Rua Passos da Pátria, 156 ; 24210-240, Niterói, RJ
Resumo - A presente investigação de caráter experimental, refere-se à redução no custo e a viabilidade de se
instalar coletores solares residenciais com materiais de fácil acesso a população de baixa renda. São apresentados resultados para a comparação de dois tipos de coletores: o clássico e o alternativo.
Palavras-chave : baixo custo, coletor alternativo, materiais reaproveitáveis
Development of an Alternative Solar Collector Uzing Recycled Materiais
Abstract - The present work describes an experimental investigation concerning the cost reduction and the
instalation viability of domestic solar collectors with materials of easy access for the low rent population. Results are presented concerning the comparation between two kinds of colector: the conventional and the alternative. Key-Words : low cost, alternative collector, recycled materials
Développement d’um Collecteur Solaire Alternatif Utilisant des Matériaux Réutilisables
Résumé - Cet article décrit une recherche expérimentale visant la réduction de coût et la viabilité de l’installation
de collecteurs solaires qui utilisent des matériaux de facile accès pour la population de bas revenu. Les résultats sont présentés pour deux types de collecteurs solaires : le traditionel et l’alternatif.
Mots-Clés : coût réduit, collecteur alternatif, matériaux réutilisables
1. INTRODUÇÃO
Atualmente, com os elevados custos energéticos, as instalações de aquecimento de água por energia solar surgiram como uma excelente opção de economia, visto que a energia solar é econômica, adequada ao clima tropical de nosso país e não poluente. Deste modo, o aproveitamento da energia solar constitui uma estratégia para o desenvolvimento sustentável.
Diversos autores destacam a importância da energia solar como estratégia para o desenvolvimento dos países: Kluppel (1974); Valdman e Dwick (1979); Dickinson e Cheremisinoff (1980); Palz (1981); Assmann (1982); Luis (1985); Orlando (1985); Anhalt (1987); Figueredo (1990); Hirscheberg (1990); Zilles e Corbella (1990).
O presente trabalho tem como finalidade o desenvolvimento de um sistema alternativo de aquecimento de água através da utilização direta da energia solar. Este sistema é composto basicamente
por uma superfície seletiva, uma superfície trocadora de calor dentro de uma caixa coletora isolada termicamente nas laterais e no fundo, e coberto por uma superfície transparente aos raios solares, favorecendo a formação do efeito estufa.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A radiação solar em uma dada superfície pode ser determinada pela seguinte equação:
Ii θ= IDN cos θ + Id θ + Ir (1) Sendo: Ii θ o fluxo de radiação que atinge a superfície
IDN o fluxo de radiação direta do sol
θ o ângulo de incidência conforme mostrado na figura 1
Id θ os componentes do fluxo de radiação difusa do céu
Ir o fluxo de radiação de ondas-curtas refletida de outras superfícies
Figura 1: Incidência Solar em uma Superfície M eses do Ano Radiação 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Jan Fev M ar Abr M ai Jun Jul Ago Set O ut Nov Dez
Qo Qm Q
Figura 2: Radiação total incidente no Rio de Janeiro
A figura 2 mostra os valores de radiação total no Rio de Janeiro. Nesta figura, Qo refere-se aos valo-res de radiação extratervalo-restre (onde não se considera a atmosfera), Qm é a máxima radiação global ao nível do solo e Q representa a radiação ao nível do solo.
Visando o aproveitamento eficiente da radia-ção solar que chega em uma determinada superfície, vários fatores devem ser considerados no projeto e construção de um coletor solar, como por exemplo: a sua inclinação, o seu posicionamento e a utilização de materiais apropriados de modo a favorecer o denominado “efeito estufa” no interior do coletor. Para o estado do Rio de Janeiro recomenda-se uma inclinação de 33º para o coletor cuja orientação deve ser o norte geográfico. O “efeito estufa”, esquema-tizado na figura 3, que é responsável por temperaturas elevadas no interior do coletor, é obtido utilizando-se
uma superfície negra na base do coletor e uma super-fície transparente de modo que a radiação incidente tenha seu comprimento de onda modificado ficando confinada no interior do coletor, sendo absorvida e emitida sucessivamente pela superfície negra.
Deve-se enfatizar que o desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localiza-ção. Nas regiões onde na maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por nuvens, neblina, e muitos outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser substancialmente inferior aos de climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável o uso do aquecimento solar durante parte do ano. Em qualquer caso, o uso de coletores solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando-se em consideração as condições climáticas do local do usuário. Isto acarreta medidas precisas do perfil da intensidade solar durante dias, semanas e anos.
Figura 3: O efeito estufa
3. PROBLEMA FÍSICO
Os coletores solares utilizados no presente trabalho (coletor clássico e coletor alternativo) estão dispostos em circuito aberto com circulação natural, conforme esquematizado na figura 4. Neste arranjo a água circula apenas devido ao gradiente de tempera-tura imposto no fluido (efeito termossifão) ao passar no coletor solar.
A figura 5 ilustra esquematicamente o coletor clássico utilizado, construído a partir dos seguintes materiais: chapa de alumínio isolada termicamente; caixa coletora de alumínio isolada termicamente; cobertura de vidro e arranjo de tubos de cobre. Em conjunto com este coletor utilizou-se como reservatório térmico isolado uma caixa de amianto revestida com lã de vidro.
Figura 5: Coletor Solar Clássico
O coletor alternativo mostrado esquemática-mente na figura 6 foi construído utilizando-se os seguintes materiais reaproveitáveis: cobertura de vidro, caixa de madeira isolada termicamente, placa de fórmica, tubos de plástico e para a superfície trocadora de calor foram experimentados os arranjos com os seguintes materiais: três latas de óleo de 900ml, três garrafas de plástico rígido de 1500ml, ou ainda três garrafas de plástico do tipo “big coke” de 2000ml, sendo que todos com a sua superfície externa pintada
de negro. Destes três arranjos o mais eficiente é o arranjo de latas que além de não deformar apresenta fácil montagem, sendo portanto o utilizado para comparação com o coletor clássico. Como reservatório térmico isolado, utilizou-se um galão de tinta de dezoito litros revestido com lã de vidro.
Os coletores utilizados no presente trabalho forem construídos procurando-se manter a mesma proporcionalidade entre o tamanho do reservatório térmico e a superfície de incidência solar.
do dia a diferença entre a temperatura da água no interior do reservatório dos coletores clássico e alternativo e a temperatura ambiente. Já as temperaturas da água no interior dos reservatórios encontram-se na figura 9.
Os resultados mostram que no início do dia a temperatura da água no interior do reservatório térmico do coletor solar alternativo encontrava-se em equilíbrio com o meio ambiente. Isto porque o isolamento térmico não foi suficiente para minimizar as perdas do calor durante a noite, fato este que não ocorre no coletor clássico que às dez horas do dia já apresenta um gradiente de temperatura de 12º entre a água no interior do reservatório e o ambiente. A partir das dez horas, começa a se observar no coletor alternativo um gradiente de temperatura na água do reservatório que se intensifica atingindo um máximo por volta das quatorze horas da ordem de 12,5ºC, enquanto que no
COLETORES CLÁSSICO E ALTERNATIVO (temperaturas em graus Celsius)
Gradiente de
Temperatura
Hora ClássicoAlter-nativo Temp. Amb. Clássico Alterna -tivo 10:00 37 25 25 12 0 11:00 41 32 25 16 7 12:00 44 37 26 18 11 13:00 47 38,5 26 21 12,5 14:00 49 38,5 26 23 12,5 15:00 50 38 26 24 12 16:00 50 39 26 24 13 Média 45,4 35,4 25,7 - - 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Hora do Dia 0 5 10 15 20 25 Gradiente de Temperatura [ ºC ] 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Hora do Dia CLÁSSICO ALTERNATIVO
Hora do dia
Gradiente
de
Temperatura
[ ºC ]
0
5
10
15
20
25
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
Clássico
Alternativo
Figura 8: Influência da hora do dia no gradiente de temperatura entre as águas dos reservatórios térmicos e o ambiente
Horas do dia Temperatura [ ºC ] 0 10 20 30 40 50 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 Ambiente Clássico Alternativo
Figura 9: Influência da hora do dia na temperatura da água dos reservatórios térmicos
feasibility of residential solar water heaters. Anais
do IV Congresso Brasileiro de Energia, p. 127
(1987).
ASSMANN, P.O. Emprego de coletores de energia solar na agricultura. Associação Promotora de
Estudos da Economia, 1982.
DICKINSON, W.C. e CHEREMISINOFF, P.N. Solar Energy Technology Handbook, Part B, Applications, Systems Design, and Economics, Ed. Marcel Dekker Inc Butterworths, 1980.
FIGUEIREDO, J.C.A. de. Performance e sistemas de aquecimento solar de água em condomínios. Anais
do V Congresso Brasileiro de Energia, vol. I, p.
122 (1990).
“Introdução de tecnologias energéticas alternativas do Brasil até o ano 2000”, vol. I, p.
157 (1985).
PALZ, W. Energias solar e fontes alternativas. Ed. Hemus, 1981.
VALDMAN, B. e DWICK, J. Simulação dinâmica de coletores solares. Anais do II Congresso
Latino-Americano de Energia Solar, vol. I, UFPb, p.
261 (1979).
ZILLES, R. e CORBELLA, O.D. Comparação experi-mental de testes de coletores solares planos com simulador e com radiação solar. V Congresso
Brasileiro de Energia, vol. I, p. 236 (1990).
