COLETORES SOLARES:

MATERIAIS DISPONÍVEIS NO MEIO RURAL

Sebastião Amílcar de Figueiredo SantosFaculdade de Ciências e Letras do Alto São Francisco – FASF

35595-000 Luz- M.G.telefax: (037)34213434safsantos@catedralnet.com.br

Jair Nascimento FilhoDepartamento de Eng. Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais

Av. Antonio Carlos 6627 – Campus UFMG31270-901 Belo Horizonte, M. G. telefax: (031)34995220

jair@demec.ufmg.br

RESUMO

Na área rural, a energia solar pode ser umasubstituta ou economizadora das fontesconvencionais de energia. O objetivo deste trabalhoé o de apresentar um estudo sobre aplicações decoletores solares na área rural, com ênfase nautilização de materiais disponíveis no meio rural.Por exemplo, materiais secos tais como o algodão,a palha de milho, a casca de arroz, o bagaço decana, o capim, a grama e o sisal, servemadequadamente como isolantes térmicos. Estetrabalho apresenta uma reflexão sobre os sistemasdescritos, no qual são discutidas as alternativasrelativas aos materiais disponíveis e aos custos dosmesmos.

ABSTRACT

On the countryside, the solar energy is asuitable and economical alternative to conventionalenergy sources. This work is concern with the useof solar energy on small farms with emphasis tonon- conventional materials, i.e. cotton, corn cob,sugar-cane leaves, rice cobs and tropical grass.Those materials can be used as low cost thermalisolation. This work is a collection of ideas aboutthose materials and their use into the solar energysystems.

INTRODUÇÃO

Coletores solares são os sistemas daenergia solar que mais rapidamente se difundiram.Tal êxito se deve ao fato de que esses equipamentosencontram uma variedade de aplicações naindústria, nas residências e na agricultura, além deserem relativamente de fácil construção e baixocusto, não requerendo sofisticados materiais e altatecnologia. Devido a esta peculiaridade é que oscoletores solares prestam-se muito a usos na árearural, cujos materiais locais podem ser nelesempregados, não exigindo, inclusive, cuidados coma estética que é desejada em áreas urbanas. Na árearural, a disponibilidade de energia convencional -eletricidade ou gás - é ausente ou muito cara, dada adispersão da população e sua distância dos recursosenergéticos tradicionais. Assim, a energia solar éuma substituta ou economizadora das fontesconvencionais de energia .

Ao falarmos em área rural do Brasildevemos ter em mente as suas diferençasclimáticas, pois enquanto no Sul necessita-seaquecer, no Nordeste precisa-se refrigerar , eenquanto neste há pouca água e salgada, no Sul háágua abundante.

Para efeito deste trabalho, entenderemoscomo coletor solar a todo sistema capaz de captar aenergia a energia solar e aquecer a água ou o ar.Dado o pouco espaço disponível para uma

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abordagem detalhada de cada sistema a serenfocado, nos preocuparemos a dar a conceituaçãobásica de cada um deles com inúmeras sugestõespráticas e com uma linguagem bem acessível.

RENDIMENTO TÉRMICO DE UMCOLETOR SOLAR

O rendimento térmico de um coletor dechapa plano associa-se á temperatura médiaatingida pelo fluído de trabalho entre a entrada e asaída do coletor conforme equação (1).

η = Fηo - FUL[Tf - Tamb ] / Ht (RC) (1)

η ⇒ eficiência térmica do coletorF ⇒ fator de eficiência do coletorηo ⇒ eficiência óptica do coletorUL ⇒ coeficiente global de perdas no coletorTf ⇒ temperatura de misturaTamb ⇒ temperatura ambiente localHt ⇒ fluxo de radiação solar total incidente nacoberturaRC ⇒ razão de concentração

Geralmente, o rendimento de um coletorde calor aumenta quando esta temperatura médiacai. A temperatura média e, concomitantemente, atemperatura de saída, são reguladas pelo fluxo decalor ou taxa de extração: quando o fluxo de calor éinterrompido, acha-se uma temperatura máximaque corresponde ao equilíbrio entre a radiaçãoincidente de um lado, e as perdas condutivas,radiativas e convectivas por outro [1]. Sob estascondições, a quantidade de calor extraído, bemcomo o rendimento, é zero. Se ao invés disto, a taxade extração de calor for muito alta, a temperaturamédia cairá a um valor próximo da temperaturaambiente; por causa da pequena diferença detemperatura, todas as perdas parasitárias serãopequenas e o rendimento térmico poderá mesmoatingir 100%, na prática.

Mas, nem uma alta temperatura comrendimento zero, nem uma baixa temperatura comalto rendimento, são de interesse prático. Comocompromisso, um ponto de operação intermediárioé escolhido, que proporciona um rendimentointermediário, a uma temperatura bem abaixo doponto de vaporização da água que é em torno de1000C a pressão atmosférica.

Como exemplo, a figura 1 mostra adependência da temperatura que tem o rendimentodo coletor, para um absorvedor pintado de negro epara um pintado de negro seletivo [2], em funçãoda diferença de temperatura ∆T entre o exterior dovidro (temperatura ambiente) e o absorvedor. Orendimento óptico é indicado a ∆T = 0. Pode-se

deduzir da figura 1 que, a uma temperatura de ∆T =500C na saída acima da ambiente, por exemplo, ecom uma diferença média de temperatura de ∆T =250C, um coletor normal de chapa plana, pintado denegro, poderia ser operado com um rendimento decerca de 50%. Isto se baseia nas hipóteses acima,,incidência perpendicular da luz (condição do meiodia), e intensidade da luz de 70% de AM1 (Massade Ar 1, correspondente a massa de ar de umaatmosfera ao nível do mar) máximo possível [3]

Figura 1-Rendimento Térmico de um Coletor Solar

TIPOS DE APLICAÇÕES

Serão apresentadas aplicações relativas aaquecimento de água e de ar. Por via solar a águapode ser aquecida para o aquecimento-amazenamento e o ar pode ser aquecido para asecagem de produtos agrícolas, para o confortohumano e até para obtenção de temperaturas maisadequadas para a germinação e crescimento deplantas. A seguir veremos algumas dessasaplicações.no aquecimento de água e de ar.

Aplicações para aquecimento de água

Na figura 2 vemos um sistema deaquecimento – armazenamento de água usando oregime de termo-sifão, isto é, o próprioaquecimento da água no coletor faz a mesma subiraté o depósito e descendo daí apenas a água friadevido ao seu peso e reiniciando um novo ciclo.Este é o sistema solar de aquecimento de águamuito simples que não requer cuidados contínuosde manutenção.

Para as áreas rurais deve-se juntar estavantagem com a simplicidade de construção,embora nem sempre materiais mais simplesconduzam a uma descomplicação. Este é o caso douso da madeira para as caixas dos coletores. Essascaixas devem ser à prova de infiltração de água eumidade não só quando da sua instalação, mastambém devem permanecer assim por muitos anos.Se a madeira para esses casos for usada, ela deveestar bem seca, ser impermeabilizada e recebertratamento contra os cupins.

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No lugar da madeira poderão ser usadascaixas metálicas (incluindo perfis de alumínio) outambém telhas de amianto ou mesmo caixas defibra de vidro, verificando sempre seus custos.

Na figura 2 (b) temos uma vista em cortede um coletor solar plano convencional. Vemos queo coletor, na tubulação e no reservatório térmico éusado isolante térmico, o qual é, geralmente, lã devidro. Este é, porém, junto com o vidro e os metaisusados, um dos materiais que mais contribuem parao aumento do custo dos coletores solares. Na árearural existem, todavia, produtos que podem servirjustamente para essa finalidade. Materiais secoscomo o algodão, a palha de milho, a casca de arroz,bagaço de cana, capim, grama, sisal [4], servemadequadamente como isolantes térmicos. Para aisolação da tubulação e do reservatório térmico érecomendável o uso de um plástico negro por forado isolante.

Quanto aos metais para a placaabsorvedora e para o reservatório não de dispõe demuitas opções. O cobre é o material mais indicadopor não sofrer corrosão ao longo do tempo comtemperaturas relativamente altas. O alumíniopoderia servir para a chapa observadora, pois émais barato que a chapa de cobre. O bronzetambém poderia ser utilizado. Cuidados, porém,devem ser tomados com relação a junções demetais que sob efeito da água podem provocarcorrosões sérias aos metais. Por isso, conexões decobre e aço nunca devem ser feitas. Ligação cobre-bronze pode ser executada. Não é recomendável ouso do alumínio para nenhuma parte que devaentrar em contato direto com a água. Por outro lado,tubos e chapas de ferro galvanizado que são bemmais baratos, podem ser usados. O bronze seriamais empregado em coletores solares se ele fossebem mais barato ou se tivesse sua condutividadetérmica maior.

Os coletores solares, emboraaparentemente simples, apresentam uma relativadificuldade na confecção de chapa absorvedora.

Uma forma prática de contornar talsituação, seria a simples utilização de um radiadorde carro (já usado) pintado de preto fosco no lugarda placa absorvedora. Ao mesmo tempo deve serdeixado um espaço de 4 cm entre o radiador e acobertura transparente, bem como o isolantetérmico sob o mesmo.

Para a cobertura transparente do coletordispõe-se do vidro ou do plástico. O vidroproporciona um maior rendimento ao coletor,porém é mais caro que o plástico. Este, por sua vez,é mais facilmente manuseável e transportável que ovidro, entretanto, o plástico se degrada em questãode meses quando submetido a radiação solar. Para aescolha de um ou outro, e como medida dadurabilidade dos plásticos pode-se adotar um prazomédio de seis meses. Em locais de fortes ventos ouchuva de granizo pode-se usar um vidro com 4 ou 5mm de espessura. Nos demais lugares um vidro de3 mm é adequado.

Uma outra forma prática e econômica deaquecer água é como vemos na figura 3.

Figura 3 - Sistema Alternativo de Aquecimento de Água.

No meio rural existe material e mão-de-obra para fazer uma laje de concreto. Comoisolante, sob a laje deverá ter uma camadacompacta de no mínimo 20 cm de areia bem seca eenvolta por plástico ou lona, afim de não permitir amovimentação e/ou umidificação desta areia pelaágua. A parte superior da laje e suas lateraisdeverão ser pintadas de preto fosco. Embora a

Figura 2- Sistema de Aquecimento de Água

Radiaçãosolar

Água quente

Água quentepara consumo

Entrada deágua fria

Isolamento

Isolamento

(a)

Água fria

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figura não mostre, um plástico transparente poderáser colocado sobre á laje, a 5 cm da mesma.

Dois exemplos rudimentares deaquecimento e onde o coletor e o reservatóriosãouma coisa só são dados a seguir. O primeiroseria simplesmente uma caixa de ferro galvanizadocheia de água coberta por plástico transparente eexposta ao sol. O fundo desta caixa deverá serpintado de preto e não mais de 4 cm de água deveráser colocado na caixa de cada vez, afim de se obterum maior aquecimento. O segundo seria uma caixade madeira com fundo preto e em cujo interior seriacolocado um saco plástico transparente contendoágua. Fechando a caixa iria também um plásticotransparente a fim de aumentar o efeito-estufa. Emambos os exemplos um tubo deverá ser colocadonas caixas a fim de permitir a alimentação e retiradade água. E para os dois exemplos o uso da águaquente seria feito logo a seguir ao seu aquecimento.

Aplicações para aquecimento de ar

Por via solar o ar pode ser aquecido para asecagem de produtos agrícolas, para o confortohumano e até para obtenção de temperaturas maisadequadas para a germinação e crescimento deplantas. A seguir veremos algumas dessasaplicações.

Secagem

Por falta de condições adequadas dearmazenamento, os países subdesenvolvidosperderam 42 milhões de toneladas de cereais elegumes em 1976 [5]. Isto é equivalente a 60% daprodução anual da África ou 95% da produçãoanual de grãos do Canadá. A secagem é um dospassos mais importantes depois da colheita.

Na figura 4 vemos secadores solarestradicionais. Na figura 4 (a) os alimentos a secarsão colocados diretamente no coletor e ali sãosecados através da influência da radiação solar e doar aquecido que por ele circula.

Na figura 4 (b) os produtos a secar são dispostosnum compartimento adicional (chamado de silo), de

forma que a secagem é feita apenas através dapassagem do ar aquecido.

No secador de exposição indireta aqualidade dos produtos secados é melhor do que node exposição direta, isto porque os produtos nãosofrem a ação direta dos raios solares. Dependeráda utilização dos produtos secados a escolha do tipode secagem, além de fatores econômicos. Porexemplo, para a feitura de passas de frutas (algunstipos) ou farinha de banana, o secador de exposiçãodireta poderá ser usado. Para secagem de grãos eprodutos mais sensíveis ao calor recomenda-se o deexposição indireta. Neste sistema, porém, éaconselhável o uso de um ventilador entre o coletore o silo a fim de que sejam atingidas uma pressão evazão necessárias para vencer a resistência àpassagem do ar causada pelos grãos, chapasperfuradas, dutos , etc.

Os coletores solares para aquecimento dear não apresentam o inconveniente daestanqueidade que devem ter os coletores paraaquecimento de água, e por tanto a madeira já podeser usada para a caixa do coletor bem como para osilo. Para impedir que a água ou umidade atinjam oisolante térmico - isto eliminaria o seu efeito - eledeverá estar em volto por um plástico. Um plásticonegro poderá também envolver o silo de madeira.Os modelos podem ser os mesmos da figura 4.

Um secador solar ainda mais econômicopoderia ser feito totalmente com plástico, madeira eos isolantes térmicos mencionados anteriormente.Os tipos de secadores podem ser os mesmos dafigura 4. O silo seria feito totalmente de plásticonegro, apenas com os quatro sustentadores demadeira. O coletor poderia ter a parte superior esuas laterais feitas de plástico transparentes. Nolugar da chapa absorvedora iria um plástico negro.Por baixo deste, o isolante térmico suportado pormadeira ou também por plástico negro. Para evitaro uso de ventilador as bandejas perfuradas nãoteriam tamanho igual ao diâmetro ou largura dosilo, mas menores e instaladas consecutivas porémopostamente umas das outras (e intercaladas) , deforma a criar um caminho livre para o ar. Para

todos os silos usados com secadores é aconselhávelFigura 4-Secadores Solares

1-vidro ou plástico2- alimento a desidratar3- chapa absorvedora4- material isolante térmico5- entrada de ar (frio)6- saída de ar (quente e úmido)

1- entrada de ar2- chapa absorvedora3- vidro ou plástico4- bandejas perfuradas5- saída de ar6- isolante térmico7- alimento a secar

(a)

(b)

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que relação diâmetro (ou largura) / altura do silo,isto é, (D ou L) / H seja de 5/3 [5].

Este secador é, também, feito commateriais simples e econômicos. O plástico revestetodo o sistema e o bambu é utilizado para suasustentação. Cascas de arroz queimadas ouqualquer outro produto de cor negra (carvão nãovale, pois ele é poluente) fazem o fundo absorvedordo secador. O arroz a ser secado deve ser colocadoem bandejas móveis pela parte posterior. Achaminé e o ar morno que por ela circula provocamo efeito-chaminé, o qual produz uma maior retiradade ar do secador.

Outro material largamente empregado einclusive feito em áreas rurais é o tijolo. Com eletambém poderiam ser feitos coletores solares para oaquecimento de ar, como mostra a figura 6.

Figura 6 - Aquecedor Solar de Ar de tijolo

Neles, também poderiam ser colocadaspedras de tamanho médio a fim de aumentar a áreade troca de calor entre o fundo absorvedor e o ar,aumentando, assim, o aquecimento deste. Tanto ofundo quanto as pedras devem ser pintados depreto. Apenas colocar as pedras juntas umas dasoutras, não devendo preencher todos os espaços.

Os sistemas de secagem que acabamos dedescrever podem ser utilizados para secagem dequalquer tipo de produto agrícola, desde grão,frutas, feno e até charque. Esses produtos se foremdeixados secar ao ar livre demorarão muito maistempo para secar do que se forem secados atravésde secadores solares. Além disso ao ar livre elesestão sujeitos ao ataque de insetos, fungos,passarinhos e à precipitação da chuva. E ossecadores solares proporcionam uma melhorqualidade do produto secado. Só para citar, a alfafamantém uma maior quantidade de vitamina A doque se fosse secado ao ar livre; e a madeira, sendosecada ao ambiente sofre maior enrrugamento eempenamento do que em secadores solares.

Estufa Solar

A estufa solar, muito conhecida por"greenhouse" figura 7(a) e 7(b) [6] é utilizada paraa manutenção de temperatura satisfatórias para agerminação e crescimento de plantas em regiõesfrias.

Esses sistemas, também de fácilconstrução e baixo custo são simplesmentearmações de madeira e em forma de casa,revestidas por plásticos transparentes.

Figura 7(a)- greenhouse

Em linguagem simples, diz-se que o solentra na estufa mas não sai, originando daí o efeitoestufa que provoca um aumento de temperatura noseu interior.

Poderá ser escolhido o tamanho dessasestufas conforme o tipo ou disposição das plantas.Uma estufa grande seria aquela que tivesse no seuinterior uma grande qualidade de planta e espaço ealtura para a circulação de pessoas a fim depossibilitar o cuidado dos vegetais. Ou também, aestufa poderia ter apenas a largura de um canteiro ea altura máxima da planta. Aberturas adequadasseriam usadas nessas estufas para a ventilaçãodurante o verão ou dias quentes.

Figura 7(b)- grennhouse

Ao pensarmos em aquecer o ar, devemospensar também em aquecê-lo para o conforto daspessoas do campo diante de dias frios. Um exemplopara tal finalidade vemos na figura 7 (b). Estesistema de aquecimento de habilitações é chamadode passivo e sua função é captar e regularizar a

Separadores Isolante

Pedras

Plástico

Tijolo

Sombra parcialpara o verão

Isolamento

PolietilenoTamborcom água

Placa delascolite

Lascolite

Ar quente

Parede

Ar frio

Pedras

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distribuição da energia solar. A superfícietransparente provoca o mesmo efeito-estufa antesvisto. A radiação solar que passa por esta superfícieé absorvida por uma massa intermediária (parede)que restitui ao interior da casa uma parte destaenergia e com defasagem de tempo. Esta defasagemde tempo é importante, pois o calor que é captadodurante o dia pode ser repassado à casa durante anoite.

É recomendável que a parede (apenas aque capta a radiação) seja de concreto e que tenhauma espessura de 30 cm. Isto faria com que o calorabsorvido durante o dia fosse repassado à casadurante oito horas após a descida do sol. Nadaimpede que uma abertura envidraçada seja feitanessa parede.

Ademais, adequadas aberturas tambémdevem ser providenciadas no vidro ou plástico afim de provocar uma ventilação durante o verão. Aorientação dos vãos envidraçados deverá ser aNorte para melhor captação durante o inverno. Noverão, é preferível que a radiação solar direta nãochegue a parede. Para isso, pode-se usar umamarquise ou persianas. É preferível que a cor daparede seja escura, podendo ser além do preto, omarrom, o azul e o verde.

CONCLUSÃO

Apresentamos neste trabalho a conceituação dediversas aplicações da energia solar voltadas paraas necessidades da área rural. Evitamos sempre quepossível entrar nas explicações teóricas de cadasistema, pois isto poderia trazer uma complexidadeao iniciante. Muitas sugestões práticas deconcepção dos sistemas foram dadas. Tendo emvista o espaço, não foram feitas muitasconsiderações de dimensionamento. Esperamos queas informações aqui prestadas sirvam para umentendimento, ainda que superficial, daspossibilidades de usos da energia solar no meiorural.Por outro lado, consideramos que os conhecimentosde usos da energia solar no meio rural devem irsendo naturalmente repassados ao próprio homemdo campo. Com o tempo ele absorveria osprincípios básicos de funcionamentos dos sistemas,e com isso iria resolvendo suas própriasdificuldades e encontrando soluções. Assim comoele sabe em que época plantar, em que épocacolher, como plantar, que tipo de terra utilizar, qualgrão usar, etc., ele saberia também entender ofuncionamento elementar dos sistemas solares.Sabendo o que fazer, o produtor rural poderia irfazendo seus próprios aparatos sem ter que esperarpor alguém, embora a assistência também sejanecessária

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] DUFFIE, J. A; BECKEMAN, W.A, Solarengineering of thermal process, John Wiley &Sons, New York, USA, 1976.

[2] LORSCH, H. G. Performance of Flat PlateSolar Collectors, editado por R. Allen.Proceedings of Solar Heating and CoolingWorkshop, Universidade de Maryland, NSF-RANN, 1973.

[3] PALZ, W; Energia Solar e Fontes AlternativasEditora Hemus, Unesco Paris, 1981.

[4] BEJAN, A;Transferência de Calor, EdgardBlucher LTDA, 1999.

[5] SANTOS, A .F. S; ROCHA, N. R. Tubos deCalor Uma Opção Para Economia de Energia,Caderno de Engenharia, Vol.3, Nr.3, PUC-MG,1993.

[6]DICKINSON,W.C; CHEREMISINOFF, P. N;Solar Energy Technology Handbook, Dekker, Inc,1980.