UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO DE CIENCIAS EXATAS
INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
RITA DE CÁSSIA CORDEIRO DE SOUSA PINHEIRO
AVALIAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR NO SEMI-ÁRIDO POTIGUAR
2019
RITA DE CÁSSIA CORDEIRO DE SOUSA PINHEIRO
AVALIAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR NO SEMI-ÁRIDO POTIGUAR
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Interdisciplinar em CIÊNCIA E TECNOLOGIA.
Orientador: Dr. Suedêmio de Lima Silva
MOSSORÓ 2019
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RITA DE CÁSSIA CORDEIRO DE SOUSA PINHEIRO
AVALIAÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE COLETOR SOLAR E SEUS MATERIAIS
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Interdisciplinar em CIÊNCIA E TECNOLOGIA. Defendida em: 22 /03 / 2019. BANCA EXAMINADORA Presidente Membro - UFERSA _________________________________________
Dedicatória
Dedico esse trabalho a todos os que estiveram presentes em minha caminhada, principalmente aos meus pais, Janio Pinheiro de Souza e Maria Felix Cordeiro de Sousa, que me deram tanto apoio durante toda esta jornada me auxiliando em cada obstáculo.
AGRADECIMENTOS
À Deus, por guiar e abençoar meus caminhos. Aos meus pais, pelo amor, apoio e confiança.
Às minhas irmãs, por se manterem sempre presentes.
À Raionara Dantas Fonseca, que me apoiou em todas as minhas escolhas sempre colaborando para o meu crescimento acadêmico. Assim, também à Patrícia Segundo Porto que sempre ajudou nos meus momentos mais difíceis nessa caminhada.
À Jéssica Paula Simplício, que durante a elaboração deste trabalho me ajudou com o possível para que este fosse realizado.
Ao Marcelo dos Santos Sousa, que tanto me apoiou em minhas escolhas, caminhou do meu lado como pôde, e fez com que as fases difíceis se tornassem mais fáceis.
À minha família e todos os amigos, que tornaram mais doce a minha jornada.
À Universidade Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA pelo ensino de qualidade e suporte durante todo o curso.
Aos professores da UFERSA do curso de Engenharia Agrícola e Ambiental, especialmente, Joaquim Odilon Pereira e Roberto Vieira Pordeus, por todo o conhecimento compartilhado, além das inúmeras ajudas a mim concedidas sempre visando tanto o meu crescimento profissional como também pessoal.
Agradeço a meu orientador o Prof. Dr. Suedêmio de Lima Silva, o qual me guiou em todo meu caminho com sabedoria e muita paciência.
Enfim, a todos que de uma forma ou outra contribuíram para o desenvolvimento deste trabalho.
RESUMO
O Brasil é um país que possui alta incidência de radiação solar, o qual permite o uso da energia solar como fonte alternativa a qual vem sendo pesquisada e utilizada com muitas vantagens. Neste trabalho apresenta-se a construção de um protótipo de coletor solar plano direcionado para o uso como aquecedor de ar com o objetivo de avaliar e buscar a melhor configuração para o ganho de temperatura. Também foi feita a instrumentação para o monitoramento de temperatura a fim de procurar as melhores condições de funcionamento do coletor de aquecimento de ar. O monitoramento das temperaturas foi feito ao longo de todo o coletor por onde o fluxo de ar passa e foi analisado o ganho de temperaturas usando alternativas de revestimento interno e de cobertura do coletor, além das variações no sistema de ventilação forçada. As temperaturas de saída do coletor solar foram analisadas, obtendo-se picos de temperatura na saída com valor de até 72,5 ºC usando uma superfície preta no interior da caixa do coletor. Com os resultados obtidos e analisados foi possível concluir que o melhor desempenho para o coletor solar desenvolvido foi justamente com o revestimento interno preto e fosco, com a placa de vidro como cobertura e com a mínima funcionalidade do sistema de ventilação forçada controlando o fluxo de ar aquecido, atingindo ganho de temperatura de 79,45%. Observou-se que o melhor horário de exposição do coletor solar ao sol é entre as 10 h e 15h devido a variação da radiação incidente durante o dia, o que é a origem do ganho de temperatura.
ABSTRACT
Brazil is a country that has high incidence of solar radiation, which allows the use of the solar energy as alternative fountain which has been researched and used with many advantages. In this work presents the construction of a prototype of solar collector for the use as air heater with the objective to measure and to search the best configuration for the temperature profit. Also the instrumentation was done for the monitoring of temperature in order to look for the best conditions of functioning of the air heating collector. The monitoring of the temperatures was done along the whole collector where the air flow passes and the temperatures profit was reviewed using alternatives of internal revetment and of covering of the collector, besides the variations in the forced ventilation system. The exit temperatures of the solar collector were analyzed, when temperature peaks are obtained in the exit with value of until 72,5 ºC using a black surface in the interior of the box collector. With the obtained and analyzed results it was possible conclude that the best performance for the developed solar collector was exactly with the black and matte internal revetment, with the glass plate like covering and with the least functionality of the forced ventilation system controlling the flow of heated air, hitting a temperature profit of 79,45 %. It was observed that the best time of exposition of the solar collector in the sun is between 10 h and 15 h due to variation of the incident radiation during the day, what it is the origin of the profit of temperature.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – DS18B20 em uma embalagem a prova d’água. ………….…….……… 17
Figura 2 – Caixa do Coletor……….………...……...…….. 18
Figura 3 – Coletor Solar com as hastes e o isolamento térmico..…………...………… 19
Figura 4 – Placa de vidro e coletor solar térmico com a placa de vidro.……...……… 19
Figura 5 – Coletor solar térmico com revestimento escuro………...…… 20
Figura 6 – Coletor solar com coolers e ventilador forçado. ………..…...…… 20
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Dados do ensaio de 22 de Agosto de 2018……... 23 Gráfico 2 – Dados de radiação e temperatura ambiente (INMET / 22 de Agosto de 2018). 24 Gráfico 3 – Dados do ensaio de 24 de Agosto de 2018………...……...……..……… 25 Gráfico 4 – Dados de radiação e temperatura ambiente (INMET / 24 de Agosto de 2018). 25 Gráfico 5 – Dados do ensaio de 28 de Agosto de 2018………...…...…...… 26 Gráfico 6 – Dados de radiação e temperatura ambiente (INMET / 28 de Agosto de 2018). 26 Gráfico 7 – Dados do ensaio de 29 de Agosto de 2018…...…...….. 27 Gráfico 8 – Dados de radiação e temperatura ambiente (INMET / 29 de Agosto de 2018). 27 Gráfico 9 – Dados do ensaio de 7 de fevereiro de 2019……... 28
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO………...……….... 10 1.1 Objetivos Gerais……… 11 1.2 Objetivos Específicos……… 11 2 REFERÊNCIAL TEÓRICO………...………... 12 2.1 Energia solar ………...………... 12 2.2 Radiação... 12 2.3 Coletor solar... 13
2.2.1 Coletor solar de placa plana ...………...…………..…...……….. 13
2.2.2 Madeira...………...………... 14
2.5.3 Vidro.………...……….……....……..…...……… 14
2.5.4 Superfície preta ....………...……….……....……..…...……… 15
2.6 Sistema de aquisição de dados.………..………...….………...………. 15
2.6.1 Sensor....………..………..………...…. 16
2.6.1.1 Sensor de temperatura – DS18B20..………..…………...…….... 16
2.6.2 Arduino... 17
3 METODOLOGIA...……….………..……….. 18
3.1 Construção do coletor solar térmico.………....……....……. ... 18
3.2 Montagem do sistema forçado de entrada e saída de ar…... 20
3.3 Instrumentação para monitoramento das variáveis de processo...…... 21
3.4 Sistema de aquecimento de ar montado………... 21
3.5 Ensaios……….………..……… 22
4 RESULTADOS ... 23
5 CONCLUSÃO... 29
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1 INTRODUÇÃO
O sol é uma fonte abundante e duradoura, além de silenciosa e não poluente de energia, sendo responsável por todas as formas de vida no planeta. Todos os dias o sol transmite grande quantidade de energia através de ondas eletromagnéticas. Posteriormente, essa energia pode ser utilizada para diversas aplicações, substituindo outras formas convencionais de energia que vêm sendo utilizadas pelo há décadas.
Essa busca por fontes alternativas de energia vem crescendo muito nas últimas décadas, onde a energia solar é uma forma absolutamente pura, não poluente, não gera fumaça e nem resíduos radioativos. Estabelece então uma forma ideal de energia tendo em vista da preocupação com meio ambiente. Além disso, tal energia tem um grande diferencial por ser barata e de acordo com Dutra (2014), uma vez que se tenham os recursos necessários para converter essa energia em energia utilizável, o combustível é livre e nunca estará sujeito a altos e baixos no mercado.
O Brasil é um país o qual possui uma grande extensão territorial com parte situada na zona tropical onde possui alta incidência de radiação solar, o que torna-se possível o desenvolvimento de tecnologias capazes de converter a energia solar em energia térmica, elétrica, química, etc.. A energia solar em aquecedores, já vem sendo usada no Brasil desde a década de 60, época em que surgiram as primeiras pesquisas na área de tecnologias solares (ANEEL, 2006).
A energia solar, que é obtida diretamente do sol, usada como fonte energética de tecnologias se utilizam de dispositivos capazes de convertê-la diretamente, no caso, em energia térmica, através de coletores planos e concentradores. O desempenho de tais concentradores depende de seus materiais absorventes e isolantes, além da energia de radiação.
O estudo do coletor solar térmico usado para aquecimento de ar pode ter aplicação em diversas áreas. No Brasil essa aplicação visa principalmente a secagem de produtos como alimentos, biomassa, entre outros, o que é de grande importância, tendo em vista que se apresenta como uma grande alternativa energética de enorme potencial em nosso país.
1.1 Objetivo geral
O presente trabalho tem como objetivo avaliar um protótipo de coletor solar plano direcionado para o uso como aquecedor de ar e buscar a melhor configuração para o ganho de temperatura.
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1.2 Objetivos específicos
Para alcançar a meta proposta no objetivo geral, foram elencados os seguintes objetivos específicos:
Escolha de seus materiais e sua construção; Instalação de um sistema forçado de ar;
Instrumentação através de sensores de temperatura;
Monitoramento do ganho de temperatura resultante das variações das condições físicas do coletor.
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2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Energia Solar
Segundo Romani (1985), praticamente todas as fontes de energia são provenientes indiretamente da energia solar, como por exemplo, a energia eólica, a qual os ventos, ativos da energia, são gerados devido à circulação atmosférica provocada pelo aquecimento desigual da atmosfera.
De acordo com Taborda (2017), a energia solar tornou-se amplamente utilizada na produção direta de eletricidade e também para aplicações térmicas. Ou seja, o aproveitamento da energia solar pode se dividir em duas formas: a passiva ou a ativa. Na forma passiva, a penetração da radiação solar em aplicações possibilita o aproveitamento do calor, para o aquecimento, além da iluminação natural. Na forma ativa, se caracteriza pela existência de um processo de transformação, onde a energia solar é convertida em energia elétrica ou térmica.
A energia solar térmica é uma forma de utilização direta da energia solar. Para uma melhor eficiência de sua utilização é necessário o uso de coletores solares, os quais captam e, em alguns casos, intensificam os raios solares (TABORDA, 2017). Estes raios produzem uma energia limpa e que não lança resíduos na atmosfera. Desta forma, com a crescente demanda de energia no planeta e a iminente escassez de energias não renováveis, torna a utilização da energia solar, como também de outras energias renováveis, cada vez mais importante.
A energia solar que incide sobre a superfície terrestre é aproximadamente 10 mil vezes maior que o consumo energético mundial (TIBA, 2000).
O Brasil, por sua localização e extensão territorial, recebe energia solar da ordem de 1013 MWh anuais, o que corresponde a cerca de 50 mil vezes o seu consumo anual de eletricidade, tornando a energia solar promissora para suprir grande parte da demanda da matriz energética no país (OLIVEIRA; ROCHA; MARTINS, 2015).
Duffie e Beckman (2013) explicam que para a execução correta de qualquer projeto que utilize energia solar necessita-se conhecer o potencial solar na região de implantação de coletores solares e então realizar estimativas de eficiência para os mesmos. Ou seja, a medição do máximo possível de radiação solar que incide sobre a superfície da terra na região, em um determinado dia e local, evitando nuvens durante todo dia de trabalho.
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A radiação solar é a energia que é emitida pelo sol e transmitida sob a forma de radiação eletromagnética, ela permite ser utilizada como fonte de energia térmica ou ser convertida em energia elétrica. Esta radiação depende de condições climáticas e atmosféricas, o que torna a sua disponibilidade variável onde procura-se o ponto máximo de seu aproveitamento.
Segundo Cresesb (2008) o sol usualmente fornece por ano para a atmosfera terrestre, 1,5 x 1018 kWh de energia. O que é um valor considerável e que corresponde a 10.000 vezes o consumo mundial de energia neste mesmo período. Este fato vem indicar que, além de ser responsável pela manutenção da vida na terra, a radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.).
De toda a radiação solar que atinge às camadas superiores da atmosfera, somente uma porção atinge a superfície terrestre, o que advém da reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera.
A energia solar é uma forma de radiação eletromagnética com comprimento de onda variando aproximadamente de 0,3 a três 3 μm, que corresponde a faixa de ultravioleta, visível e infravermelho. Muito dessa energia está concentrada na zona do visível e infravermelho. A radiação incidente, às vezes chamada de insolação, é medida como irradiância, ou a potência por unidade de área (W/m²) (GOSWAMI et al., 2000).
2.3 Coletor Solar
O uso direto da energia solar em forma de energia térmica com qualidade para ser trabalhada, exige a utilização de coletores solares, como, por exemplo, o coletor solar plano armazenador de calor. Este modelo de coletor solar conta com materiais alta absorção de calor e isolantes, onde a energia térmica fornecida pelo sol pode ser armazenada em forma de calor. Nesses coletores o fluido escoa através de um leito preenchido com uma malha ou partículas aquecidas pela radiação solar, aumentando a eficiência de troca de calor dentro do coletor, quando comparado a um coletor plano convencional, (TABORDA, 2017).
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O tipo de coletor solar plano, que é bastante utilizado em secagem de grãos a baixas temperaturas, recebe a energia proveniente do sol e a transforma em energia térmica. De acordo com Dutra (2014), o coletor solar plano é composto por um caixote feito de material aproximadamente isolante, na superfície incidente com os raios solares há outro material que tenha alta condutividade térmica, placa absorvedora, que são responsáveis pela absorção da energia solar e por convertê-la em energia térmica, são revestidas de escuro para a maior absorção da radiação solar incidente.
O isolamento térmico reveste o interior da caixa com o objetivo de minimizar as perdas de calor para o meio. Os materiais mais utilizados como isolantes no Brasil são: lã de vidro e espuma de poliuretano, (SANTOS, 2017).
Segundo Chauhan et al. (2016), o coletor de placa plana é o coração para todo sistema de coleta de energia solar, designado para aplicações com baixa variação de temperatura ou média variação de temperatura, ou seja, até talvez 100ºC acima da temperatura ambiente.
Coletores planos são normalmente fixados permanentemente em uma determinada posição. Os coletores devem ser orientados diretamente para o equador, virado a sul no hemisfério norte e norte no hemisfério sul. O ótimo ângulo de inclinação é igual à latitude do local com variação do ângulo de mais ou menos 10 - 15º, dependendo da aplicação (TABORDA, 2017).
2.3.2 Madeira
Segundo Silva (2012), a madeira é um dos materiais mais bem preparados de origem orgânica, que contém um conjunto de propriedades físicas e mecânicas onde são dificilmente encontradas em outros materiais. Entre tantas características físicas importantes e aproveitáveis, é apresentar baixa tendência de conduzir calor. Basicamente a madeira não é um bom condutor térmico, em decorrência de sua estrutura celular, (SILVA, 2012).
A finalidade do uso da madeira na construção de um coletor de energia térmica é justamente aproveitar de suas propriedades isolantes, fazendo com que o sistema aquecido perca calor o menos possível para o ambiente.
2.3.3 Vidro
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transmitir comprimentos de ondas curtas da radiação solar, bloqueando os comprimentos de onda longos irradiados do absorvedor plano, e diminuindo a perda por meio de convecção no topo do absorvedor plano. Para esse tipo de construção com cobertura transparente, o vidro é o material mais usado.
A fim de minimizar a perda de calor pelo topo do coletor, mais de um vidro pode ser usado. Entretanto com o aumento do numero de coberturas de vidro, a transmitância sofre um decréscimo (GOSWAMI, et al., 2000).
2.3.4 Superfície preta
O tom preto dos painéis solares não é ao acaso. Essa tonalidade deve-se ao facto de terem uma reflexão da luz que incidem sobre os painéis solares inferior a 1%, sendo que garantem uma eficiência de cerca de 22% na conversão da luz solar em energia. (REIS, 2019)
De acordo com Fernandes e Guaronghi (2019), assim como as cores claras refletem a radiação, as escuras às absorvem e esta absorção é tanto maior quanto mais próximo estas estiverem da cor preta. Baseando-se justamente nesta propriedade é que, normalmente, as placas absorvedoras de coletores planos são pintadas de preto fosco.
A propriedade da superfície negra aliada à propriedade que o vidro retém de recuperar grande parte da radiação emitida pela superfície negra quando a lâmina de vidro está colocada acima da placa absorvedora, foi aproveitada para a conversão de energia radiante em energia térmica no coletor. (Fernandes; Guaronghi, 2019)
2.4 Sistema de aquisição de dados
Segundo Soloman (2010), a criação de um sistema de aquisição de dados necessita de alguns fatores importantes, estes são: um fenômeno físico real, o(s) sensor(es), um condicionamento de sinal, o hardware para aquisição dos dados e controle de sensores, um sistema computacional e um programa. Dessa forma, segundo Dutra (2014) explica, a aquisição de dados é o processo o qual um fenômeno físico é transformado no sinal elétrico proporcional, sendo convertido em formato digital e posteriormente ter visualização, armazenamento, processamento e consequentemente a análise.
De acordo com Navarro (2012) o primeiro elemento de um sistema de aquisição é conhecido como transdutor ou sensor, pois este converte energia física em outro tipo de energia. A principal função dele é medir a magnitude de interesse onde neste caso a
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temperatura gera uma energia térmica que é convertida em energia elétrica. Ele ainda cita que a quantidade dessa energia convertida para o sensor geralmente é muito pequena, e que finalmente o sinal de saída deve ser condicionado para adapta-lo às seguintes fases do processo.
Dutra (2014) fala que o segundo elemento de um sistema de aquisição é a plataforma de módulo Arduino com sua estrutura de pinos analógicos e digitais, o qual pode receber a informação a partir de um sensor ou de outro dispositivo externo.
O último elemento do sistema de aquisição de dados é o computador, segundo Navarro (2012), o qual processa os dados recebidos do Arduino conectado a este por meio de uma comunicação serial.
2.4.1 Sensor
2.4.1.1 Sensor de temperatura – DS18B20
O DS18B20 é um sensor digital de temperatura com características interessantes para uso com o Arduino, que são o baixo custo e a facilidade de uso. (REIS, 2014). Esse sensor pode ser utilizado em diversas aplicações como: medição de temperatura em aquários, em áreas internas ou externas à residência, sistemas de aquecimento de água, etc.
De acordo com Reis (2014) a principais características deste sensor são:
Alimentação DC entre 3.0V e 5.5V;
Faixa de medição de temperatura entre -55ºC e +125ºC;
Não necessita de componentes externos;
Resolução ajustável entre 9 e 12 bits;
A prova de água, umidade e ferrugem;
Utiliza o Protocolo 1-Wire para leitura;
Cada sensor tem um endereço fixo.
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Figura 1 - DS18B20 em uma embalagem a prova d’água.
Fonte: Reis (2014)
2.4.2 Arduino
O Arduino é uma plataforma eletrônica de código aberto baseada em hardwares e softwares fáceis de usar. Placas Arduino são capazes de ler entradas e transformá-las em uma saída, ativando um motor, ligando um LED, publicando algo on-line. (ARDUINO, 2019)
Para Dutra (2014) a plataforma é definida como o sistema que serve como uma base para executar uma série de elementos, hardware ou software. O hardware do Arduino é muito simples, porém muito eficiente.
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3 METODOLOGIA
3.1 Construção do Coletor Solar Térmico
A caixa foi construída de madeira prensada com dimensões de 96 centímetros de comprimento, 48 centímetros de largura de 20 centímetros de altura. Em uma das extremidades foram feitos dois furos para entrada do ar ambiente e, no lado oposto, uma abertura para a saída do ar aquecido. A estrutura está representada na figura (2).
Figura 2 - Caixa do Coletor
Fonte: Autor (2019) 1- Entrada do fluxo de ar; 2- Saída do fluxo de ar.
Duas bases foram colocadas no orifício de saída para melhor direcionamento do fluxo de ar aquecido. Toda a superfície interna do coletor, fundo e laterais, foi revestida com uma manta de borracha para impermeabilização, a qual possui uma superfície refletiva e promove o isolamento térmico para o sistema. O conjunto está representado na figura (3).
2
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Figura 3 - Coletor solar com as hastes e o isolante térmico
Fonte: Autor (2019)
Foi utilizado uma placa de vidro na parte superior de fechamento, com 5 mm de espessura. Este pode ser visualizado na figura (4).
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Figura 4 – Placa de vidro e coletor solar térmico com a placa de vidro.
Fonte: Autor (2019)
Como alternativa para a análise de desempenho do coletor e aquecedor de ar, decidiu-se revestir sua superfície interna com uma cobertura escura e fosca, o qual foi feita com cartolinas pretas, como mostrado na figura (5).
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Figura 5 – Coletor solar térmico com revestimento escuro.
Fonte: Autor (2019)
3.2 Montagem do sistema forçado de entrada e saída de ar
Os coolers foram acoplados ao sistema além do ventilador forçado que tem saída de ar de aproximadamente 60 mm x 70 mm, atingindo uma velocidade máxima do fluxo de até 25,3 m/s. Este funciona em tensão de 220 V e com corrente alternada.
A representação desses componentes no conjunto pode ser vista na figura (6). Figura 6 – Coletor solar com coolers e ventilador.
Fonte: Autor (2019) 1- Coolers 2- Ventilador
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2
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3.3 Instrumentação para monitoramento das variáveis de processo
Para monitorar a temperatura do ar na entrada, meio e saída do coletor foi utilizado um sensor de temperatura da Dallas Semiconductor, modelo DS18B20, que opera na faixa de -55 oC à 125 oC, tensão de alimentação é de 3 a 5,5 VDC, fornece leituras de temperatura de 9 a 12 bits (configurável), tempo de conversão para 12 bits de 750 ms e precisão de ± 0,5 oC.
Para monitorar os sensores de temperatura utilizou-se uma placa Arduino Mega. O Arduino é uma plataforma de hardware livre que pode ser programada em linguagem C que incorpora o microcontrolador ao hardware periférico necessário que permite explorar em uma placa única as funcionalidades desejadas. Essa plataforma possui as portas de entrada e saída já condicionadas, conector para alimentação de componentes, conector de alimentação e conector para comunicação serial, para se comunicar com um microcomputador pessoal externo à plataforma.
3.4 Sistema de aquecimento de ar montado
Todo o sistema foi montado e monitorado em busca de melhores condições a fim que o fluxo de ar seja suficientemente adequado e direcionado para o depósito de grãos a serem secos, o qual foi construído partindo dos resultados obtidos dessa revisão. O conjunto está representado na figura (7).
Figura 7 – Coletor solar térmico.
Fonte: Autor (2019)
1- Sistema de leitura de temperatura 2- Coletor
3.5 Ensaios
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Os ensaios foram realizados na Universidade Federal Rural do Semi-Árido – Campus Mossoró/RN, na área externa próxima ao laboratório de Construções Rurais. As leituras das temperaturas foram feitas em vários dias nos mesmos horários e condições climáticas parecidas, variando mais as condições do próprio coletor de ar, onde este foi testado com e sem a chapa metálica, com e sem a placa de vidro, com revestimento metálico e com revestimento preto, além de ter feito a variação do funcionamento dos collers e do ventilador forçado, onde foi testado estes ligados e desligados.
Desta forma, após a análise dos dados pôde-se fazer gráficos para a identificação de melhores condições para o aquecimento de ar e então ser aplicado o fluxo de ar aquecido no depósito de grãos a serem secos para ter-se uma secagem adequada.
Com o objetivo de analises mais confiáveis pegou-se dados das leituras realizadas pelo Instituto Nacional de Meteorologia - INMET, as quais são feitas por uma estação meteorológica automática (EMA) que coleta, de minuto em minuto, as informações meteorológicas (temperatura, umidade, pressão atmosférica, precipitação, direção e velocidade dos ventos, radiação solar) representativas da área em que está localizada. Então estes dados são integralizados e disponibilizados para serem transmitidos a cada hora para a sede do INMET, em Brasília. Após isto, os dados são disponibilizados gratuitamente, em tempo real, no site do INMET sendo este de fácil acesso.
Para a análise dos gráficos é importante saber que:
S1 – Temperatura do ar lida pelo sensor 1 na entrada do coletor;
S2 – Temperatura do ar lida pelo sensor 2 no meio do coletor;
S3 – Temperatura do ar lida pelo sensor 3 na entrada do exaustor;
Temp. Amb. Máx. – Temperatura ambiente máxima registrada pelo INMET;
Temp. Amb. Mín. – Temperatura ambiente mínima registrada pelo INMET;
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4 RESULTADOS
Com revestimento metálico, placa de vidro, ventilador ligado e collers desligados:
Analisando o gráfico (1) de temperatura nota-se que o acréscimo de temperatura foi relativamente baixo, de forma que a diferença de temperatura entre a entrada (S1) e a saída (S3) de fluxo de ar do coletor fosse de certa forma pequena. De qualquer forma, comparando os dados obtidos no ensaio e os dados do INMET, através dos gráficos (1) e (2), nota-se que o melhor ganho de temperatura do coletor nessas condições e nesse período de tempo foi por volta de 14h30min. Com base nos dados registrados, essa maior temperatura alcançada de ar aquecido foi de 45,3°C, e pelos dados do INMET o valor médio da temperatura mínima do ar nesse ponto é de 33°C, totalizando um ganho máximo de 37,3%, aproximadamente.
Observando o gráfico (2) da radiação incidente no dia, percebe-se que esta teve o comportamento normal em função do horário, o que influencia positivamente para o aumento do ganho de temperatura. No entanto, o pouco ganho de temperatura pode ser explicado pela velocidade em que o ar passa pelo coletor. Com o ventilador ligado, a velocidade do ar dentro do coletor é bem maior do que com os collers ou quando estes estão desligados, o que faz com que o fluxo de ar passe rapidamente e obtendo assim pouco tempo de aquecimento.
Os gráficos (1) e (2) podem ser observados a seguir.
Gráfico 1 – Dados do ensaio do dia 22 de Agosto de 2018
Fonte: Autor (2019) 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 14:00:00 14:30:05 15:00:12 15:30:18 16:00:25 16:30:31 17:00:01 S1 S2 S3 T E M P E R A T U R A ( °C ) HORÁRIO
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Gráfico 2 – Dados de radiação e temperaturas ambiente (INMET / 22 de Agosto de 2018)
Fonte: Autor (2019)
Com revestimento metálico, chapa metálica, vidro, ventilador ligado e collers desligados:
Para essas condições percebe-se pelo gráfico (3) que houve uma menor variação de temperatura do que o caso anterior, do gráfico (1). Nota-se que o acréscimo de temperatura foi constante e não muito alto, de modo que a diferença de temperatura entre a entrada (S1) e a saída (S3) de fluxo de ar do coletor fosse baixa. Apesar disso, ao comparar os gráficos (3) e (4) observa-se que o melhor ganho de temperatura do coletor nessas condições e nesse período de tempo foi por volta de 14h30min, de acordo com os dados registrados no ensaio, essa maior temperatura alcançada de ar aquecido foi de 41,3°C, e com base nos dados do INMET o valor médio da temperatura mínima do ar nesse ponto é de 32,1 °C, totalizando um ganho máximo de 28,7%, aproximadamente.
Analisando o gráfico (4) da radiação incidente pode-se notar que a partir das 14h essa radiação cai gradativamente, influenciando no baixo ganho de temperatura, além disso, este também pode ser em razão da adição da placa de metal no sistema ganho diminuiu. Essa baixa de ganho de temperatura também pode ser justificada pela velocidade em que o ar passa pelo coletor, assim como no caso anterior.
Os gráficos (3) e (4) podem ser observados a seguir.
0 5 10 15 20 25 30 35 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TíEMP R ERA TURA ( °C) R AD IAÇÃO S OL AR (K J/M 2 ) HORÁRIO
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Gráfico 3 – Dados do ensaio do dia 24 de Agosto de 2018
Fonte: Autor (2019)
Gráfico 4 – Dados de radiação e temperaturas ambiente (INMET / 24 de Agosto de 2018)
Fonte: Autor (2019)
Com revestimento metálico, placa de vidro, ventilador desligado e collers ligados em 50% do funcionamento:
Considerando agora tais condições percebe-se pelo gráfico (6) que houve muitas variações de temperatura, porém o maior ganho de temperatura entre as entradas (S1) e a saída do coletor (S3) foi registrada próxima as 14h20min, onde o ganho máximo de temperatura chegou até 68,8%, o qual as temperaturas máximas alcançadas nesse ponto foi de 52,5 °C no sensor 3, e a temperatura mínima média registrada pelo INMET nesta hora foi de 31,1 °C. 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 14:23:11 14:53:05 15:23:11 15:53:17 16:23:24 16:53:30 S1 S2 S3 T E M P E R A T U R A ( °C ) HORÁRIO 0 5 10 15 20 25 30 35 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TíEMP R ERA TURA ( °C) R AD IAÇÃO S OL AR (K J/M 2 ) HORÁRIO
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O gráfico (5) mostra que houve uma variação da radiação incidente, no entanto não foi exatamente no período analisado. Os gráficos (5) e (6) podem ser analisados abaixo.
Gráfico 5 – Dados do ensaio do dia 28 de agosto de 2018
Fonte: Autor (2019)
Gráfico 6 – Dados de radiação e temperaturas ambiente (INMET / 28 de Agosto de 2018)
Fonte: Autor (2019)
Analisando as mesmas condições em outro dia e comparando os resultados através dos gráficos (5) e (6) acima e os gráficos (7) e (8) a seguir, percebe-se que houve diversas variações de temperatura durante o ensaio, provavelmente devido às variações da radiação incidente durante o dia além do funcionamento dos collers de entrada. Os gráficos (7) e (8) podem ser observados a seguir.
25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 14:04:12 14:34:06 15:04:13 15:34:19 16:04:26 16:34:32 S1 S2 S3 T E M P E R A T U R A ( °C ) HORÁRIO 0 5 10 15 20 25 30 35 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TíEMP R ERA TURA ( °C) R AD IAÇÃO S OL AR (K J/M 2 ) HORÁRIO
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Gráfico 7 – Dados do ensaio do dia 29 de agosto de 2018
Fonte: Autor (2019)
Gráfico 8 – Dados de radiação e temperaturas ambiente (INMET / 29 de Agosto de 2018)
Fonte: Autor (2019)
Com revestimento preto, vidro, ventilador e collers desligados:
Pelo gráfico (9), facilmente percebe-se que as condições usadas neste ensaio permitiram um grande acréscimo na temperatura do ar, de tal forma que a diferença de temperatura entre as entradas (S1) e a saída (S3) de fluxo de ar do coletor fosse bastante alta e comparando os dois gráficos acima, nota-se que o melhor ganho de temperatura do coletor
25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 14:00:00 14:30:11 15:00:21 15:30:30 16:00:41 16:30:52 S1 S2 S3 T E M P E R A T U R A ( °C ) HORÁRIO 0 5 10 15 20 25 30 35 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 TíEM PR ERA TU RA ( °C) RAD IA ÇÃO SOL A R (K J/M 2 ) HORÁRIO
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nessas condições e nesse período de tempo entre as 14h e 15h. Além disso, com base nos dados registrados, essa maior temperatura alcançada de ar aquecido chegou a 72,5 °C.
De acordo com o site do INMET, leituras do intervalo do dia 09 de janeiro de 2019 ao dia 27 de fevereiro de 2019 se encontram indisponíveis na plataforma, impossibilitando a análise do ganho máximo de temperatura do ensaio de acordo com a temperatura mínima, e a analise da variação de radiação incidente do dia informada pelo instituto.
O sensor 4 adicionado nos dados encontrava-se próximo ao local do coletor, monitorando a temperatura ambiente, indicada no gráfico (9) como S4. Ressalta-se que este estava exposto ao ar.
Então, fazendo a análise do ganho de temperatura de acordo com a temperatura ambiente (S4), a qual marcou o valor médio de 40,4°C no período em que o ar aquecido alcançou as maiores temperaturas, atingindo um ganho de 79,45%, aproximadamente. O gráfico (9) pode ser observado logo abaixo.
Gráfico 9 – Dados do ensaio do dia 7 de fevereiro o de 2019
Fonte: Autor (2019) 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 14:00:00 14:29:58 14:59:56 15:29:55 16:00:03 16:30:00 17:00:01 S1 S2 S3 S4 T E M P E R A T U R A ( °C ) HORÁRIO
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Com o estudo realizado neste trabalho foi possível avaliar o protótipo de coletor solar plano além de encontrar as melhores configurações para o seu uso voltado para aquecimento de ar, através da sua construção, instrumentação do sistema, monitoramento e analise de suas condições de funcionamento.
O desempenho do coletor solar foi comparado em relação à variação da forma de aquecimento deste, utilizando uma chapa de zinco, placa de vidro, superfície interna refletiva ou com revestimento preto, além da variação do sistema de ar forçado. Com relação ao alcance de temperaturas no coletor a configuração que alcançou as maiores temperaturas de saída do coletor foi sem a chapa de zinco e com o revestimento preto fosco, atingindo um valor máximo de 72,5 ºC, e alcançando um rendimento de 79,45%.
A radiação solar incidente varia durante o dia, obtendo um grande aumento entre o período de 10h até por volta das 13h, o que pode influenciar diretamente nas temperaturas do ambiente, e consequentemente nas temperaturas alcançadas pelo aquecimento do coletor. Sendo assim, teria maior vantagem a exposição do coletor ao sol ser dentre esse período, para obter assim maiores ganhos de temperatura.
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