MÉTODO DE CARACTERIZAÇÃO DO RENDIMENTO TÉRMICO DE UM SISTEMA

DE AQUECIMENTO ARTESANAL À LUZ SOLAR.

ALVES, Fernando da Silva, SIGORA, Thiago da Silva.

Faculdade de Apucarana. E-mail: fernando.silva@fap.com.br

RESUMO

O presente trabalho teve como finalidade apresentar a metodologia utilizada para

medir o rendimento térmico de um coletor solar, construído a base de chapa

galvanizada, vidro, poliestireno expandido e condutores de cobre. A pesquisa foi

realizada durante um período longo, obtendo-se resultados bastante relevantes, o

que culminou no cálculo da potência média efetiva alcançada pelo aparelho e as

curvas de aquecimento nos horários de exposição solar.

Palavras-chave: coletor solar, rendimento térmico, artesanal e medidas de

temperatura.

ABSTRACT

The present work had as purpose to present the used methodology to measure the

thermal efficiency of a solar collector, constructed to the galvanized plate base, glass,

expanded polystyrene and copper conductors. The research was carried through

during a long period, getting itself resulted sufficiently excellent, what effective

reached for the device and the curves of heating in the schedules of solar exposition

culminated in the calculation of the average power.

Key Words: solar collector, thermal efficiency, artisan and measures of temperature.

INTRODUÇÃO

É de conhecimento de todos os educadores que uma atividade experimental,

seja como elemento de motivação ou de construção do conhecimento, desempenha

um papel importante no processo ensino aprendizagem. Desta forma, a articulação

do ensino com a pesquisa com o objetivo de gerar produtos que tenham aplicação

tecnológica e que colabore para o desenvolvimento sustentável da população, a

nível local e regional, são um dos desafios a serem vencidos pelos sistemas

educacionais atuais.

Por outro lado, analisando a situação do abastecimento energético no País e

até mundial, constata-se o aumento sistemático da demanda energética provocada

pelo desenvolvimento industrial e tecnológico, o qual não demonstra sinais de

diminuição no consumo energético, haja vista o padrão socioeconômico implantado

que incentiva o consumo e não controla o desperdício de energia.

Em contra partida, as ações governamentais para suprir a demanda a longo

tempo, esbarram nas limitações físicas, econômicas e principalmente ambientais em

suprir esta crescente demanda. E ainda, o petróleo cada vez mais escasso, é mais

um indicativo da necessidade de uma forma de energia limpa e renovável.

O Sol produz energia a partir da fusão nuclear dos seus gases, mantendo

esta atividade por milhões de anos. Por esta razão, é uma fonte primária de energia

renovável, com a responsabilidade de gerar outras fontes de energia, tais como:

ciclo das águas que mantém as hidrelétricas, bio-óleo, biogás, carvão e o petróleo

na sua origem. A intensidade média de energia solar que chega ao Planeta é de 1,3

KW /m2, (Hallyday et al, 2002), mas grande parte da radiação é refletida pela

atmosfera, na media, apenas 233 w/m2 chegam ao solo, (Aikawa et al, 1983).

Neste contexto, o estudo da absorção da energia solar por efeito térmico e a

disseminação desta técnica possui grande importância, pois grande parte da energia

elétrica consumida pela população se atribui ao aquecimento de água para diversos

fins. E também corrobora no desenvolvimento sustentável e na qualidade de vida da

sociedade, uma vez que é um sistema de fácil construção e de baixo custo.

OBJETIVOS

• Quantificar a capacidade de conversão da radiação solar em calor,

utilizando um coletor de baixo custo.

• Desenvolver equipamentos de aplicação tecnológica voltada a

preservação do meio ambiente e qualidade de vida da comunidade

regional.

• Contribuir na formação de professores na área de Matemática e Física.

METODOLOGIA

O sistema Coletor Solar foi desenvolvido com materiais de fácil acesso e

de baixo custo, os quais podem ser encontrados em depósitos de materiais para

construção, desta forma, é possível a construção doméstica do equipamento.

O sistema de aquecimento consiste de modo geral em três partes

principais, coletor, condutores e reservatório.

O coletor é constituído por três partes: caixa metálica, condutores internos

e tampa de vidro. A caixa metálica foi confeccionada de metalão galvanizado,

comumente utilizado na fabricação de calhas, com dimensões de 1m x 0,5m x 0,02m

com área de absorção de 0,5 m2. A parte interna foi pigmentada na cor preta, com o

objetivo de aumentar a absorção térmica, e a parte externa foi revestida de isopor

para reduzir a dissipação do calor ao meio externo. Quatro metros de condutores de

cobre de 10 mm de diâmetro foram fixados no interior da caixa metálica deixando

suas extremidades para fora, como é mostrado na Figura -1. Uma placa de vidro de

dimensões, 1m x 0,5m x 0,003m, fixada com silicone, foi utilizada para fechar a caixa

metálica.

Figura 1. Demonstração simplificada do coletor.

Os condutores externos são canos de plásticos flexíveis e tem função de

ligar o coletor ao reservatório. Estes não possuem isolamento térmico, devido à

proximidade do coletor ao reservatório, 1,5 m, neste caso.

A água quente deposita-se naturalmente no reservatório, quando este está

situado acima do nível do coletor. O aumento de temperatura no coletor provoca a

expansão térmica da água, à medida que a temperatura se eleva, a densidade da

água diminui, produzindo um fluxo ascendente da água aquecida [Nussenzveig,

2002, pg. 40].

Para realizar as medidas de rendimento térmico, isto é, a energia retida

pelo sistema, foi utilizado um reservatório de isopor com a capacidade interna de

8,45 litros, com saída de água fria na base e entrada de água quente na parte

superior.

Para caracterizar o sistema e verificar a capacidade de retenção de calor

do equipamento, foram realizadas medidas de aquecimento do coletor em dois

ângulos em relação ao sol e em dois períodos do ano. E, principalmente, foram

realizadas medidas de aquecimento da água no reservatório em função da

profundidade com o intuito de verificar a dinâmica interna de aquecimento. Após

esta etapa, a água do reservatório teve sua temperatura homogeneizada através da

agitação para determinar a quantidade de calor absorvido.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O coletor tem a função de absorver energia transportada pela radiação

eletromagnética e convertê-la em energia térmica, calor. Para caracterizar a

eficiência de contenção de calor do coletor, foi medido seu aquecimento em função

do tempo sem a circulação de água. A influência da inclinação do coletor em relação

ao sol pode ser vista na Figura -2.

Figura – 2. Temperatura interna em função do tempo de exposição ao sol

para dois ângulos do coletor, em duas diferentes épocas do ano.

A incidência direta da luz aumenta significativamente a absorção, na Figura

2 (a), nota-se um aumento de 30% no aquecimento máximo entre os ângulos de

15 e 60 graus em relação a horizontal. Em todas as medidas realizadas, o coletor

estava direcionado ao norte, posição de maior incidência da luz (Pereira et al,

2000). Na Figura 2 (b) nota-se que a temperatura para a inclinação de 30 graus

se eleva mais rapidamente em relação à de 14 graus.

A Figura 3 compara as variações de temperatura no interior do coletor em

dois períodos distintos do ano, os meses de julho e novembro.

Figura - 3. Temperatura interna do coletor em função do tempo de exposição ao sol

para períodos distintos do ano.

De acordo com a Figura – 3, a temperatura no mês de novembro aqueceu

o coletor 25 oC a mais em comparação com o mês de julho. Esta medida é

importante, porque a taxa de transferência de calor entre corpos é proporcional à

diferença de temperatura entre eles, [Nussenzveig, 2002, p. 280], no caso, água e

coletor. Os valores máximos de temperatura sinalizam o potencial de aquecimento

do coletor, porém, não é suficiente para caracterizá-lo, pois para manter a taxa de

transporte de calor, o coletor tem que ter boa absorção da radiação solar. Para

determinar a eficiência do sistema de aquecimento foi medido o aquecimento da

água em um reservatório de isopor para minimizar a dissipação de calor.

Lembrando que dentro do reservatório, a água mais quente fica na parte

superior e a fria na inferior, estabelecendo-se um gradiente de temperatura,

medindo-se a temperatura em diferentes níveis, na superfície, 5 cm, 10 cm e no

fundo do reservatório, a 20 cm, como demonstrado na Figura - 4. A superfície

aquece rapidamente e posteriormente o fluxo do ciclo fechado faz com que a água

fria seja trocada pela quente, aumentando o volume de água quente de cima para

baixo. Logo, a temperatura nos níveis inferiores vai subindo gradativamente.

Figura - 4. Temperatura da água do reservatório em vários níveis em função do

tempo, (a) julho, (b) novembro.

Os valores de temperatura apresentados na Figura – 4 mostram a dinâmica

realizada pela água quente, estas medidas são fundamentais para projetar a relação

entre a área do coletor e as dimensões do reservatório. A intensidade do fluxo

depende da diferença de temperatura entre a superfície e o fundo do reservatório. Na

Figura – 4(a), a temperatura na superfície do reservatório parou de subir porque

atingiu a temperatura do coletor, a medida que a temperatura do fundo se aproxima

da temperatura da superfície o fluxo diminui até parar, neste momento o coletor não

absorve mais calor e seu rendimento é nulo.

Como previsto, no mês de julho, mês de menor irradiação solar, o

rendimento foi inferior ao mês de novembro (Nagaoka et. al, 2005), como observado

na Tabela -1.

A potência média de absorção do sistema foi obtida através da equação,

)1(.TmcE ∆=

No qual, E é a energia absorvida pela água em joules, m a massa em

gramas, c é o calor específico da água, 4,19 j/g oC, e ∆T a variação de temperatura

da água no reservatório entre o início da exposição solar e o final, após a

homogeneização.

A potencia média é dada por,

)2(.t

EP

m

∆=

Substituindo a equação 1 na equação 2, encontra-se a potência média do

sistema em função dos parâmetros medidos, estes parâmetros e o resultado

encontram-se na Tabela -1.

Tabela -1. Rendimento térmico do sistema de aquecimento a luz solar.

Período Julho Novembro

Temperatura inicial (oC) 23,5 28

Temperatura homogênea ( oC ) 39 40

Variação da temperatura ( oC ) 15,5 12

Massa de água ( g )x103 8,45 8,45

Tempo exposição solar (min) 245 120

Potencia média (watts) 37 59

Para facilitar a comparação entre os resultados obtidos e as necessidades

cotidianas, na Tabela - 2 são realizadas estimativas de rendimento em unidades

de potência, watts, para um metro quadrado de coletor, energia acumulada no

mês em kWh e volume de água aquecida.

Tabela - 2. Estimativa de rendimento para coletor de 1 m2, com 5 horas de

exposição diária ao sol nas condições climáticas do período de realização do

experimento.

Período Julho Novembro

Potencia média para 1 m2 de

coletor (watts).

74 118

Energia absorvida no mês

( kWh )

11 18

* Quantidade de água aquecida

por dia (litros)

30 63

* Considerando o aquecimento da temperatura inicial, 23,5 oC para julho e 26 oC

para novembro, até a temperatura de 34 oC, agradável para o corpo humano.

A estimativa da Tabela - 2 mostra que durante o ano, por exemplo, 4 metros

quadrados deste coletor podem aquecer de 120 a 252 litros de água por dia e

economizar de 44 a 72 kWh de energia elétrica no mês. Este resultado é da ordem

da metade do consumo médio de energia mensal da população brasileira (IBGE,

2007).

CONCLUSÃO

Baseado em análises dos dados, concluímos que um painel construído

artesanalmente, de baixo custo, possui eficiência viável para ser manufaturado e

utilizado pela população, substituindo o uso de energia elétrica para aquecimento

de água em dias de sol. O uso de energia elétrica nas residências para

aquecimento não pode ser descartado, pois em dias nublados e chuvosos o

equipamento não é eficiente, contudo, na maioria das regiões do País há uma

predominância de dias de sol ou parcialmente de sol. Assim, nestes dias

parcialmente nublados ainda haverá aquecimento, resultando em uma redução no

consumo de energia elétrica quando utilizada a água pré-aquecida.

REFERÊNCIAS

AIKAWA, S.; MATA S. F. ; ROMANI, S. C. A importância dos coletores na viabilização da secagem de grãos com energia solar. In: SEMINÁRIO SOBRE SECAGEM DE PRODUTOS AGRÍCOLAS COM ENERGIA SOLAR, 1983, Campinas. Anais Campinas: UNICAMP, 1983. p.30-87.

NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física básica, Fluidos Oscilações e Ondas

Calor. Ed. 4ª. São Paulo. Edgard Blücher. 2002. 328 p.

HHAALLLLIIDDAAYY;; RREESSNNIICCKK EE WWAALLKKEERR.. FFuunnddaammeennttooss ddee FFííssiiccaa.. GGrraavviittaaççããoo,, OOnnddaass ee TTeerrmmooddiinnââmmiiccaa.. EEdd.. 66ªª.. RRiioo ddee JJaanneeiirroo:: LLTTCC,, 22000022.. PEREIRA, R. G. et al. Desenvolvimento de um coletor solar alternativo utilizando materiais reaproveitáveis. Mundo & Vida, v.2, n.1, 57-60. 2000. NAGAOKA, A. K; SAMPAIO, C. A de PAIVA; BOFF, C. E; ARALDI, A. A. R. Desenvolvimento de um Coletor Solar Utilizando Reciclagem de Lâmpadas Fluorescentes. Revista de Ciências Agroveterinárias, Lages, v.4, n.2, p. 120-125, 2005.

IBGE. Disponível em: <

http://www.ibge.gov.br/home/estatistica/indicadores/industria/pimpfbrenergia_nova/pf

brenergia10200605.shtm >. Acesso em 25 julho 2007.

Agradeço a FAP (Faculdade de Apucarana) e a FUNPESQ (Fundação de Incentivo a

Pesquisa) pelo apoio neste trabalho.