não utilizado em materiais sólidos com elevada condutividade térmica (normalmente grafite) para utilização posterior. Para a exploração do calor normalmente é utilizado um permutador de calor que também pode ser imerso no material de armazenamento e atravessado por um fluido de trabalho -normalmente água, vapor ou outros transportadores - capaz de absorver e transportar energia térmica contida no mesmo.

Uma vez que os sistemas de armazenamento, como a grafite, podem atingir temperaturas altas (podendo chegar a 2000 °C) o limite tecnológico é estabelecido pela resistência térmica dos feixes de tubos metálicos responsáveis pela remoção de calor.

Além disso, o armazenamento em sólidos não permite, pela inércia térmica dos mesmos e pelos baixos valores de difusividade térmica, seguir a tendência da energia requerida, uma vez que as condições atmosféricas e os ciclos dia/noite variam.

Consequentemente, com base no descrito anteriormente, uma dificuldade dos sistemas conhecidos está relacionada com a baixa eficiência devido às temperaturas máximas limitadas alcançáveis e à sua falta de flexibilidade para seguir a tendência da carga uma vez que as condições atmosféricas variam. 0 documento WO 2009/147651 divulga um gerador de energia solar incluindo meios para adsorver e acumular o calor dos raios solares concentrado por um sistema de concentração. Tais meios apresentam uma câmara que aloja uma pluralidade de cápsulas contendo um material bifásico com uma temperatura de transição de fase na gama da que pode ser atingida dentro da câmara. Tais meios estão operativamente ligados a uma instalação de utilização de calor. O documento US 2003/015150 divulga uma caldeira de leito fluidizado circulante que apresenta um ou mais compartimentos de leito fluidizado borbulhante.

Resumo da invenção O problema técnico subjacente à presente invenção é, deste modo, ultrapassar as desvantagens referidas anteriormente com referência ao estado actual da técnica. O problema referido anteriormente é resolvido por um dispositivo de acordo com a reivindicação 1 e por um método de acordo com a reivindicação 17.

As caracteristicas preferenciais da invenção são objecto das reivindicações dependentes.

Uma vantagem importante da invenção é que permite produzir de maneira eficiente e fiável o armazenamento de energia térmica solar, minimizando o stress térmico dos permutadores de calor e aumentando a eficiência da permuta de calor para o fluido de trabalho, através da utilização de um leito fluidizável granular que pode desempenhar o duplo papel de sistema de permuta e sistema de armazenamento do calor recolhido. A base de uma tal utilização são as caracteristicas favoráveis da transferência de calor de leitos fluidizados e o eficiente transporte de calor devido à mobilidade da fase granular. Estas duas características estão ligadas à possibilidade de conferir um comportamento reológico granular sólido que pode ser assimilado ao de um líquido, graças, precisamente, à sua fluidização.

Em sinergia com o exposto anteriormente, a separação do passo de armazenamento do calor recebido da radiação solar concentrada do da libertação de tal calor e a resultante produção de energia potencial, ou seja, geralmente da transferência de calor para o fluido de trabalho, permite aumentar de maneira dramática a versatilidade e a eficiência global da instalação.

Numa modalidade preferencial, tal separação é possibilitada pela separação do circuito de fluidização do gás do circuito do fluido de trabalho.

Numa modalidade particularmente preferencial, o dispositivo compreende dois leitos fluidizáveis, um essencialmente responsável pelo armazenamento e um segundo, o qual recebe calor do primeiro, principalmente responsável pela permuta com o fluido de trabalho. Também de acordo com esta modalidade, a fluidização dos leitos é realizada utilizando ar retirado do ambiente como gás de fluidização.

Para obter a máxima recuperação de energia, o ar quente evacuado dos leitos fluidizados é enviado para um permutador ar/ar onde liberta o calor para o ar de fluidização frio retirado do ambiente.

Durante o passo de armazenamento o primeiro leito recebe calor de um campo de helióstatos através de um receptor e é mantido em condições de fluidização por ar que é aquecido dentro do permutador de calor ar/ar referido anteriormente.

Caso seja necessário manter o calor armazenado num passo sem produção de energia, o primeiro leito de armazenamento é mantido em repouso.

Durante um passo de produção de energia, o leito de armazenamento agora fluidizado permutará calor com o leito de fluido gerador adjacente ao mesmo e possivelmente separado por divisórias, preferencialmente do tipo metálico. Dentro do leito gerador está imerso o feixe de tubos atravessado pelo fluido de trabalho. Também neste caso o ar de fluidização será pré-aquecido utilizando o permutador ar/ar. Operando desta forma, o sistema de compressão do ar de fluidização será operado à temperatura ambiente assim como o sistema de filtração do ar evacuado do leito fluidizado no qual a presença de partículas sólidas decantadas é possível.

Tendo concentrado a permuta de calor para benefício do fluido de trabalho no leito gerador fluidizado, devido aos elevados coeficientes de transferência de calor dos leitos fluidizados, minimizará as superfícies do feixe de tubos e posteriormente a utilização de materiais preciosos para o fabrico do mesmo.

Resumidamente, o sistema pode ser substancialmente dividido em três partes principais, nomeadamente uma parte para armazenamento (o primeiro leito fluidizado, na modalidade mostrada anteriormente) , uma parte para permuta na direcção do fluido de trabalho (o segundo leito fluidizado, na modalidade mostrada anteriormente) e uma parte para recuperação de calor (permutador de calor ar/ar ainda na modalidade preferencial mencionada anteriormente), estando tais partes ligadas entre si permitindo a formação de um sistema que pode operar com grande flexibilidade e eficiência.

Outras vantagens, características e modalidades de utilização da presente invenção serão aparentes a partir da seguinte descrição detalhada de algumas modalidades, apresentadas a título de exemplo e não para fins limitativos.

Breve descrição dos desenhos

Faz-se referência às figuras dos desenhos em anexo, nas quais: - A Figura 1 mostra uma disposição da instalação de acordo com uma modalidade preferencial da invenção; - A Figura la mostra um corte esquemático/vista frontal da disposição de uma parte da instalação da Figura 1, que integra uma estrutura de torre com permutador de calor ar/ar e mostra uma compartimentalização de uma distribuição "cash", um circuito de entrada do gás de fluidização e o respectivo trajecto; - A Figura 2 mostra um corte em planta da parte da instalação da Figura la, mostrando a disposição dos tubos de um permutador de calor que recebe o fluido de trabalho e a compartimentalização de um primeiro leito de partículas fluidizáveis que actua como um meio de armazenamento e um segundo leito de partículas fluidizáveis direccionadas para a permuta de calor com o fluido de trabalho, e - As Figuras 3 e 3a referem-se a um dispositivo de libertação e armazenamento que pode ser utilizado na instalação da Figura 1, utilizando o referido dispositivo gás combustível como fonte auxiliar de energia e sendo mostrado respectivamente num corte lateral e numa vista em planta.

Descrição detalhada das modalidades preferenciais da invenção

Com referência inicial às Figuras 1 e la, uma instalação de produção de energia eléctrica a partir de radiação solar concentrada de acordo com uma modalidade preferencial da invenção é globalmente indicada por 100.

Por sua vez, a instalação 100 integra um ou mais dispositivos 1 para armazenar energia térmica recebida pela radiação solar concentrada e para libertar tal energia para um fluido de trabalho, sendo este último normalmente água ou vapor. O dispositivo 1 tem efectivamente capacidade para armazenar a energia térmica que tem origem na radiação solar transmitida/concentrada na mesma, por exemplo, helióstatos rastreadores. 0 dispositivo 1 compreende um invólucro de contenção 2, preferencialmente feito de metal, isolado termicamente para minimizar a perda de calor para o ambiente circundante. 0 invólucro 2 pode conter uma ou mais superfícies receptoras 20 nas quais a radiação solar está concentrada.

Na base do invólucro 2 é obtida uma entrada de alimentação 21 para um gás de fluidização, cujo papel será explicado brevemente. Na entrada 21 existe uma divisória de distribuição, ou distribuidor, também identificado, por uma questão de simplificação, por 21, de tal gás de fluidização, capaz de permitir a entrada uniforme deste último e providenciando simultaneamente um suporte para um ou mais leitos de partículas fluidizáveis 3, 30 descritos a seguir.

Dentro do invólucro 2 há uma zona de armazenamento, na forma de um primeiro leito de partículas fluidizáveis 30 adequado para armazenamento térmico de acordo com características preferidas descritas a seguir. Na presente modalidade, a área do leito de armazenamento 30 está colocada imediatamente nas superfícies receptoras 20, perto das superfícies interiores do invólucro 2, de modo a ser directamente afectada pela radiação solar concentrada nas referidas superfícies receptoras 20.

Também dentro do invólucro 2 e na zona mais central do dispositivo 1 é então providenciado um segundo leito de partículas fluidizadas 3, o qual pode ser contínuo com ou separado do leito de armazenamento 30 e cuja função é libertar a energia térmica armazenada no último para o fluido de trabalho, conforme explicado com mais clareza mais adiante. Para esta finalidade, dentro do leito de partículas 3, ou próximo do mesmo, estão dispostos elementos de permuta de calor - e mais especificamente feixes de tubos 4 de um permutador de calor - os quais são atravessados, quando em utilização, pelo fluido de trabalho.

Noutra modalidade preferencial, os dois leitos de partículas 3, 30 podem ser partes adjacentes do mesmo leito selectivamente fluidizável.

Conforme referido, a entrada 21 do dispositivo 1 tem capacidade para permitir a alimentação dentro do invólucro 2 - e especificamente através da base dos leitos de partículas 3, 30 - de um gás de fluidização, o qual, nesta configuração preferencial, é ar. Mais especificamente, a disposição geral é tal que o gás empurrado através da divisória de distribuição 21 pode mover as partículas do leito 3 e/ou 30 de modo a gerar um fluxo/movimento correspondente de partículas adequado para a permuta de calor mútua entre partículas do mesmo leito 30 e/ou entre este último e a parte interior das superfícies receptoras 20 ou entre partículas de partes do leito adjacentes, entre partículas de dois leitos 3, 30 ou entre as partículas do leito 3 e os feixes de tubos 4. A posição dos feixes de tubos 4 relativamente ao leito de partículas 3, ou melhor, a exposição das superfícies dos tubos relativamente ao leito de partículas, é tal que permite maximizar a taxa de transferência de calor, sendo esta última proporcional ao produto do coeficiente de permuta de calor e a superfície afectada pela mesma permuta de calor.

Os feixes de tubos 4 podem ser total ou parcialmente imersos no leito de partículas 3 ou ficar virados para o mesmo. A escolha depende da modalidade de manuseamento utilizada para o dispositivo e das alturas mínima e máxima do leito de partículas como uma função da velocidade do ar de fluidização: à medida que a velocidade aumenta, aumenta a superfície do feixe de tubos afectada pela permuta de calor. Para uma maior versatilidade da instalação é de facto providenciado um meio para variar a velocidade do ar de fluidização e, consequentemente, o respectivo fluxo.

Consequentemente, variando a velocidade de atravessamento do gás de fluidização, o coeficiente geral de transferência de calor entre o leito fluidizado e a superfície de permuta pode ser monitorizado e modificado, resultando na flexibilidade da regulação da quantidade de energia térmica transferida.

Deste modo pode obter-se uma redução substancial da transferência de calor na ausência de fluidização ou com a velocidade do gás inferior à velocidade mínima de fluidização.

Adicionalmente, é possível variar a altura do primeiro leito de armazenamento 30 e/ou do leito de libertação 3 variando a quantidade de carga de partículas do leito, tal variação pode ser operada quando aquecida, durante a operação, utilizando um sistema adequado de carregamento e escape de partículas associado a cada dispositivo 1 ou grupos de dispositivos semelhantes. Actuando sobre a altura dos leitos 30, 3 em termos de material particulado presente no leito quando fixo, ou variando a velocidade de fluidização, permite mais alavancas de acção que tornam o manuseamento do dispositivo 1 e posteriormente o sistema 100 extremamente flexíveis.

Conforme ilustrado de melhor maneira na Figura la, no presente exemplo o dispositivo 1 tem ou está associado a uma estrutura de torre elevada 70. Na zona central desta última está localizado um permutador gás/gás 7, no presente exemplo do tipo ar/ar, o qual se estende verticalmente dentro da estrutura de suporte do próprio dispositivo. O ambiente no interior do dispositivo 1 comunica com o permutador ar/ar 7, no exemplo na sua zona central. Mais especificamente, a base do dispositivo 1 comunica com a secção do permutador na qual flui o ar quente evacuado do leito de partículas 3 e/ou 30, enquanto a secção 7 do permutador ar/ar da qual sai o ar ambiente pré-aquecido está ligada à divisória de distribuição 21 na base do leito de partículas 3, 30, através de um distribuidor ou câmara de ar 14 que contribui para uniformizar a entrada do fluxo de ar no dispositivo 1.

Desta forma, o permutador 7 permite pré-aquecer em contracorrente o ar ambiente que entra no distribuidor 21 à custa do ar quente de fluidização evacuado do leito de partículas de 3 e/ou 30, e recuperar posteriormente o teor de calor do ar de fluidização evacuado do leito.

Conforme referido, o circuito de ar de fluidização requer que ar frio ambiente seja forçado por um meio de circulação forçada, mais especificamente um ou mais soprador/compressor 8, dentro do permutador ar/ar 7 e que seja pré-aquecido ao longo do percurso à custa do ar quente de fluidização, o qual, ao sair do leito de partículas 3, 30, é forçado em contracorrente dentro do referido permutador 7. O ar ambiente pré-aquecido chega à câmara de ar 14 e uma divisória de distribuição 21 através de um circuito de distribuidor de alimentação 142. O ar evacuado do leito de partículas 3, 30, arrefecido depois de ter passado pelo permutador de calor ar/ar 7, é alimentado através de um tubo de fluxo descendente 5, um separador de poeira 6 ou um exaustor de poeira, sendo depois expelido para o ambiente exterior.

Preferencialmente, o separador de poeira 6 (normalmente do tipo impactador inercial ou dispositivos equivalentes apresentando uma baixa queda de pressão e operação cicloidal), está localizado na base da estrutura do dispositivo 1 alinhado com o tubo de fluxo descendente 5 e providencia então o despoeiramento do ar de fluidização de qualquer decantação das partículas dos leitos 3, 30.

Conforme já referido, o leito de partículas 3 pode ser fisicamente separado do leito de partículas 30 no invólucro através das divisórias 41, no entanto, exibindo de uma forma geral uma estrutura modular que permite uma fluidização selectiva das zonas do leito. Geralmente, o dispositivo 1 permite uma fluidização selectiva e/ou diferenciada de uma ou mais partes do leito de partículas 3 e 30 e/ou uma fluidização selectiva e/ou diferenciada dos leitos ou partes dos mesmos.

No presente exemplo, tal fluidização selectiva é obtida através da compartimentalização da câmara de ar 14, através das divisórias 141, e do circuito de alimentação 142 através das válvulas 143, permitindo a alimentação de ar apenas nas partes do leito 3 e/ou 30 seleccionáveis de acordo com necessidades específicas de armazenamento ou de produção de vapor/energia.

Deste modo é possível operar partes do leito como interruptores térmicos que fecham o circuito de transferência de calor apenas se fluidizados. A referida fluidização monitorizada e selectiva de zonas do meio granular do leito assegura a extracção contínua de calor e a flexibilidade da instalação relativamente à necessidade de energia a jusante.

Além disso, no presente exemplo é providenciada uma compartimentalização da câmara de ar 14 também numa área do leito adjacente às superfícies receptoras 20. Esta configuração permite, na ausência de radiação solar, reduzir significativamente a perda de calor armazenado no primeiro leito 30 para o ambiente exterior através das mesmas superfícies receptoras 20. Esta compartimentalização é também operada através das válvulas automáticas 143 anteriormente referidas, temporizadas e/ou manuseadas por um sinal de um sensor de irradiação (por exemplo um solarimetro, piranómetro ou equipamentos equivalentes) associado a cada dispositivo 1 ou a grupos de dispositivos. O regime de fluidização das partículas do leito é preferencialmente borbulhante ou de qualquer forma tal que maximize o coeficiente de transferência de calor. A escolha de material particulado para os leitos de armazenamento e libertação 3 e 30 baseia-se mais especificamente na fraca capacidade de abrasão e fragmentação, em resposta à necessidade de minimizar o fenómeno da decantação das partículas do leito de modo a limitar a produção e transporte de finos no ar de fluidização. Com base nestas considerações, uma configuração preferencial favorece a utilização, para partículas de leito, de material granular inerte à oxidação, com uma forma regular, preferencialmente esférico e/ou preferencialmente com um tamanho na ordem dos 50 a 500 microns, e tal que as referidas dimensões sejam preferencialmente nativas, ou seja, que não resultem da agregação de partículas mais pequenas.

No exemplo da Figura 1, o fluido de trabalho é água no estado líquido que recebe durante a sua passagem pelo permutador de calor 4 energia térmica transferida das partículas do leito 3 para se transformar em vapor sobreaquecido. O referido vapor em condições pré-determinadas de temperatura e pressão é posteriormente utilizado para produzir electricidade expandindo-se numa turbina de vapor associada a um gerador 10.

Conforme mostrado na Figura 1, o circuito do fluido de trabalho fornece dutos 90 que definem os feixes de tubos 4 dentro do dispositivo 1 e, no presente exemplo, é providenciada a turbina a vapor 10 referida anteriormente ligada a um gerador de electricidade, um condensador 11, um getter (capturador) 40 com descarga na turbina 40, uma bomba de fornecimento 12, uma bomba de extracção 120 ou meios equivalentes aos que acabam de ser referidos. A configuração descrita apresenta a vantagem notável de separar o processo de armazenamento de energia térmica do processo de geração de vapor.

No passo de armazenamento, a energia solar é concentrada nas superfícies receptoras 20 e através da fluidização do leito de armazenamento 30, ou parte do mesmo, a energia térmica é transferida precisamente das superfícies 20 para as partículas do leito 30. Conforme referido, este passo é independente da fase de produção. Num regime de armazenamento único apenas o primeiro leito 30 é fluidizado.

Na fase de produção o segundo leito de libertação 3 é também activado, de modo que a transferência de calor ocorre do leito de armazenamento 30 para as partículas do leito de libertação 3, destas para os feixes de tubos 4 e posteriormente para o fluido de trabalho a fluir nestes últimos.

Consequentemente, o fluido de trabalho que atravessa os feixes de tubos 4 recebe do segundo leito 30 energia térmica armazenada pelo primeiro leito 30, onde ocorre a transferência de calor através da activação dos leitos 3, 30, ou seja, pela fluidização de partículas das zonas do leito 30 e 3. A energia térmica transferida para o fluido de trabalho pode também ser utilizada para fins industriais diferentes do exemplo aqui considerado.

Mais especificamente, na descrição anterior referiu-se, a título de exemplo, à aplicação do dispositivo a uma instalação de produção de energia eléctrica autónoma. Não obstante, entender-se-á que as possíveis aplicações do dispositivo são vastas e estão relacionadas com a produção de vapor ou calor para instalações industriais, como instalações de produção de energia, de dessalinização, de aquecimento urbano, etc.

Com esta configuração, mesmo na ausência de energia solar (por exemplo à noite) é garantida a continuidade da operação e do fornecimento de vapor e, deste modo, a saída de calor do dispositivo 1.

Mais especificamente, o tamanho do dispositivo 1, os leitos de partículas 3, 30, as superfícies dos feixes de tubos 4 e a gama de velocidades do gás de fluidização podem ser tais que asseguram o armazenamento de energia térmica durante as horas de sol e a libertação da mesma durante as horas nocturnas para o permutador de calor através da fluidização das partículas dos leitos 3, 30.

Adicionalmente, conforme referido anteriormente, utilizando uma estrutura modular do leito fluidizado e modulando para cada secção a velocidade de fluidização das próprias partículas, assim como a altura do leito de partículas, é possível ajustar a quantidade de energia térmica transferida para os feixes de tubos, optando por dedicar uma ou mais secções à transferência de calor ou ao armazenamento através de uma fluidização selectiva e/ou diferenciada das referidas secções, garantindo a operação contínua da instalação.

Além disso, na eventualidade de instalações que providenciam uma variedade de dispositivos 1, a capacidade de ajustar para cada dispositivo a quantidade de calor transferida para o fluido de trabalho é necessária para manter uma temperatura e pressão constantes do vapor produzido, e permite a vantagem de manter constante, de aumentar ou de diminuir a temperatura do fluido de trabalho ou, à mesma temperatura, de aumentar o fluxo do fluido de trabalho. O tamanho dos dispositivos 1 e a lógica operacional podem ser coordenados para obter uma dada saída de energia, mesmo na ausência de radiação solar. É também possível, consoante as necessidades da instalação a jusante, gerir dispositivos individuais de tal maneira que, no espaço de 24 horas, parte destes funcionem apenas para armazenamento e parte para produção, ou variar a velocidade de fluidização de cada unidade resultando em mudanças gerais da energia térmica produzida. Para uma dada energia térmica armazenada isto permite libertar rapidamente a mesma a uma potência mais elevada ou durante períodos prolongados a uma potência mais baixa.

Numa modalidade diferente (não mostrada), é providenciada a presença de um sistema de parcialização, uma espécie de obturador, das superfícies receptoras 20 através de divisórias isolantes. As referidas divisórias, cuja activação pode ser automatizada e seguir a trajectória do sol, permitem isolar a parte do leito de armazenamento 30 correspondente à zona obscurecida do receptor de superfície 20 e evitar deste modo a re-radiação para o exterior através da referida parte do leito quando a mesma superfície receptora 20 não é afectada pela radiação incidente. De acordo com outra modalidade preferencial da invenção que pode ser utilizada em combinação com todas as outras configurações anteriormente descritas, é providenciada a utilização de combustível gasoso dentro do leito fluidizado, para compensar a ausência prolongada da exposição ao sol e/ou para garantir a obtenção de um determinado nível de energia de acordo com as necessidades a jusante da instalação de produção.

Uma vantagem importante deriva da possibilidade de queimar o referido combustível gasoso directamente para dentro do leito fluidizado. Normalmente, para dispositivos do estado anterior da técnica, esta operação é realizada em unidades de produção separadas da instalação de produção principal.

Esta configuração é mostrada esquematicamente nas Figuras 3 e 3a, as quais mostram um circuito possível para o gás combustível 15 - 151. Este último é tal que providencia entradas para cada sector da câmara de ar 14 na qual ocorre a pré-mistura de gás combustível com o ar de fluidização pré-aquecido ou no circuito de distribuição do gás de fluidização 151.

Na presença de gás combustível, o dispositivo 1 está equipado com uma ou mais tochas 22 inseridas no ambiente do dispositivo 1 para ignição da combustão e para proteger o sistema de qualquer acumulação perigosa de gás dentro do dispositivo, e um ou mais discos de ruptura 222 no invólucro 2. Estes meios, como outros que podem ser aplicáveis, destinam-se a prevenir o risco de explosão.

Quanto à combustão de gás propriamente dita, esta é uma técnica conhecida e não será descrita adicionalmente no que se segue. A utilização desta configuração adicional torna-se ainda mais conveniente pelo facto de os regulamentos que regem a produção de energia a partir de fontes renováveis admitirem que uma quantidade mínima, normalmente menos de ou igual a 15% da potência nominal, é produzida pela combustão de combustíveis fósseis.

Entender-se-á melhor nesta altura que a invenção apresenta vantagens consideráveis em termos de: - tamanho da instalação, e mais especificamente dos dispositivos de armazenamento e libertação e da estrutura relativa que são muito compactos, obviamente derivando da configuração preferencial na qual o permutador ar/ar se estende em altura dentro da estrutura de suporte do próprio dispositivo; - tamanho e operação dos compressores/sopradores 8 que elaboram um fluido frio, ar ambiente; - tamanho e operação do exaustor de poeira 6 que, tal como o compressor/soprador 8 funciona com ar de fluidização expelido a uma temperatura baixa (aproximadamente 100 °C); - tamanho dos feixes de tubos 4, os quais estão a ser drasticamente reduzidos, sendo os passos de pré-aquecimento da evaporação e sobreaquecimento do fluido de trabalho atribuídos ao permutador de calor dentro do leito com coeficientes habituais de 300 a 500 W/m2K.

Entender-se-á finalmente como a invenção providencia também um método de armazenamento e permuta de calor conforme definido nas reivindicações seguintes e apresenta as mesmas características preferenciais conforme descrito anteriormente relativamente às formas preferenciais e várias modalidades do dispositivo e da instalação da invenção. A presente invenção foi descrita até agora com referência a modalidades preferenciais. Pretende-se que possam existir outras modalidades que se referem ao mesmo conceito inventivo, as quais podem estar incluídas no âmbito das reivindicações em anexo.

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 • WO 2009147651 A [0006] • US 2003015150 A [0007]

Lisboa, 17 de Junho de 2015

Claims (23)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Um dispositivo (1) para armazenar e libertar energia térmica com capacidade para receber radiação solar concentrada, compreendendo o dispositivo (1): - pelo menos um leito (3, 30) de partículas fluidizáveis, dispostas pelo menos parcialmente em superfícies receptoras (20) de tal radiação; - meios de alimentação (14, 142, 21) para alimentar um gás de fluidização para a fluidização das referidas partículas; e - elementos de permuta de calor (4) atravessados, em utilização, por um fluido operativo e dispostos no referido leito (3, 30) de partículas fluidizáveis ou próximo do mesmo no qual a disposição geral é tal que, em utilização, partes do referido leito (3, 30) de partículas fluidizáveis têm capacidade para ser movidas selectivamente pelo gás de fluidização para armazenar energia térmica recebida da radiação solar num passo de armazenamento e para libertar energia térmica armazenada para os referidos elementos de permuta de calor (4) num passo de libertação, e caracterizado por a disposição geral ser tal que permite uma activação independente do passo de armazenamento de calor e do passo de libertação de calor.
2. 2. O dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 1, no qual o referido leito de partículas por sua vez compreende: uma primeira parte de armazenamento (30), com capacidade para armazenar energia térmica recebida da radiação solar concentrada e disposta nas superfícies receptoras (20) da radiação solar; e - uma segunda parte de libertação (3) , disposta de maneira adjacente à referida primeira parte (30) e com capacidade para libertar energia térmica armazenada por esta última para os referidos elementos de permuta de calor (4) no qual a referida primeira parte de armazenamento (30) e a referida segunda parte de libertação (3) têm capacidade para realizar respectivamente o referido passo de armazenamento e o referido passo de libertação por uma fluidização respectiva.
3. 3. O dispositivo (1) de acordo com a reivindicação anterior, no qual a referida primeira (30) e segunda (3) partes do referido leito de partículas são recebidas dentro de um invólucro de contenção comum (2).
4. 4. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, no qual os referidos elementos de permuta de calor (4) estão dispostos de modo a estarem em contato com pelo menos parte (3) do referido leito (3, 30) de partículas e/ou de modo a estarem parcialmente sobrepostos, em utilização, por pelo menos parte (3) do referido leito (3, 30) quando fluidizado pelo referido gás de fluidização.
5. 5. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, no qual os referidos elementos de permuta de calor são feixes de tubos (4).
6. 6. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo meios de alimentação (15, 151) e meios (22, 222) para a combustão segura de um gás combustível dentro do referido leito (3, 30) de partículas ou parte do mesmo.
7. 7. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, no qual os referidos meios de alimentação (14, 142, 21) compreendem uma compartimentalização (141) que permite uma fluidização selectiva e/ou diferenciada de uma ou mais partes do referido leito (3, 30) de partículas pelo gás de fluidização e/ou uma fluidização selectiva e/ou diferenciada das referidas primeira (30) e segunda (3) partes do referido leito de partículas ou de partes do mesmo.
8. 8. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, no qual a referida activação independente dos passos de armazenamento e libertação é obtida pela separação dos circuitos do fluido operativo e do gás de fluidização.
9. 9. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo um permutador de calor (7) gás/gás, preferencialmente ar/ar, no qual a disposição geral é tal que, em utilização, no referido permutador (7) são alimentados um primeiro gás frio que é o gás de fluidização a ser empregue na fluidização do referido leito (3, 30) de partículas ou das referidas primeira (30) e/ou segunda (3) partes do mesmo, e um segundo gás quente que é o gás de fluidização evacuado do referido leito (3, 30) de partículas ou das referidas primeira (30) e/ou segunda (3) partes do mesmo.
10. 10. O dispositivo (1) de acordo com a reivindicação anterior, o qual está disposto numa estrutura de torre (70) que aloja na mesma o referido permutador (7) gás/gás.
11. 11. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, o qual é adequado para a utilização de ar como gás de fluidização.
12. 12. O dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo meios (8) para a circulação forçada do gás de fluidização.
13. 13. 0 dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo meios com capacidade para variar selectivamente a velocidade do gás de fluidização.
14. 14. 0 dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, compreendendo meios (6) para despoeirar o gás de fluidização, disposto a jusante de uma zona de fluidização do referido leito (3, 30) de partículas.
15. 15. Uma instalação (100) para produzir vapor ou calor para uso industrial, compreendendo um ou mais dispositivos (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores.
16. 16. A instalação (100) de acordo com a reivindicação anterior, a qual é uma instalação de produção de energia eléctrica.
17. 17. Um método para produzir vapor ou calor para uso industrial a partir de radiação solar concentrada, providenciando o emprego de um leito (3, 30) de partículas fluidizáveis com capacidade para armazenar energia térmica de origem solar e selectivamente móvel por um gás de fluidização, o referido método sendo caracterizado por compreender: - um primeiro passo de armazenamento de energia térmica recebida de radiação solar concentrada, através do movimento de uma primeira parte (30) do referido leito de partículas; e - um segundo passo de libertação de energia térmica armazenada no referido primeiro passo para elementos de permuta de calor (4) atravessados por um fluido operativo, caracterizado por os referidos passos de armazenamento e libertação de calor poderem ser activados independentemente um do outro.
18. 18. 0 método de acordo com a reivindicação anterior, no qual a referida activação independente dos passos de armazenamento e libertação é obtida pela separação térmica dos circuitos do fluido operativo e do gás de fluidização.
19. 19. 0 método de acordo com a reivindicação 17 ou 18, providenciando um passo de permuta de calor gás/gás, preferencialmente ar/ar, entre um primeiro gás frio que é o gás de fluidização a ser empregue na fluidização de partes do referido leito (3, 30) de partículas e um segundo gás quente que é o gás de fluidização evacuado das referidas partes do referido leito (3, 30) de partículas.
20. 20. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, no qual o referido gás de fluidização é ar.
21. 21. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 20, no qual é providenciada uma variação selectiva da velocidade do gás de fluidização.
22. 22. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 21, o qual é um método de produção de energia eléctrica.
23. 23. O método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 22, providenciando uma combustão de combustível fóssil gasoso dentro do referido leito (3, 30) de partículas ou partes do mesmo. Lisboa, 17 de Junho de 2015