WO2018212669A1

WO2018212669A1 - Aparelho concentrador e estabilizador de raios solares, método e sistema de transmissão de um feixe de raios solares concentrados e estabilizados que o contém

Info

Publication number: WO2018212669A1
Application number: PCT/PT2017/050015
Authority: WO
Inventors: Carlos Manuel BAPTISTA MARTINS
Original assignee: Baptista Martins Carlos Manuel
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2018-11-22

Abstract

A presente invenção enquadra-se na área de concentradores solares, especificamente concentradores solares que têm como objectivo gerar energia térmica. É objecto da presente invenção um aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares que compreende uma superfície convexa reflectora (2) alinhada com uma superfície côncava reflectora (1) tal que raios solares incidentes (5) na superfície côncava reflectora (1) são concentrados em cone (6) na superfície convexa reflectora (2) e aí estabilizados, formando um feixe de raios solares concentrados e estabilizados (7) direccionado ao eixo da superfície côncava reflectora (1), esta tendo formada no seu eixo uma primeira perfuração (8) que a atravessa de um lado ao outro, tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados, provenientes da referida superfície convexa reflectora (2), atravessa essa primeira perfuração (8). Adicionalmente, é também objecto da presente invenção um sistema que compreende o referido aparelho. O aparelho da presente invenção possibilita obter um feixe de raios solares concentrados e estabilizados (7) numa configuração altamente compacta e altamente eficiente.

Description

DESCRICÃO

APARELHO CONCENTRADOR E ESTABILIZADOR DE RAIOS SOLARES, MÉTODO E SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE UM FEIXE DE RAIOS SOLARES CONCENTRADOS E ESTABILIZADOS QUE O CONTÉM

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção enquadra-se na área de concentradores solares, especificamente concentradores solares que têm como objectivo gerar energia térmica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

A presente invenção encontra antecedentes mais próximos em concentradores solares que consistem numa parabólica com uma utilização no local, como casos tendo um motor de Stirling associado, utilizando a luz solar concentrada no foco ou nas imediações do foco da parabólica, o que limita a sua utilização como fonte de energia para as actividades domésticas e industriais. Existem vários modelos de concentração dos raios solares utilizando para esse efeito superfícies reflectoras curvas que possibilitam a utilização da energia concentrada numa zona nas imediações do foco.

Existem também vários modelos de concentradores solares que utilizam superfícies planas para redirecionarem os raios solares para um alvo.

Não permitem designadamente a utilização da energia solar concentrada num local distante do local onde se realiza a concentração, além de implicarem a realização de investimentos vultuosos de construção em altura, quer do alvo, quer das instalações de captação e de utilização da energia gerada. Assim, não permitem igualmente transmissão à distância, possivelmente com novas concentrações.

As suas características têm limitado a utilização da energia solar a alguns casos particulares. Existe também uma solução técnica que recorre a lentes Fresnel para realizar a concentração da luz e lentes óticas para a obtenção de um feixe concentrado de raios solares embora sujeitas a perdas devido à absorção e reflexão de luz decorrente das características dos materiais das lentes Fresnel e das lentes ópticas. A presente invenção consiste numa solução inovadora que pretende, de forma compacta e eficiente, obter um feixe solar concentrado passível de ser usado no local ou transmitido à distância. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É assim objecto da presente invenção um aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares que compreende:

- uma superfície convexa reflectora (2) e

- uma superfície côncava reflectora (1) que:

i. tem um eixo que se encontra alinhado com o eixo da referida superfície convexa reflectora (2) e

ii. esse alinhamento é de tal forma que raios solares incidentes (5) na referida superfície côncava reflectora (1) são concentrados na superfície convexa reflectora (2) e aí estabilizados, formando um feixe de raios solares concentrados e estabilizados direccionado ao eixo da superfície côncava reflectora (1), a referida superfície côncava reflectora (1) tendo formada no seu eixo uma primeira perfuração (8) que a atravessa de um lado ao outro,

tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados, provenientes da referida superfície convexa reflectora (2), atravessa essa primeira perfuração (8).

Desta forma, é possível obter um feixe de raios solares concentrados e estabilizados numa configuração altamente compacta - portanto mantendo um mesmo volume exterior que as referidas típicas soluções com um reflector e um motor de Stirling - e altamente eficiente e simples, através de apenas duas reflexões. A primeira perfuração (8) tem preferencialmente um diâmetro superior ao feixe de raios solares concentrados e estabilizados obtido da superfície convexa reflectora (2).

Num modo preferencial do aparelho da presente invenção, a referida superfície côncava reflectora (1) consiste numa superfície parabólica e reflectora concentradora e a referida superfície convexa reflectora (2) consiste numa superfície parabólica e reflectora estabilizadora.

Num modo vantajoso do aparelho da presente invenção, a superfície convexa reflectora (2):

- está posicionada antes do foco da superfície côncava reflectora (1) e - tem um diâmetro tal e encontra-se numa posição tal que a secção transversal de um cone de concentração de raios solares formado pela superfície côncava reflectora (1) é igual ao diâmetro da abertura circular da superfície convexa reflectora (2).

Tal consiste num modo melhorado daquele descrito como mais geral do aparelho da presente invenção.

Num outro modo vantajoso do aparelho da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriores, a dimensão e curvatura da superfície convexa reflectora (2) é proporcional à da superfície côncava reflectora (1) e a dimensão da superfície convexa reflectora (2) é inferior à da superfície côncava reflectora (1).

Tal possibilita uma ainda mais eficiente estabilização raios solares incidentes (5) na superfície convexa reflectora (2), proporcionando um feixe de raios solares concentrados, estabilizados e paralelos.

O diâmetro da secção do feixe de raios solares concentrados e estabilizados gerado pelo aparelho da presente invenção é determinado pelo diâmetro da abertura circular da superfície convexa reflectora (2), sendo a superfície convexa reflectora (2) colocada numa determinada posição para estabilizar os raios solares convergentes que formam o cone de concentração gerado pela superfície côncava reflectora (1). É também objecto da presente invenção um sistema de transmissão de um feixe de raios solares concentrados e estabilizados que compreende o aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares em qualquer uma das configurações descritas, bem como um alvo (13) para os raios solares concentrados e estabilizados provenientes do referido aparelho.

Tal sistema possibilita a utilização do feixe de raios solares concentrados e estabilizados pelo aparelho da presente invenção num alvo (13).

Num modo vantajoso do sistema da presente invenção, o aparelho compreende uma estrutura basculante fixada à referida superfície côncava reflectora (1), a estrutura basculante estando programada para direccionar a superfície côncava reflectora (1) para o Sol. Tal possibilita uma maximização da eficiência do presente sistema, que proporciona o direccionamento automático do aparelho para o Sol. Num outro modo vantajoso do sistema da presente invenção, este compreende adicionalmente um plano de base (23) e uma primeira superfície plana reflectora (10), que está disposta na parte traseira da superfície côncava reflectora (1) numa posição em que um seu ponto central está alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira perfuração (8), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) é direccionado numa direcção axial, que é perpendicular ao plano de base (23). Tal permite a referida transmissão do feixe de raios solares à distância, através de apenas uma reflexão adicional (total de três reflexões, incluindo as duas do aparelho concentrador e estabilizador (9)) numa superfície plana reflectora, assim disponibilizando o feixe solar concentrado numa direcção axial (perpendicular ao plano de base), o que permite, a partir daí, direccioná-lo para o solo e transmiti-lo à distância.

Num outro modo vantajoso do sistema da presente invenção, este compreende adicionalmente uma primeira superfície plana reflectora (10), que está disposta na parte traseira da superfície côncava reflectora (1) numa posição em que um seu ponto central está alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira perfuração (8), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) é direccionado para uma segunda superfície plana reflectora (11) compreendida pelo sistema, a segunda superfície plana tendo um ponto central alinhado de tal forma com o ponto central da primeira superfície plana reflectora (10) que um feixe de raios solares concentrado e estabilizado proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) é direccionado pela segunda superfície plana reflectora (11) para a mesma direcção e sentido de um eixo axial, sendo esse eixo perpendicular ao plano de base (23). Tal permite a referida transmissão do feixe de raios solares à distância, através de apenas duas reflexões adicionais (total de quatro reflexões, incluindo as duas do aparelho concentrador e estabilizador (9)) em superfícies planas reflectoras, assim disponibilizando o feixe solar concentrado na direcção axial, o que permite, a partir daí, direccioná-lo para o solo e transmiti-lo à distância.

Com o sistema da presente invenção, pretende-se direccionar o feixe de raios solares concentrados e estabilizados para um alvo (13), que consiste numa utilização do feixe no local ou à distância, podendo consistir num forno, um motor de Stirling ou uma tubagem a aquecer no local, um dispersor de luz no local ou à distância, para iluminação de zonas não naturalmente iluminadas como uma mina, ou quaisquer outras utilizações no local ou à distância.

As diferentes configurações gerais e modos de realização descritos consistem em formas alternativas e não limitativas de aproveitar o feixe no local ou à distância.

É igualmente objecto da presente invenção um método de geração de um feixe de raios solares concentrados e estabilizados (7) que compreende os seguintes passos:

- incidência de raios solares numa superfície convexa reflectora (2);

- concentração de raios solares da superfície convexa reflectora (2) para uma superfície côncava reflectora (1) que tem um eixo que se encontra alinhado com o eixo da referida superfície convexa reflectora (2), - estabilização dos raios solares concentrados na superfície côncava reflectora (1), formando um feixe de raios solares concentrados e estabilizados direccionado ao eixo da superfície côncava reflectora (1) e

- passagem do feixe de raios solares concentrados e estabilizados através de uma primeira perfuração (8) formada no eixo referida superfície côncava reflectora (1), que a atravessa de um lado ao outro.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Figura 1 - representação bidimensional de um aparelho concentrador e estabilizador (9) de acordo com a presente invenção, sendo apresentados os raios solares incidentes (5) no aparelho, que após incidirem na superfície côncava reflectora (1) são concentrados para a superfície convexa reflectora (2), formando um cone de concentração solar (6), sendo de seguida estabilizados pela superfície convexa reflectora (2), assim formando o feixe concentrado e estabilizado (7), que atravessa a primeira perfuração (8).

Figura 2 - representação da parte frontal de um aparelho concentrador e estabilizador (9) de acordo com a presente invenção, sendo apresentados os raios solares incidentes (5) no aparelho, que após incidirem na superfície côncava reflectora (1) são concentrados para a superfície convexa reflectora (2), formando um cone de concentração solar (6), sendo de seguida estabilizados pela superfície convexa reflectora (2), assim formando o feixe concentrado e estabilizado (7), que atravessa a primeira perfuração (8). São ainda representados os primeiros braços (4), que fixam a superfície convexa reflectora (2) à superfície côncava reflectora (1), e a caixa (3), na parte posterior da superfície côncava reflectora (1). Figura 3 - representação da parte traseira do aparelho concentrador e estabilizador (9) da Figura 2, sendo visível a segunda perfuração (26), presente na caixa (3) e alinhada com a primeira perfuração (8), de tal forma que o feixe concentrado e estabilizado (7) atravessa ambas as perfurações.

Figura 4 - representação de dois modos de realização do sistema da presente invenção, a quatro reflexões, sendo visíveis o aparelho concentrador e estabilizador (9), a primeira superfície plana reflectora (10) e a segunda superfície plana reflectora (11), que operam de tal forma que o feixe concentrador e estabilizado é direccionado para um alvo (13) (figura esquerda) ou um novo espelho plano (24) (figura direita).

Figura 5 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a quatro reflexões, sendo visíveis o aparelho concentrador e estabilizador (9), o plano de base (23) ou plano horizontal nivelado (23), o alvo (13), o contrapeso (14) e os segundos braços (15) que o suportam, duplos pilares verticais (16), motores que promovem a oscilação dos segundos braços (19), a unidade de comando programada (22) e carris circulares (17). Figura 6 - representação da parte inferior do sistema do modo de realização da figura 4, com alvo (13) no local.

Figura 7 - representação de pormenor do sistema do modo de realização da figura 4, apresentando-se o feixe concentrado e estabilizado (7), a primeira superfície plana reflectora (10), a segunda superfície plana reflectora (11) e os segundos braços (15).

Figura 8 - representação do sistema do modo de realização da figura 4, visto de cima.

Figura 9 - representação da parte inferior do sistema do modo de realização da figura 4, com nova reflexão em espelho plano (24) para transmissão do feixe à distância.

Figura 10 - representação de dois modos de realização do sistema da presente invenção, a três reflexões, sendo visíveis o aparelho concentrador e estabilizador (9) e a primeira superfície plana reflectora (10), que operam de tal forma que o feixe concentrador e estabilizado é direccionado para um alvo (13) (figura esquerda) ou um novo espelho plano (24) (figura direita).

Figura 11 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a três reflexões, sendo visíveis o aparelho concentrador e estabilizador (9), o plano de base (23) ou plano horizontal nivelado (23), o alvo (13), o contrapeso (14) e os segundos braços (15) que o suportam, duplos pilares verticais (16), uma base circular dentada (18), motores que promovem a oscilação dos segundos braços (19), a unidade de comando programada (22) e carris circulares (17). Figura 12 - representação da parte inferior do sistema do modo de realização da figura 11, com alvo (13) no local.

Figura 13 - representação de pormenor do sistema do modo de realização da figura 11, apresentando-se o feixe concentrado e estabilizado (7), a primeira superfície plana reflectora (10) e os segundos braços (15).

Figura 14 - representação da parte inferior do sistema do modo de realização da figura 11, com nova reflexão em espelho plano (24) para transmissão do feixe à distância. Figura 15 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a duas reflexões e com alvo (13) ao centro, sendo assinalados: o aparelho concentrador e estabilizador (9) alinhado com o alvo (13), no qual incide directamente o feixe.

Figura 16 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a duas reflexões e com alvo (13) ao centro, sendo assinalados: o aparelho concentrador e estabilizador (9), os segundos braços (15), o plano de base (23) ou plano horizontal nivelado (23), o alvo (13) e o contrapeso (14).

Figura 17 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a duas reflexões e com alvo (13) no contrapeso (14), o contrapeso (14) consistindo num motor de Stirling.

Figura 18 - representação de um modo de realização do sistema da presente invenção, a duas reflexões e com alvo (13) no contrapeso (14), sendo assinalados: o aparelho concentrador e estabilizador (9), os segundos braços (15), o plano de base (23) ou plano horizontal nivelado (23) e o alvo (13) /contrapeso (14) (com motor de Stirling).

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO As configurações mais gerais e vantajosas da presente invenção estão descritas no Sumário da invenção. Essas configurações são detalhadas de seguida, de acordo com outros modos vantajosos e/ou preferenciais de implementação da presente invenção. Num modo de realização vantajoso do aparelho da presente invenção, uma relação de proporcionalidade Rr do raio da superfície côncava reflectora (1) em relação ao raio superfície convexa reflectora (2) ser idêntica a uma relação de proporcionalidade Rf da distância focal da superfície côncava reflectora (1) em relação à distância focal da superfície convexa reflectora (2). Tal permite uma proporcionalidade ideal entre superfície côncava reflectora (1) e superfície convexa reflectora (2), beneficiando a eficiência do aparelho.

A cada reflexão se verifica uma perda de energia pelo que quanto maior o número de reflexões que o feixe realize até atingir o alvo (13), menor será a energia do feixe que incide no alvo (13).

Num modo preferido do aparelho da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos, a superfície côncava reflectora (1) e a superfície convexa reflectora (2) estão unidas por intermédio de pelo menos três primeiros braços (4) individuais, preferencialmente posicionados fixados na periferia das referidas superfícies, assim formando uma estrutura tronco-cónica aberta.

Num outro modo preferido do aparelho da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos, este compreende adicionalmente uma caixa (3) que suporta a superfície côncava reflectora (1) numa face oposta à superfície côncava reflectora (1) (como representado na Figura 2), a caixa (3) compreendendo uma segunda perfuração (26) que a atravessa de um lado ao outro, que se encontra alinhada com a primeira perfuração (8) da superfície côncava reflectora (1), de tal forma que o feixe de raios solares concentrados e estabilizados possa atravessar ambas as perfurações.

Num outro modo vantajoso do sistema da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos, a estrutura basculante compreende:

- pelo menos dois segundos braços (15) paralelos e fixados à referida caixa

(3), preferencialmente em pontos diametralmente opostos; - um contrapeso (14) que se encontra ligado aos referidos segundos braços (15), preferencialmente por dois terceiros braços perpendiculares aos segundos braços (15), sendo o contrapeso (14) tal que equilibra a massa do referido aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares em relação a um eixo central;

os dois segundos braços (15) tendo capacidade de rotação sobre i) um eixo transversal perpendicular a estes e que intersecta ambos, e sobre ii) um eixo axial perpendicular (ao plano de base (23)) e ao eixo transversal, assim perpendicular aos segundos braços (15).

Tal consiste numa realização da referida capacidade de seguimento do Sol, através da rotação de dois segundos braços (15) fixados ao aparelho da presente invenção.

Num modo de realização vantajoso do sistema da presente invenção, o referido ponto central da primeira superfície plana reflectora (10) está compreendido no eixo de rotação transversal da estrutura basculante. Tal possibilita um controlo adequado do alinhamento do aparelho da presente invenção com a superfície plana reflectora.

Em ainda outro modo vantajoso do sistema da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos referentes ao sistema com três reflexões, este compreende meios de rotação da primeira superfície plana reflectora (10) segundo o referido eixo transversal configurados para, sob rotação axial e/ou transversal da estrutura basculante, o ponto central da segunda superfície plana reflectora (11) se mantenha alinhado com ponto central da primeira superfície plana reflectora (10).

Tal possibilita um controlo adequado do alinhamento da primeira superfície plana reflectora (10), uma peça central do presente sistema de transmissão, disponibilizando um feixe de raios solares perpendicular ao solo.

Em ainda outro modo vantajoso do sistema da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos referentes ao sistema com quatro reflexões, a segunda superfície plana reflectora (11) é fixa e o sistema compreende meios de rotação da primeira superfície plana reflectora (10) segundo o referido eixo transversal configurados para, sob rotação axial e/ou transversal da estrutura basculante o feixe de raios solares concentrados e estabilizados reflectido pela primeira superfície plana reflectora (10) mantenha a direcção e sentido do eixo axial.

Tal possibilita um controlo adequado do alinhamento da primeira superfície plana reflectora (10) com a segunda superfície plana reflectora (11), que é fixa, assim disponibilizando um feixe de raios solares perpendicular ao solo a quatro reflexões.

Num modo vantajoso do sistema da presente invenção, combinável com qualquer um dos anteriormente descritos, este compreende adicionalmente um plano de base (23) perpendicular ao eixo axial que, caso um feixe de raios solares concentrado e estabilizado seja:

- proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) e direccionado pela segunda superfície plana reflectora (11) para uma direcção axial, perpendicular ao plano de base (23) ou

- proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) e daí direccionado numa direcção axial,

o plano de base (23) compreende uma terceira perfuração que o atravessa de um lado ao outro, estando a segunda perfuração (26) alinhada com o referido ponto central da primeira superfície plana reflectora (10) ou da segunda superfície plana reflectora (11) de tal forma que o feixe de raios solares concentrado e estabilizado atravessa a terceira perfuração.

Esta configuração do sistema é uma configuração específica que permite o devido suporte do sistema associado à referida transmissão à distância do feixe obtido, por via de um plano de base (23) perfurado, permitindo a passagem do feixe e a sua transmissão à distância, preferencialmente por nova reflexão em superfície plana, no sub-solo. Numa outra configuração do sistema da presente invenção, alternativa às anteriores compreendendo três ou mais reflexões, o alvo (13) está alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira e/ou segunda perfuração (26), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) incide directamente no alvo (13) e, preferencialmente, o alvo (13) consistir no contrapeso (14), que por sua vez consiste preferencialmente num motor de Stirling. Tal possibilita uma utilização do feixe obtido no local.

Numa outra configuração do sistema da presente invenção, combinável com qualquer uma das anteriormente descritas, a estrutura basculante compreende adicionalmente:

- um plano de base (23) perpendicular ao eixo axial,

- pelo menos dois pilares axiais, perpendiculares ao plano de base (23) e neles suportados,

- uma armação paralela ao plano de base (23) e fixada aos pilares axiais, i. essa armação compreendendo rodas;

- dois carris circulares (17) dispostos concentricamente e suportando as referidas rodas, para consequente rotação da estrutura basculante. Tal consiste numa configuração específica que permite a rotação segundo o eixo axial de todo o sistema, através de um esquema baseado em carris.

Opcionalmente, o método da presente invenção é implementado pelo aparelho da presente invenção, em qualquer uma das suas configurações descritas.

MODOS DE REALIZAÇÃO

A Potência energética do feixe quando este atinge o alvo (13) depende da abertura da superfície côncava reflectora (1), das superfícies não reflectoras (primeira perfuração (8) e sombras dos primeiros braços (4) de suporte da superfície convexa reflectora (2)), da perfeição das superfícies parabólicas refletoras da superfície côncava reflectora (1) e da superfície convexa reflectora (2), das condições atmosféricas que se registem no local que determinam a potência da radiação solar incidente na superfície côncava reflectora (1), da reflectividade das superfícies reflectoras, do número de reflexões efetuadas até o feixe atingir o alvo (13) e, por fim, da latitude do local.

A potência por unidade de área da secção perpendicular do feixe criado é dependente do seu diâmetro.

Então, a potência energética do feixe obtido é dada por W_n =(I-B)x(l-C) obtida após a enésima reflexão, em que: C corresponde à perda de potência ocorrida após a enésima reflexão [C=(l-ci)x (l-c₂) ^χ (l-c₃) ^{χ χ} (l-c_n)] e em que ci, c₂, c₃, c_n correspondem aos coeficientes de perda de potência, iguais ou diferentes, que ocorrem a cada reflexão; I é a Potência Incidente na superfície côncava reflectora (1); B é a Perda de Potência I ncidente em resultado da área de abertura não aproveitável da superfície côncava reflectora (1) dada por B=((A₂+A₃)/Ai)xl, sendo Ai a área de abertura da superfície côncava reflectora (1), sendo A₂ a área de abertura da primeira perfuração (8) na superfície da superfície côncava reflectora (1) com eixo coincidente com o eixo da superfície côncava reflectora (1), sendo A₃ a área de sombra dos primeiros braços (4) de suporte da superfície convexa reflectora (2), na superfície côncava reflectora (1). A potência do feixe por área de incidência depende do grau de concentração do feixe.

Assumindo que a superfície côncava reflectora (1) e a superfície convexa reflectora (2) são circulares, então a área da secção perpendicular do feixe determinará a sua potência por unidade de área da sua secção.

Como referido anteriormente, a intensidade de energia do feixe obtido depende da perfeição das curvas parabólicas e da proporcionalidade entre as dimensões da parábola da superfície convexa reflectora (2) (pPE) e as da parábola da superfície côncava reflectora (1) (pPC). Sendo RpPE o raio da abertura da parábola da superfície convexa reflectora (2) uma fração do raio da abertura da parábola da superfície côncava reflectora (1) (RpPC), também a distância focal da parábola da superfície convexa reflectora (2) (FpPE) é a mesma fracção da distância focal da parábola da superfície côncava reflectora (1) (FpPÇ); considerando Z como fator de proporcionalidade do raio das parábolas (Rp) e T como fator de proporcionalidade da distância focal das parábolas (Fp), então, ZxRpPE=RpPC_ e TxFpPE=FpPÇ_, em que Z=(RpPÇ/RpPE) e T=FpPÇ/FpPE.

Garantindo-se a proporcionalidade entre a pPE e a pPC quanto ao Rp e ao Fp (Z=T), então o feixe obtido é constituído por raios solares paralelos, concentrados e estabilizados. Quando não se verificar a proporcionalidade da pPE em face à pPC, então o feixe obtido à segunda reflexão na superfície convexa reflectora (2), será o resultado de raios solares divergentes ou de raios solares convergentes. Denomine-se de FSCp o Feixe Solar Concentrado de raios solares paralelos. Denomine-se de FSCd o Feixe Solar Concentrado de raios solares divergentes. Denomine-se de FSCc o Feixe Solar Concentrado de raios solares convergentes. Se tomarmos em consideração as expressões ZxRpPE=RpPÇ e TxFpPE=FpPÇ, para se gerar um FSCd então Z<T e para se gerar um FSCc então Z>T. A obtenção do feixe, sob a forma paralela, sob a forma divergente ou sob a forma convergente dependerá da utilização em que se queira aplicar o feixe.

Enquanto o FSCp permite o transporte de energia a distâncias consideráveis pelo recurso a sucessivas reflexões, o FSCc permitirá concentrar num foco a radiação solar do feixe, provavelmente a uma curta distância da superfície convexa reflectora (2) e o FSCd permitirá a aplicação da energia do feixe numa área maior.

Por último, e como já foi explicado, quanto menor for a perda de potência por reflexão, maior a Potência por unidade de área da secção do feixe após a enésima reflexão.

Se se considerar Ci a perda de potência ocorrida a cada reflexão e I a Potência Incidente na superfície côncava reflectora (1), então para Ci=2% constante, à 33^ reflexão a energia obtida será de cerca de 51% de I, e para Ci=4% à 33^ reflexão energia obtida será de 26% de I.

Esta análise é particularmente significativa uma vez que com a obtenção de FSCp será possível transportar energia solar para locais distantes onde a radiação solar directa seja reduzida ou inexistente. Existem revestimentos de superfícies que garantem refletividade da luz incidente de 98%. Descrevem-se de seguida alguns diferentes modos de realização específicos possíveis com o sistema da presente invenção. Sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a quatro reflexões

O sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a quatro reflexões compreende:

· mecanismos eléctricos de rotação e oscilação do aparelho concentrador e estabilizador (9),

• dois espelhos planos de reflexão - as duas superfícies planas reflectoras:

o um primeiro espelho de reflexão (que corresponde à primeira superfície plana reflectora) que tem associado um dispositivo de oscilação do primeiro espelho de reflexão, que compreende um motor (12)

o um segundo espelho de reflexão (que corresponde à segunda superfície plana reflectora) que é fixo

• um alvo (13) localizado no centro do dispositivo num plano inferior ao plano de base (23) - um plano horizontal nivelado (23),

· uma estrutura basculante;

dois carris que possibilitam a rotação da estrutura basculante,

o plano horizontal nivelado (23) ou plano de base (23),

uma unidade de comando electrónica programada,

um motor localizado no plano horizontal nivelado (23) que promove a rotação axial do sistema a quatro reflexões por meio de uma base dentada (21),

• dois motores que promovem oscilação dos segundos braços (19), localizados um em cada um de dois duplos pilares vertical que promovem a oscilação vertical do aparelho concentrador e estabilizador (9) por meio de guias curvas dentadas (20).

O sistema a quatro reflexões, ao nascer do Sol está colocado numa posição em que os raios solares incidentes (5) são paralelos ao eixo da superfície côncava reflectora (1), e durante o dia o sistema a quatro reflexões realiza um movimento de rotação e de elevação do aparelho concentrador e estabilizador (9), de modo a que os raios solares incidentes (5) sejam sempre paralelos ao eixo do aparelho concentrador e estabilizador (9) e, no final do dia, quando ocorre o ocaso, o sistema a quatro reflexões realiza um movimento de rotação inverso colocando-se na posição de início do dia seguinte. Após a segunda reflexão, o feixe concentrado e estabilizado (7) é incidente no primeiro espelho de reflexão, o qual oscila ao longo do dia, por acção do motor do dispositivo de oscilação do primeiro espelho de reflexão (12), de modo a que o feixe concentrado e estabilizado (7) reflectido tenha uma inclinação constante em relação ao plano horizontal nivelado (23).

O feixe concentrado e estabilizado (7), refletido no primeiro espelho de reflexão à terceira reflexão, é incidente no segundo espelho de reflexão, onde ocorre a 4^ reflexão. O segundo espelho de reflexão é fixo por forma a garantir que o feixe concentrado e estabilizado (7), refletido à 4^ reflexão, tem uma inclinação constante em relação ao plano horizontal nivelado (23) de 90^, ou seja, que o feixe concentrado e estabilizado (7) é vertical.

Após a 45 reflexão, o feixe concentrado e estabilizado (7) refletido no segundo espelho de reflexão é incidente no alvo (13), num ponto rigorosamente localizado no centro de rotação do sistema a quatro reflexões, por forma a que o feixe concentrado e estabilizado (7) seja rigorosamente estável em relação ao plano horizontal nivelado (23). O alvo (13) do sistema a quatro reflexões, que se localiza numa posição inferior ao plano horizontal nivelado (23), pode ser constituído pela forma de utilização da energia no local em que o feixe concentrado e estabilizado (7) é obtido. O alvo (13) pode também ser um quinto espelho plano (24) para reencaminhar o feixe concentrado e estabilizado (7), para ser utilizado num local distante.

A utilização do feixe concentrado e estabilizado (7) num local distante depende da estabilidade dos raios solares concentrados que são substancialmente paralelos (podendo ser paralelos, ligeiramente convergentes ou ligeiramente divergentes), mas também depende do feixe concentrado e estabilizado (7) ser rigorosamente estável em relação ao plano horizontal nivelado (23) quando incide no Alvo (13), o que depende de vários fatores conjugados em simultâneo e de forma permanente:

i) o eixo do feixe concentrado e estabilizado (7), determinado pelo eixo da superfície convexa reflectora (2), não pode sofrer qualquer oscilação, sempre que ocorre uma reflexão, até atingir o alvo (13);

ii) o eixo do feixe concentrado e estabilizado (7) incide no ponto central do primeiro espelho de reflexão, no ponto central do segundo espelho de reflexão e no ponto central do alvo (13);

iii) o eixo de oscilação da estrutura basculante é coincidente com o ponto central do primeiro espelho de reflexão; iv) o feixe concentrado e estabilizado (7) vertical tem de ser estável em relação ao plano horizontal nivelado (23) pelo que o eixo do feixe concentrado e estabilizado (7) vertical é o eixo de rotação do sistema a quatro reflexões.

O sistema a quatro reflexões pode ser instalado em qualquer ponto o planeta em que se queira obter o feixe concentrado e estabilizado (7), a qualquer altitude e em qualquer latitude. Sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a três reflexões

O sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a três reflexões compreende:

• um espelho plano de reflexão (que corresponde à primeira superfície plana reflectora) e um dispositivo de oscilação do espelho plano de reflexão, que inclui um motor (12) associado que possibilita a sua rotação / oscilação em torno de um eixo transversal,

• um plano horizontal nivelado (23),

• um alvo (13) localizado no centro do dispositivo num plano inferior ao Plano horizontal nivelado (23),

• uma estrutura basculante que inclui:

o dois carris que possibilitam a rotação da estrutura basculante;

• uma unidade de comando electrónica programada,

• um motor localizado no plano horizontal nivelado (23) que promove a rotação do sistema a três reflexões por meio de uma base dentada (21),

• dois motores que promovem oscilação dos segundos braços (19) localizados um em cada um de dois duplos pilares verticais (16) que promovem a oscilação vertical do sistema a três reflexões por meio de guias curvas dentadas (20). O sistema a três reflexões, ao nascer do Sol, está colocado numa posição em que os raios solares incidentes (5) são paralelos ao eixo da superfície côncava reflectora (1), e durante o dia o sistema a três reflexões realiza um movimento de rotação e de elevação do aparelho concentrador e estabilizador (9), de modo a que os raios solares incidentes (5) sejam sempre paralelos ao eixo do aparelho concentrador e estabilizador (9) e, no final do dia, quando ocorre o Ocaso, o sistema a três reflexões realiza um movimento de rotação inverso colocando-se na posição de início do dia seguinte. Após a segunda reflexão, o feixe é incidente no espelho plano de reflexão, o qual oscila ao longo do dia, por ação do motor do dispositivo de oscilação do espelho plano de reflexão (12), de modo a que o feixe reflectido tenha uma inclinação constante de 90^ em relação ao plano horizontal nivelado (23); após a 3^ reflexão o feixe é incidente no alvo (13), num ponto rigorosamente localizado no centro de rotação do sistema a três reflexões, por forma a que o feixe seja rigorosamente estável em relação ao plano horizontal nivelado (23); o alvo (13) do sistema a três reflexões, que se localiza numa posição inferior ao plano horizontal nivelado (23), pode ser constituído pela forma de utilização da energia no local em que o feixe é obtido. O Alvo (13) pode também ser um espelho plano (24) de reflexão para reencaminhar o feixe, para ser utilizado num local distante. A utilização do feixe num local distante, depende da estabilidade dos raios solares concentrados que são substancialmente paralelos (paralelos, ligeiramente divergentes ou ligeiramente convergentes), mas também depende do feixe ser rigorosamente estável quando incide no Alvo (13), o que depende de vários fatores conjugados em simultâneo e de forma permanente:

ii) o eixo do feixe incide no ponto central do espelho plano de reflexão e no ponto central do Alvo (13);

iii) o eixo de oscilação da estrutura basculante é coincidente com o ponto central do espelho plano de reflexão;

iv) o feixe_vertical tem de ser estável em relação ao plano horizontal nivelado (23) pelo que o eixo do feixe é o eixo de rotação do sistema a três reflexões.

O sistema a três reflexões pode ser instalado a qualquer altitude do planeta em que se queira obter o feixe concentrado e estabilizado (7), mas tem limitações em termos de latitude.

O sistema a três reflexões é mais eficiente que o sistema a quatro reflexões uma vez que feixe atinge o alvo (13) à 3^ reflexão; contudo, quanto maior for a elevação solar, menor o ângulo de incidência do feixe no espelho plano de reflexão e maior o alongamento da elipse de reflexão no espelho plano de reflexão de que resulta como limite, para que não se verifiquem perdas de reflexão, as dimensões do espelho plano de reflexão.

Para alturas solares elevadas verificar-se-ão perdas de reflexão, podendo ocorrer danos no espelho plano de reflexão, quando a incidência solar for vertical. Exemplo: para a dimensão do primeiro espelho de reflexão de 60 cm, concluíram-se os seguintes limites quanto à altura angular do sol e quanto ao diâmetro do feixe concentrado e estabilizado (7):

Altura Angular do Sol Inclinação do espelho plano_em Diâmetro do feixe relação ao plano horizontal

nivelado (23) *

70° 80° 10 cm

80° 85° 5 cm

85° 87,5° 2,5 cm

^Inclinação do espelho plano em relação ao plano horizontal nivelado (23)

Sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a duas reflexões com alvo ao centro

O sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares duas reflexões com alvo (13) ao centro compreende:

• mecanismos eléctricos de rotação e oscilação do aparelho concentrador e estabilizador (9),

• plano horizontal nivelado (23)

• um Alvo (13) localizado no centro de rotação do dispositivo num plano superior ao Plano horizontal nivelado (23)

• uma estrutura basculante que contém:

o dois carris que possibilitam a rotação da estrutura basculante, um plano horizontal nivelado (23),

uma unidade de comando eletrónica programada,

um motor localizado no plano horizontal nivelado (23) que promove a rotação do sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro por meio de uma base dentada (21),

• dois motores que promovem oscilação dos segundos braços (19) localizados um em cada um de dois duplos pilares verticais (16) que promovem a oscilação vertical do aparelho concentrador e estabilizador (9) por meio de guias curvas dentadas (20).

O sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro, ao Nascer do Sol está colocado numa posição em que os raios solares incidentes (5) são paralelos ao eixo da superfície côncava reflectora (1), e durante o dia o sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro realiza um movimento de rotação e de elevação do aparelho concentrador e estabilizador (9), de modo a que os raios solares incidentes (5) sejam sempre paralelos ao eixo do aparelho concentrador e estabilizador (9) e, no final do dia, quando ocorre o Ocaso, o sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro realiza um movimento de rotação inverso colocando-se na posição de início do dia seguinte.

Após a segunda reflexão, o feixe resultante é incidente no Alvo (13) localizado no topo de um pilar, numa posição superior ao plano horizontal nivelado (23), e pode ser constituído pela forma de utilização da energia que se queira, no local em que o feixe resultante é obtido.

O sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro pode ser instalado em qualquer ponto do planeta em que se queira obter e usar o feixe resultante, a qualquer altitude e em qualquer latitude.

O sistema a duas reflexões com alvo (13) ao centro é mais eficiente que o sistema a quatro reflexões e que o sistema a três reflexões uma vez que feixe resultante atinge o alvo (13) à 2^ reflexão.

Sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares a duas reflexões com alvo no contrapeso O sistema com aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) compreende:

• mecanismos elétricos de rotação e oscilação do aparelho concentrador e estabilizador (9),

• um plano horizontal nivelado (23)

· um alvo (13) localizado no contrapeso (14) da estrutura basculante

• uma estrutura basculante que contém dois carris que possibilitam a rotação da estrutura basculante,

• uma unidade de comando eletrónica programada,

• um motor localizado no plano horizontal nivelado (23) que promove a rotação do sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) por meio de uma base dentada (21),

• dois motores que promovem oscilação dos segundos braços (19) localizados um em cada um de dois duplos pilares verticais (16), que promovem a oscilação vertical do aparelho concentrador e estabilizador (9) por meio de guias curvas dentadas (20).

O sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14), ao Nascer do Sol está colocado numa posição em que os raios solares incidentes (5) são paralelos ao eixo da superfície côncava reflectora (1), e durante o dia o sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) realiza um movimento de rotação e de elevação do aparelho concentrador e estabilizador (9), de modo a que os raios solares incidentes (5) sejam sempre paralelos ao eixo do aparelho concentrador e estabilizador (9) e, no final do dia, quando ocorre o Ocaso, o sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) realiza um movimento de rotação inverso colocando-se na posição de início do dia seguinte.

Após a segunda reflexão, o feixe resultante é incidente no alvo (13) localizado contrapeso (14) da estrutura basculante, e pode ser constituído pela forma de utilização da energia que se queira, no local em que o feixe é obtido. O sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) pode ser instalado em qualquer ponto do planeta em que se queira obter e usar o feixe concentrado e estabilizado (7), a qualquer altitude e em qualquer latitude. O sistema a duas reflexões com alvo (13) no contrapeso (14) é mais eficiente que o sistema a quatro reflexões e que o sistema a três reflexões uma vez que feixe resultante atinge o alvo (13) à 2^ reflexão.

Como será evidente a um perito na especialidade, a presente invenção não deverá estar limitada aos modos de realização descritos no presente documento, sendo possíveis diversas alterações que se mantêm no âmbito da presente invenção.

Evidentemente, os modos preferenciais acima apresentados são combináveis, nas diferentes formas possíveis, evitando-se aqui a repetição de todas essas combinações.

Claims

REIVINDICACÕES

1. Aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares caracterizado por compreender:

- uma superfície convexa reflectora (2) e

- uma superfície côncava reflectora (1) que:

2. Aparelho de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a referida superfície côncava reflectora (1) consistir numa superfície parabólica e reflectora concentradora e a referida superfície convexa reflectora (2) consistir numa superfície parabólica e reflectora estabilizadora.

3. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a superfície convexa reflectora (2):

- estar posicionada antes do foco da superfície côncava reflectora (1) e

- ter um diâmetro tal e encontrar-se numa posição em que a secção transversal de um cone de concentração de raios solares formado pela superfície côncava reflectora (1) é igual ao diâmetro da abertura circular da superfície convexa reflectora (2).

4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a dimensão e curvatura da superfície convexa reflectora (2) ser proporcional à da superfície côncava reflectora (1) e a dimensão da superfície convexa reflectora (2) ser inferior à da superfície côncava reflectora (1).

5. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por uma relação de proporcionalidade Rr do raio da superfície côncava reflectora (1) em relação ao raio superfície convexa reflectora (2) ser idêntica a uma relação de proporcionalidade Rf da distância focal da superfície côncava reflectora (1) em relação à distância focal da superfície convexa reflectora (2).

6. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a superfície côncava reflectora (1) e a superfície convexa reflectora (2) estarem unidas por intermédio de pelo menos três primeiros braços (4) individuais, preferencialmente posicionados fixados na periferia das referidas superfícies, assim formando uma estrutura tronco-cónica aberta.

7. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender adicionalmente uma caixa (3) que suporta a superfície côncava reflectora (1) numa sua face oposta à superfície côncava reflectora (1), a caixa (3) compreendendo uma segunda perfuração (26) que a atravessa de um lado ao outro, que se encontra alinhada com a primeira perfuração (8) da superfície côncava reflectora (1).

8. Sistema de transmissão de um feixe de raios solares concentrados e estabilizados caracterizado por compreender o aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares de qualquer uma das reivindicações anteriores e um alvo (13) para os raios solares concentrados e estabilizados provenientes do referido aparelho.

9. Sistema de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o referido aparelho compreender a caixa (3) que suporta a superfície côncava reflectora (1) numa sua face oposta à superfície côncava reflectora (1) e por o sistema compreender adicionalmente uma estrutura basculante fixada à referida caixa (3), a estrutura basculante estando programada para direccionar a superfície côncava reflectora (1) para o Sol.

10. Sistema de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por a estrutura basculante compreender:

- pelo menos dois segundos braços (15) paralelos e fixados à referida caixa (3), preferencialmente em pontos diametralmente opostos;

- um contrapeso (14) que se encontra ligado aos referidos segundos braços (15), preferencialmente por dois terceiros braços perpendiculares aos segundos braços (15), sendo o contrapeso (14) tal que equilibra a massa do referido aparelho concentrador e estabilizador (9) de raios solares em relação a um eixo central;

os dois segundos braços (15) tendo capacidade de rotação sobre i) um eixo transversal perpendicular a estes e que intersecta ambos, e sobre ii) um eixo axial perpendicular ao plano de base (23) e ao eixo transversal, assim perpendicular aos segundos braços (15).

11. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-10 caracterizado por compreender adicionalmente um plano de base (23) e uma primeira superfície plana reflectora (10), que está disposta na parte traseira da superfície côncava reflectora (1) numa posição em que um seu ponto central está alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira e/ou segunda perfuração (26), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) é direccionado numa direcção axial, perpendicular ao plano de base (23).

12. Sistema de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o referido ponto central da primeira superfície plana reflectora (10) estar compreendido no eixo de rotação transversal da estrutura basculante.

13. Sistema de acordo com qualquer uma das 11-12 caracterizado por compreender meios de rotação da primeira superfície plana reflectora (10) segundo o referido eixo transversal configurados para, sob rotação axial ou transversal da estrutura basculante, o feixe de raios solares concentrados e estabilizados reflectido pela primeira superfície plana reflectora (10) manter a direcção axial.

14. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-10 caracterizado por compreender adicionalmente um plano de base (23) e uma primeira superfície plana reflectora (10), que está disposta na parte traseira da superfície côncava reflectora (1) numa posição em que um seu ponto central está alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira e/ou segunda perfuração (26), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) é direccionado para uma segunda superfície plana reflectora (11) compreendida pelo sistema, a segunda superfície plana tendo um ponto central alinhado de tal forma com o ponto central da primeira superfície plana reflectora (10) que um feixe de raios solares concentrado e estabilizado proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) é direccionado pela segunda superfície plana reflectora (11) para uma direcção axial, perpendicular ao plano de base (23).

15. Sistema de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por compreender meios de rotação da primeira superfície plana reflectora (10) segundo o referido eixo transversal configurados para, sob rotação axial e/ou transversal da estrutura basculante, o ponto central da segunda superfície plana reflectora (11) se manter alinhado com ponto central da primeira superfície plana reflectora (10).

16. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-15 caracterizado por compreender um plano de base (23) perpendicular ao eixo axial que, caso um feixe de raios solares concentrado e estabilizado seja:

- proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) e direccionado pela segunda superfície plana reflectora (11) para uma direcção axial ou - proveniente da primeira superfície plana reflectora (10) e daí direccionado numa direcção axial,

17. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 8-10 caracterizado por o alvo (13) estar alinhado com o eixo da superfície côncava reflectora (1), tal que um feixe de raios solares concentrados e estabilizados proveniente da primeira e/ou segunda perfuração (26), resultante de raios solares que atravessaram os elementos do aparelho concentrador e estabilizador (9) incide directamente no alvo (13) e, preferencialmente, o alvo (13) consistir no contrapeso (14), que por sua vez consiste preferencialmente num motor de Stirling, num forno ou num tubo que compreende um líquido circulante a aquecer.

18. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 9-17 caracterizado por a estrutura basculante compreender adicionalmente:

- um plano de base (23) perpendicular ao eixo axial,

- uma armação paralela ao plano de base (23) e fixada aos pilares axiais, i. essa armação compreendendo rodas; - dois carris circulares (17) dispostos concentricamente e suportando as referidas rodas, para consequente rotação da estrutura basculante.

19. Método de geração de um feixe de raios solares concentrados e estabilizados (7) caracterizado por compreender os seguintes passos:

- incidência de raios solares n uma superfície convexa reflectora (2);