PT2672194E - Campo de disposição de painéis solares térmicos e painel solar térmico de vácuo relacionado - Google Patents

Description

Descrição

Campo de disposição de painéis solares térmicos e painel solar térmico de vácuo relacionado

Campo de aplicação A presente invenção relaciona-se com uma disposição de um campo solar. Técnica anterior

Como é bem sabido, painéis solares térmicos de vácuo compreendem um envelope plano selado em vácuo com pelo menos uma placa de vidro transparente à radiação solar visível. Dentro do envelope de vácuo estão dispostos uma placa de absorção de calor e um tubo que entra e sai do envelope ligado à placa de absorção de calor. A radiação solar entra assim no envelope de vácuo através da placa frontal, é recolhida pela placa de absorção de calor e convertida em calor. 0 calor convertido é então transferido para o fluido de transferência de calor fluindo para o tubo.

Painéis solares térmicos de vácuo são geralmente conectados por tubagem externa para formar um campo de painéis solares. Em campos de painéis solares meios de bombeamento são fornecidos para fazer circular o fluido de transferência de calor de uma entrada para uma saída, através dos tubos internos de cada um dos painéis solares térmicos de vácuo. 0 fluido de transferência de calor é progressivamente aquecido pelas placas de absorção de calor, para que um aumento de temperatura seja fornecido entre a entrada e a saída da disposição de campo. Esta diferença de temperatura é então fornecida para uma carga exterior (isto é, o ciclo de absorção refrigerante) para fazer uso da energia solar térmica.

Dependendo do tipo de painel duas configurações alternativas de tubagem são empregues.

Painéis solares térmicos de vácuo do tipo serpentina, que estão descritos por exemplo na EP 2283282, em nome do mesmo Requerente, requerem uma configuração série-paralelo do tipo ilustrada na Figura 1. De facto, dada a relativamente alta queda de pressão do fluido de transferência de calor que atravessa um painel do tipo serpentina, a configuração em cima mencionada é necessária para manter a cabeça da bomba a um nivel aceitável.

Painéis solares térmicos de vácuo do tipo directo, que estão descritos por exemplo na aplicação PCT publicada sob o N° WO 2010/003653, determinam uma queda de pressão mais baixa no fluido de transferência de calor e podem simplesmente ser ligados em série, como representado por exemplo na figura 2. Deve ser notado que, uma vez que os painéis do tipo directo compreendem uma pluralidade de tubos individuais, são necessários vários tubos externos para ligar um painel ao próximo.

Em ambas as configurações da técnica anterior descritas, como pode ser visto nas Figuras 1 e 2, a tubagem externa estende-se por um comprimento considerável. De forma a reduzir perdas, um bom isolamento térmico, em forma de uma camada espessa com baixa condutividade térmica envolvida ou fixada nos tubos, tem que ser fornecido.

Tal isolamento térmico é particularmente importante no caso de aplicações de temperatura média (100-200°C), porque as perdas de calor aumentam com a temperatura do fluido de transferência de calor. Além disso, tais aplicações reduzem a escolha dos materiais de isolamento utilizáveis devido à elevada temperatura da superfície da tubagem, fazendo a fibra de vidro a opção mais comum.

Num caso típico de aplicação de refrigeração solar de ar, o fluido de transferência de calor entra no campo de de disposição de painéis solares térmicos a 165° e sai a 180°. Sob tais condições para manter perdas de calor a 17 W/m é necessário um isolamento em fibra de vidro espessa de 100 mm envolvido em torno de toda a tubagem externa. Além disso, a penetração de humidade na fibra de vidro pode afectar bastante a condutividade térmica da fibra de vidro e, sendo uma material mole, tem de estar protegido contra cargas mecânicas ou impactos. Revestimentos de alumínio são então tipicamente aplicados na parte exterior do isolamento da fibra de vidro, fazendo tal montagem muito mais cara do que a própria tubagem.

Assim, tendo em conta os custos do isolamento térmico necessário e da sua manutenção, o comprimento da tubagem externa representa uma grande desvantagem nas configurações dos campos de painéis solares em série, conhecidas no estado da arte.

As patentes US 2007/0227533 e WO 2009/046352 divulgam uma disposição de campo de painéis solares de acordo com o preâmbulo da Reivindicação 1. O problema técnico subjacente à presente invenção é o de conseguir uma disposição de campo de painéis solares eficiente com reduzidas perdas de calor e baixos custos da tubagem externa.

Resumo da invenção A solução para o problema técnico acima mencionado é fornecida por uma disposição de um campo de painéis solares de acordo com a reivindicação 1. A ideia subjacente à presente invenção é de reduzir consideravelmente a quantidade de tubagem externa isolada, fornecendo uma porção de retorno da via de circulação através dos próprios painéis de vácuo.

Vantajosamente, a porção de retorno pode estar directamente ligada à referida porção de ida, na sua extremidade a jusante. 0 circuito hidráulico pode incluir: um primeiro tubo principal e um segundo tubo principal, respectivamente partindo da entrada de baixa temperatura e chegando à saída de alta temperatura; e uma pluralidade de ramais definindo a porção de ida e a porção de retorno de uma das vias de circulação, a porção de ida partindo do primeiro tubo principal, a porção de retorno chegando ao segundo tubo principal. A porção de ida e a porção de retorno preferivelmente atravessam os painéis solares térmicos de vácuo numa direcção longitudinal destes. Num caso standard de um painel rectangular, isto significa que as porções de via estendem-se de um dos lados curtos do rectângulo aos opostos.

Meios de tubagem comuns são fornecidos para fazer circular o fluido de transferência de calor no interior do circuito hidráulico.

Cada um dos painéis solares térmicos de vácuo pode internamente compreender pelo menos um tubo de ida e pelo menos um tubo de retorno termicamente ligados com meios de absorção de calor, onde a porção de ida da via de circulação compreende o dito tubo de ida e a porção de retorno compreende o dito tubo de retorno.

Os meios de absorção de calor podem compreender uma placa de absorção de calor conceptualmente feita de duas partes funcionais tendo uma primeira parte em contacto directo com o tubo de ida e uma segunda parte em contacto directo com o tubo de retorno, fendas longitudinais sendo fornecidas entre a primeira parte e a segunda parte a fim de reduzir a condutividade térmica entre as duas partes. Estas fendas não reduzem a rigidez mecânica do absorvedor de calor mas são relevantes para termicamente dividir as duas partes funcionais ligadas ou para os tubos de ida ou para os tubos de retorno ambos transportando o fluxo de fluido de transferência de calor, mas em temperaturas diferentes.

No estado da arte áreas separadas dos absorvedores foram fornecidas, reduzindo além disso a superfície de trabalho do absorvedor e por conseguinte a eficiência global do painel como descrito na aplicação PCT publicada sob o N° WO 2008/000281. Cada um dos painéis solares térmicos de vácuo compreende uma pluralidade de tubos de ida, ditos tubos de ida, todos ligados a uma primeira porta de entrada comum e a uma primeira porta de saída comum, e uma pluralidade de tubos de retorno, ditos tubos de retorno todos ligados a uma segunda porta de entrada comum e a uma segunda porta de saída comum.

Graças a esta disposição um único tubo é necessário para a ligação externa entre dois painéis subsequentes atravessados pela via de circulação, assim limitando bastante as perdas de calor do sistema e a quantidade de isolamento térmico necessário.

Um painel solar térmico de vácuo, que é descrito em ligação com a disposição de campo de painéis solares da invenção, compreende um envelope selado em vácuo, tendo pelo menos uma placa frontal transparente à radiação solar; uma placa de absorção de calor dentro do dito envelope selado em vácuo; pelo menos um tubo de ida termicamente ligado com uma primeira parte da placa de absorção de calor e ligado às primeiras portas de entrada e de saída abrindo do lado de fora o envelope selado de vácuo; pelo menos um tubo de retorno termicamente ligado a uma segunda parte da placa de absorção de calor, dito tubo de retorno ligado às segundas portas de entrada e saída abrindo no lado de fora do envelope selado em vácuo; meios para localmente reduzir a condutividade térmica da placa de absorção de calor fornecidos entre a sua primeira parte e a sua segunda parte. A ideia subjacente à presente invenção é a de reduzir a condutividade térmica transversa dos meios de absorção de calor, de modo a que possa ser mantida uma diferença de temperatura entre a sua primeira e a sua segunda parte e entre os tubos instalados. Por outras palavras, mesmo que seja fornecida uma única placa de absorção de calor, as suas duas partes são deficientemente ligadas termicamente. Tal painel é particularmente adaptado para ser ligado de acordo com a anteriormente debatida disposição de campo.

Os meios para localmente reduzir a condutividade térmica são preferivelmente uma pluralidade de orifícios e/ou fendas fornecidos na superfície da placa de absorção de calor. No entanto, podem ser empregues diferentes meios que estão dentro do conhecimento comum de um especialista na técnica; por exemplo, uma tira de material de isolamento térmico pode dividir as duas partes termicamente condutoras do painel.

Tal como dito anteriormente, é vantajoso ter uma única placa de absorção de calor termicamente dividida em duas partes em vez de ter duas placas separadas fisicamente dentro do painel. No primeiro exemplo, uma única placa de absorção de calor garante uma maior rigidez e resistência mecânica de todo o painel. No segundo exemplo, a área do intervalo de separação entre os dois painéis de absorção de calor fisicamente separados não estaria disponível para efeitos de recolha de calor, o que resultaria numa menor eficiência do dispositivo. A primeira porta de entrada e a segunda porta de saida podem ser fornecidas num lado do envelope selado em vácuo, dita segunda porta de entrada e a primeira porta de saida são fornecidas do lado oposto do envelope.

As primeiras e as segundas partes da placa de absorção de calor podem longitudinalmente estenderem-se de um lado do envelope selado em vácuo para o lado oposto.

Os meios para localmente reduzir a condutividade térmica podem vantajosamente compreender fendas longitudinais separando as primeiras e as segundas partes da placa de absorção de calor. 0 painel solar térmico de vácuo pode compreender uma pluralidade de tubos de ida e uma pluralidade de tubos de retorno, ditos tubos de ida estando todas ligados à mesma primeira porta de entrada e à mesma primeira porta de saida, ditos tubos de retorno estando todos ligados à mesma segunda porta de entrada e à mesma segunda porta de saida.

Graças a esta disposição, dois painéis subsequentes podem ser ligados por meio de um único tubo.

Os tubos de ida e os tubos de retorno são preferencialmente paralelos.

As primeiras e as segundas portas de entrada e saída podem vantajosamente ser alojadas num funil projectando-se de uma placa traseira do envelope selado em vácuo.

Características e vantagens adicionais serão esclarecidas da descrição detalhada, apresentada a seguir, de uma realização preferida mas não exclusiva da presente descoberta, com referência às figuras em anexo fornecidas para fins exemplificativos e não limitativos.

Breve descrição das imagens

Nas Figuras: A Figura 1 mostra esquematicamente uma primeira disposição de um campo de painéis solares de acordo com o estado da técnica; A Figura 2 mostra esquematicamente uma segunda disposição de um campo de painéis solares em série de acordo com o estado da técnica; A Figura 3 mostra esquematicamente uma disposição de um campo de painéis solares de acordo com a presente invenção; A Figura 4 mostra uma vista de perspetiva de baixo do painel solar térmico de vácuo; A Figura 5 mostra um detalhe da estrutura interior do painel solar térmico de vácuo da Figura 4; A Figura 6 mostra uma vista em perspetiva da placa de absorção de calor e dos tubos dos painéis solares térmicos de vácuo da Figura 4; A Figura 7 mostra um detalhe da placa de absorção de calor da Figura 6.

Descrição detalhada

Para uma melhor compreensão da presente invenção, as disposições de campos de painéis solares do estado da técnica representados nas Figuras 1 e 2 são resumidamente descritos a seguir.

As disposições de campos de painéis solares de acordo com o estado da técnica compreendem um circuito hidráulico tendo uma entrada de baixa temperatura 11 m, 11 envia uma saida de alta temperatura 12m, 12s ligados por tubagem que atravessa uma pluralidade de painéis solares térmicos de vácuo lm, ls. Deve ser notado que, no contexto da presente invenção, um circuito hidráulico ou uma porção deste diz-se atravessar um painel se a sua tubagem externa está ligada ao tubo interno do painel, de modo que o fluido de transferência de calor possa fluir através dos painéis quando circulam através do circuito. Meios de bombagem (não mostrados) são fornecidos para fazer circular o fluido de transferência de calor no interior do circuito hidráulico; uma carga tem de ser aplicada entre a entrada llm, lis e a saida 12m, 12s, a fim de fazer uso do calor recolhido.

Na configuração da tubagem série-paralelo de 100m da Figura 1, tipicamente empregue com painéis solares térmicos de vácuo tipo meandro 1 m, o circuito hidráulico compreende uma pluralidade de ramais paralelos, cada um atravessando em série apenas uma porção dos painéis solares térmicos de vácuo formando uma fila da série. 0 comprimento da tubagem externa requerida para uma tal disposição é relativamente elevado.

Na configuração da tubagem em série 100s da Figura 2, tipicamente empregue com painéis solares térmicos de vácuo tipo direto ls, cada ramal do circuito atravessa todos os painéis de uma das filas da disposição. 0 comprimento total exterior do circuito hidráulico é inferior em tal solução mas, uma vez que um painel direto tem uma pluralidade de portas de entrada e de saida, uma correspondente pluralidade de tubos externos é necessária para ligar os painéis subsequentes em todos os ramais do circuito.

Com referência à Figura 3, a disposição de painéis solares de acordo com a presente invenção é mostrada e globalmente indicada com 100. A disposição de campo 100 compreende um circuito hidráulico 10 tendo uma entrada de baixa temperatura 11 e uma saida de alta temperatura 12; meios de bombagem (não mostrados) são fornecidos para fazer circular o fluido de transferência de calor no interior do circuito hidráulico; uma carga tem de ser aplicada entre a entrada 11 e a saida 12 a fim de fazer uso do calor recolhido.

Um primeiro tubo principal 11 é ligado à entrada de baixa temperatura 11, enquanto um segundo tubo principal 12 é ligado à saida de alta temperatura 12. Uma pluralidade de ramais 15, 16 ligam o primeiro tubo principal 11 ao segundo tubo principal 12, cada ramal definindo uma via de circulação diferente para o fluido de transferência de calor. O modo de realização simplificado representado na Figura 3 apenas apresenta dois ramais, ou seja, duas vias de circulação estão disponíveis para o fluido de transferência de calor.

Os ramais alcançam e atravessam uma pluralidade de painéis solares térmicos de vácuo 1, que estão dispostos em filas.

Em particular, cada um dos ramais liga todos os painéis fazendo uma única fila. Um ramal compreende uma porção da via de ida 15 que atravessa em série os painéis de fila 1; e uma porção de retorno 16 que atravessa os mesmos painéis 1 em ordem inversa. Uma porção de loop 17 liga a porção de ida 15 à porção de retorno 16 no final da fila.

Os painéis solares térmicos de vácuo 1 compreendem um envelope selado de vácuo 5, que por sua vez é feito de uma placa frontal (não visível nas figuras), transparente à radiação solar, e uma estrutura de suporte 50 destinada a apoiar a placa frontal. A estrutura de suporte 50 compreende uma placa substancialmente retangular traseira 51 e paredes laterais mais curtas 51a e mais compridas 51b aumentando a partir do perímetro da placa traseira 51. A placa frontal, que é substancialmente uma chapa de vidro plana, fecha a estrutura tipo caixa formada pela placa traseira 51 e paredes laterais 51a, 51b. A placa traseira 51 apresenta quatro funis 52, projectando-se para o exterior do envelope selado em vácuo 5. Tais funis estão dispostos dois a dois nas paredes mais curtas 51a do lado oposto da estrutura de suporte.

Uma placa de absorção de calor 2, visível nas figuras 6 e 7, está fechada dentro do envelope selado em vácuo 5, ou seja entalada entre a placa frontal e a placa traseira 51. A dita placa de absorção de calor apresenta uma pluralidade de orifícios de passagem 23 atravessados por montantes (não mostrados na foto) para suportar a placa frontal. A placa de absorção de calor 2 tem uma forma substancialmente retangular que corresponde à forma do envelope selado em vácuo 5. A placa 2 está longitudinalmente dividida em duas metades iguais, denominadas primeira porção 20 e segunda porção 21 a seguir. A primeira porção 20 e a segunda porção 21 da placa de absorção de calor 2 estão divididas por uma pluralidade de fendas longitudinais 22, estendendo-se ao longo da secção mediana da placa de absorção de calor. Como se pode ver na Figura 7, tais fendas longitudinais 22 são alternadas com os orifícios de passagem 23 situados na secção mediana da placa. As fendas 22 e os orifícios 23 cooperam para definir uma descontinuidade material entre a primeira porção 20 e a segunda porção 21. Tal descontinuidade localmente determina uma queda na condutividade térmica da placa 2, de modo que as primeiras 20 e as segundas 21 porções podem ser facilmente mantidas a diferentes temperaturas. O painel solar térmico de vácuo 1 também compreende uma pluralidade de tubos de ida 3 e uma pluralidade de tubos de retorno 4. O modo de realização representado mostra três tubos de ida 3 e três tubos de retorno 4. Os tubos 3, 4 estão diretamente ligados à traseira da placa de absorção de calor 2, isto é, à superfície da placa virada para a placa traseira 51. Os tubos 3, 4 são paralelos e estendem-se na direção longitudinal do painel 1, atingindo substancialmente as duas extremidades opostas mais curtas.

Os tubos de ida 3 convergem nas suas extremidades opostas, para formar, respetivamente, uma primeira porta de entrada 31 e uma primeira porta de saída 32. Da mesma forma, os tubos de retorno 4 convergem para formar uma segunda porta de entrada 41 e uma segunda porta de saída 42. Tais portas 31, 32, 41 e 42 estão alojadas nos funis 52 do lado de trás do envelope selado de vácuo 5.

Deve ser notado que a primeira porta de entrada 31 e a segunda porta de saida 42 são fornecidas num lado do envelope selado em vácuo 5, enquanto que a segunda porta de entrada 41 e a primeira porta de saida 32 são fornecidas para o lado oposto do envelope 5. Por conseguinte, o fluido de transferência de calor irá fluir através dos tubos de ida 3 numa dada direção longitudinal, e irá fluir através dos tubos de retorno 4 na direção longitudinal oposta.

Quando o painel solar térmico de vácuo é ligado à disposição de campo de painéis solares 100, a primeira porta de entrada 31 e a segunda porta de entrada 32 são ligadas a tubos externos de uma porção da via de ida 15, enquanto a segunda porta de entrada 41 e a segunda porta de saida 42 estão ligados a tubos externos de uma porção da via de retorno 16.

Portanto, os tubos de ida 3 formam parte da porção da via de ida 15, enquanto a tubos de retorno 4 formam parte da porção da via de retorno 16. Dado que o fluido de transferência de calor progressivamente aquece durante a circulação através das porções de ida 15 e das porções de retorno 16, a temperatura do fluido nos tubos de retorno 4 será mais elevada do que a temperatura do fluido nos tubos de ida 3. Tal diferença de temperatura pode elevar-se até 15°C para o primeiro painel de cada fila. Uma vez que os tubos 3, 4 estão em comunicação térmica com duas partes diferentes 20, 21 da placa de absorção de calor, é claramente vantajoso ter uma placa com uma condutividade transversal limitada.

Ao considerar uma disposição de campo de painéis solares térmicos de 100 painéis, cada um com dimensões de 2xlm, composto por 5 filas, cada uma com 20 painéis, as poupanças globais em termos de comprimento de tubo isolado são de 270m e 100m, quando comparado com uma configuração de campo de painéis do tipo serpentina ou direta respetivamente. Também, assumindo perdas típicas de 17W/m, para isolamento em fibra de vidro grossa de 100mm da tubagem externa nas configurações em cima mencionadas, as perdas totais de calor são reduzidas em 4,5 kw e 1.7kW, respetivamente, o que corresponde a 8 e 3% da total da potência de pico típica da disposição de campo de painéis solares operando a 165-180 °C.

Obviamente, a descoberta supra descrita pode ser sujeita a numerosas modificações e variantes - por um perito na arte, com o objetivo de satisfazer os requisitos eventuais e específicos - todos dentro do âmbito de proteção da invenção como definido pelas reivindicações que se seguem.

Lisboa, 03 de Agosto de 2015

Referencias citadas na descrição A lista de referencias citada pelo aplicante serve apenas para a conveniência do leitor. Ela não faz parte do documento de Patente Europeia. Mesmo assim muito cuidado foi tido na compilação das referencias, erros ou omissões não podem ser excluídos e o EPO renucia qualquer resposabilidade a este respeito.

Documentos de Patente citados na descrição

EP 2283282 A WO 2010003653 A US 20070227533 A WO 2009046352 A WO 2008000281 A

Claims (6)

1. Reivindicações 1. Disposição de campo de painéis solares (100) compreendendo uma pluralidade de painéis solares térmicos (I) e um circuito hidráulico (10) para fazer circular um fluido de transferência de calor, dito circuito hidráulico (10) compreendendo pelo menos uma via de circulação (13.14.15.16) ligando uma entrada de baixa temperatura (II) a uma saida de alta temperatura (12), dita via de circulação (13,14,15,16) compreendendo uma porção de ida (15) sucessivamente atravessando uma pluralidade de painéis solares térmicos (1), dita via de circulação (13.14.15.16) que também compreende uma porção de retorno (16) ligada a jusante à dita porção de ida (15), dita porção de retorno (16) atravessando os mesmos painéis solares térmicos (1) em ordem inversa; cada um dos painéis solares térmicos (1) compreende internamente pelo menos um tubo de ida (3) e pelo menos um tubo de retorno (4) termicamente ligados com meios de absorção de calor (2) a porção de ida (15) da via de circulação (13,14,15,16) compreendo o dito tubo de ida (3) e a porção de retorno (16) compreendo o dito tubo de retorno (4); os ditos meios de absorção de calor (2) compreendendo uma placa de absorção de calor (2) tendo uma primeira parte (20) em contacto direto com o tubo de ida (3) e uma segunda parte (21) em contacto direto com o tubo de retorno (4), caracterizada em que os ditos painéis solares térmicos que são painéis solares térmicos de vácuo e ranhuras longitudinais (22) fornecidas entre a primeira parte (20) e a segunda parte (21), a fim de reduzir a condutividade térmica entre as duas partes.
2. 2. Disposição de campo de painéis solares (100) de acordo com a reivindicação 1, em que a dita porção de retorno (16) está diretamente ligada à dita porção de ida (15) na sua extremidade a jusante.
3. 3. Disposição de campo de painéis solares (100) de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que o dito circuito hidráulico compreende: um primeiro tubo principal (13) e um segundo tubo principal (14), respetivamente partindo da entrada de baixa temperatura (11) e chegando à saida de alta temperatura (12); e uma pluralidade de ramais (15, 16) definindo a porção de ida (15) e a porção de retorno (16) de uma das vias de circulação (13,14,15,16), a porção de ida (15) partindo do primeiro tubo principal (13), a porção de retorno chegando ao segundo tubo principal (14).
4. 4. Disposição de campo de painéis solares (100) de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que a porção de ida (15) e a porção de retorno (16) atravessam os painéis solares de vácuo (1) numa direção longitudinal ai.
5. 5. Disposição de campo de painéis solares (100) de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que são fornecidos meios de bombagem para fazer circular o fluido de transferência de calor dentro do circuito hidráulico (10) .
6. 6. Disposição de painéis solares (100) de acordo com a reivindicação 1, onde cada um dos painéis solares térmicos de vácuo (1) compreende uma pluralidade de tubos de ida (3) , ditos tubos de ida (3), estando todos ligados a uma primeira porta de entrada comum (31) e uma primeira porta de saida comum (32), e uma pluralidade de tubos de retorno (4) , ditos tubos de retorno (4), estando todos ligados a uma segunda porta de entrada comum (41) e a uma segunda porta de saida comum (42). Lisboa, 03 de Agosto de 2015