Construindo um coletor solar de baixo custo: uma oportunidade para ensinar Física

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1 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 1 Construindo um coletor solar de baixo custo: uma oportunidade para ensinar Física Luiz Artur Weiller a,1 (arturfisica@yahoo.com.br) Nylton Gomes e Andrade a,1 (nyckl@hotmail.com) Thiago Daniel Moura a,1 (thiagodaniel_moura@hotmail.com) Teddy Almeida a,1 (teddy_almeida@yahoo.com.br) Rodrigo Izidoro Correa a,1 (rodrigoizi@yahoo.com.br) Adriana Gomes Dickman a,b,1 (adickman@pucminas.br) a Curso de Licenciatura em Física Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais b Mestrado em Ensino PREPES Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais RESUMO Na presente proposta descrevemos a construção de um coletor solar com materiais recicláveis e de fácil acesso à população. O nosso trabalho tem como objetivo principal aliar o ensino de física ao conhecimento envolvido na construção e funcionamento de um coletor solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um coletor solar empregando garrafas PET e caixas tetra pak de leite ou suco como parte de um projeto escolar permeado pela discussão dos conceitos físicos envolvidos. Os principais tópicos abordados são da área de calor e termodinâmica, sendo que para estes temas seguimos o padrão utilizado em livros do ensino médio. Podemos trabalhar de forma prática com o termômetro, juntamente com o conceito de temperatura, medindo a temperatura da água que entra e que sai do coletor e da sua superfície externa. Para discutir como a água entra fria e sai quente, introduzimos o conceito de calor, como um fluxo de energia de um corpo com maior temperatura para um com menor temperatura. Introduzem-se tópicos como capacidade térmica e calor específico de uma substância, discutindo também o uso do reservatório térmico cuja função é impedir que haja troca de calor da água com o meio. É possível demonstrar as três formas de transferência de calor usando o coletor solar, e como o efeito estufa é aproveitado. Podem-se discutir temas como radiação eletromagnética, radiação de um corpo negro, lei de Stefan-Boltzmann, campo magnético terrestre, os movimentos da Terra e as estações do ano. Fizemos o levantamento da curva-resposta do nosso coletor e uma estimativa da sua eficiência total de absorção de energia solar. O desenvolvimento desse projeto permite um bom entendimento dos princípios de funcionamento de um coletor solar, bem como, a sua utilização para a transposição didática dos conceitos físicos relacionados, proporcionando um momento oportuno para discutir a importância da geração e utilização consciente de energia. INTRODUÇÃO O professor de Física deve, além de transmitir o conhecimento da ciência Física, preparar seus alunos para atuar de modo fundamentado, consciente e responsável diante das necessidades impostas pela vida atual. Um dos aspectos que caracteriza a nossa sociedade é o grande gasto de energia. Esse aumento do consumo de energia traz como conseqüência uma preocupação constante com a produção/geração de energia em grande escala, acarretando por sua vez uma crescente degradação do meio ambiente. O processo de conscientização da população e a busca por fontes alternativas de energia são lentos. Assim, a conscientização dos cidadãos da importância da energia para a nossa vida e os problemas relacionados com a sua geração deve acontecer desde cedo. Sugerimos, portanto, que essa reflexão seja feita também nas escolas. 1 Professora encarregada da disciplina Prática de Ensino IV, na qual o trabalho foi desenvolvido.

2 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 2 Energia é fundamental à vida e o Sol é a principal fonte de energia do mundo. O Sol é uma fonte de energia renovável 2 com durabilidade de pelo menos mais cinco bilhões de anos, cuja utilização tem a vantagem de causar baixos impactos ambientais. A crise energética gerada pela escassez de petróleo, matéria-prima básica da nossa sociedade industrializada, e seu possível esgotamento nos próximos cinqüenta anos, se continuarmos no ritmo de consumo atual, tem gerado estudos sobre fontes alternativas de energia. Entre elas têm sido consideradas a energia eólica, o álcool, a energia nuclear e a energia solar. A energia advinda do Sol pode ser utilizada diretamente ou indiretamente. Há registros da utilização direta da luz solar desde os índios pré-incaicos, e o seu aproveitamento por meio de dispositivos tecnológicos desde o século XVI (OKUNO, 1982). O ser humano ao longo da história tem utilizado a energia solar transformando-a em outras formas de energia, como a térmica, mecânica, e com isso desenvolveu diferentes tecnologias para a sua utilização. Como exemplo, podemos citar os coletores solares, que são dispositivos projetados para transformar eficientemente a luz solar em calor. As primeiras iniciativas de desenvolvimento dessa tecnologia datam de 1973, mas só a partir da década de 80 o mercado de coletores solares se desenvolveu no Brasil. Hoje em dia é bastante comum o seu uso doméstico para o aquecimento de água. A construção e funcionamento de um coletor solar envolvem uma grande variedade de temas da física, propiciando uma excelente oportunidade de realizar uma aula interessante, aumentando a efetividade no ensino/aprendizagem dos conceitos apresentados. A idéia é bastante popular no ensino de Física sendo que o assunto é freqüentemente tratado em vários trabalhos. O ponto comum desses trabalhos é o fato do coletor solar ter sido projetado exclusivamente para demonstração. Nos artigos utiliza-se um sistema de aquecimento solar, construído a partir de materiais de fácil aquisição, para fins didáticos. Sugere-se o planejamento de uma aula para alunos do ensino médio, na qual podem ser discutidos temas relacionados com a captação e transferência de energia solar (FERREIRA, 1985; LIMA, 1986; PIMENTEL, 2004; PIMENTEL, 1987; PIMENTEL, 1989). O nosso trabalho, a exemplo dos trabalhos já desenvolvidos, tem como objetivo principal aliar o ensino de física ao conhecimento envolvido na construção e funcionamento de um coletor solar de baixo custo. Sugerimos a construção de um coletor solar, empregando material reciclável como garrafas PET 3 e caixas tetra pak de leite ou suco (ALANO, 2006), como parte de um projeto escolar permeado pela discussão dos conceitos físicos envolvidos. O modelo do nosso coletor solar foi projetado por Alano e é efetivamente utilizado em residências para a obtenção de água aquecida. O custo da nossa montagem foi de 73 reais. Além de apresentar uma discussão detalhada dos tópicos que podem ser abordados, medimos o comportamento da temperatura da água no ponto de consumo no reservatório e fizemos uma estimativa da eficiência total de absorção de energia solar do nosso coletor. Sugerimos também aproveitar a oportunidade para iniciar uma discussão sobre a importância da geração e uso consciente de energia. METODOLOGIA PARA A CONSTRUÇÃO DO COLETOR SOLAR Apresentamos nesta seção o material necessário para a montagem do coletor solar e um resumo dos passos seguidos para a sua construção (para maiores detalhes ver ALANO, 2006). 2 Uma fonte de energia é considerada renovável se ela existir dentro de um intervalo de tempo significativo em relação à escala temporal do ser humano. (OKUNO, 1982) 3 Sigla para tereftalato de polietileno, o plástico usado na fabricação das garrafas.

3 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 3 Material 40 garrafas PET 2L; 20 caixas tetra pak de 1L (leite, suco etc.); 2 caixas de isopor (caixa d`água); 2 sprays de tinta preta fosca; 1 tubo de cola soldável; 2 caps. de 20 mm soldáveis; 5 joelhos de 90º de 20 mm soldáveis; 16 T de 20 mm soldáveis; 12 metros de cano PVC de 20 mm soldáveis; 2 flanges de ½ x 20 mm soldáveis; 1 suporte de fixação do coletor solar; Produzindo os componentes do conjunto Na produção dos componentes do conjunto, seguimos passo a passo o manual sobre a construção do coletor solar (ALANO, 2006), para garantir um bom desempenho do sistema de aquecimento solar. Escolhemos um único tipo de garrafa PET, todas do mesmo tamanho. Após a limpeza, as embalagens tetra pak são cortadas, pintadas de preto e dobradas de modo que se encaixem dentro das garrafas PET. Essas também são cortadas e encaixadas uma às outras, acompanhando a estrutura da garrafa como mostrado na Fig. 1. Essa estrutura substitui a caixa do painel de absorção solar e o vidro nos coletores convencionais, protegendo o interior do coletor de interferências externas e criando o efeito estufa. (ALANO, 2006). Fig. 1- Preparação das garrafas PET. A pintura dos canos de PVC e das embalagens tetra pak foi feita utilizando spray preto fosco para secagem rápida. Usamos como reservatório para água quente uma caixa de isopor, com capacidade de armazenar 24L. Na Fig. 2 mostramos os canos de PVC pintados de preto. Fig. 2- Componentes do coletor solar.

4 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 4 Montagem do coletor solar A seguir listamos os passos para a montagem do coletor solar. É importante mencionar que modificamos as ligações para a entrada e saída de água quente e fria, pois não é a nossa intenção instalar o aquecedor solar em uma residência, como no projeto original. A Fig. 3 mostra o coletor solar na sua forma final e um esquema da circulação da água. 1. Produzir e montar os componentes do conjunto do coletor solar, como descrito no item anterior; 2. Localizar o norte geográfico para posicionar o suporte de fixação e o coletor solar; 3. Inclinar o coletor solar em relação à latitude local; 4. Determinar o local para a instalação do coletor solar; 5. Na parte inferior esquerda do coletor encaixar na seguinte ordem: um joelho, um cano de 20 mm soldável, um joelho, um cano de 20 mm soldável adicionado a mais um joelho. Esse, porém, deve ser interligado até o flange que está fixado ao reservatório de água fria; 6. Na parte superior direita do coletor encaixar um joelho, um cano de 20 mm soldável, um joelho e um cano de 20 mm soldável conectado ao flange que está fixado no reservatório de água quente. A distância entre os canos e os joelhos dependerá da localização do coletor solar em relação ao seu ponto de consumo. Fig. 3- O coletor solar construído. METODOLOGIA PARA A ABORDAGEM DOS TÓPICOS DE FÍSICA RELACIONADOS Apresentamos uma proposta para a abordagem do conteúdo teórico que pode ser discutido com alunos do Ensino Médio a partir da construção do coletor solar. Este não deve ser tratado como um modelo fixo, pois segundo Araújo há uma variedade significativa de possibilidades e tendências ao se utilizar experimentação no ensino de física, as quais devem ser adequadas ao público-alvo (ARAUJO, 2003).

5 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 5 Os principais tópicos abordados são da área de calor e termodinâmica, onde seguimos o padrão utilizado em livros do ensino médio, adotando o volume dois do Curso de Física por Beatriz Alvarenga e Antônio Máximo (ALVARENGA, 2000). Podemos trabalhar de forma prática com o termômetro, juntamente com o conceito de temperatura, medindo a temperatura da água que entra e que sai do coletor e a temperatura da sua superfície externa. Para discutir como a água entra fria e sai quente, introduzimos o conceito de calor, como uma energia que flui de um corpo com maior temperatura para um com menor temperatura. Discutimos tópicos como a capacidade térmica e calor específico de uma substância, por meio do seguinte questionamento: por que a água demora mais a ganhar e ceder calor do que a areia, por exemplo? Então é uma boa hora para discutir o uso do reservatório térmico, cuja função é impedir que haja troca de calor da água com o meio. As medidas realizadas nos permitem fazer o cálculo do calor absorvido pela água utilizando a seguinte relação: Q = mc T, (1) onde m é a massa da água, c o seu calor específico e fria e quente. T a diferença de temperatura entre a água É possível demonstrar as três formas de transferência de calor usando o coletor solar. A embalagem tetra pak possui uma superfície de alumínio que é um condutor, assim, o fluxo de energia que chega às extremidades da embalagem será conduzido até à tubulação. Este, por sua vez, é transferido para a água, que é aquecida por convecção. Como utilizamos o processo de circulação natural da água através do termo sifão, ver diagrama na Fig. 3, é um bom momento para discutir por que a água quente fica sobre a água fria, trabalhando a questão da densidade. Usamos a garrafa PET justamente para causar o efeito estufa, retendo assim boa parte da radiação infravermelha. Colocamos um termômetro dentro desta estufa e em seus arredores, para verificar a elevação da temperatura interna e externamente, devido à radiação térmica. Para aprofundar mais no assunto é interessante discutir o comportamento de corpos de diferentes cores na absorção de energia eletromagnética. É fácil verificar que os corpos mais escuros absorvem maior quantidade de energia que os corpos claros. Assim, o momento é propício para discutir as características de um corpo negro ideal, como bom emissor e absorvedor de calor. Segundo Varejão-Silva, para algumas faixas da região do infravermelho do espectro eletromagnético, muitos corpos reais atuam como se fossem um corpo negro (VAREJÃO-SILVA, 2000). Por isso é importante que a embalagem tetra pak e os canos sejam pintados com tinta preta fosca. A radiância de um corpo negro pode ser quantificada por meio da relação de Stefan-Boltzmann: R 4 N = σt, (2) 8 onde σ = 5,67 10 W/m 2 K 4 é a constante de Stefan-Boltzmann e T é a temperatura absoluta do corpo negro. O Sol emite uma grande quantidade de energia, e uma parte dessa energia atinge a Terra. A constante solar, quantidade de energia radiante recebida a cada segundo por metro quadrado, no topo da atmosfera, é igual a 1367 J (DUFFIE, 1991). A potência solar que atinge o solo terrestre é atenuada por vários fatores, entre eles podemos citar absorção e reflexão pela atmosfera, ângulo de elevação em relação ao Sol. Medidas globais anuais mostram que apenas 51% da radiação solar incidente na Terra e em sua atmosfera é absorvida na superfície, sendo que a atmosfera absorve 19% e os 30% restantes são refletidos de volta ao espaço. Ao longo do ano, a quantidade de energia

6 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 6 solar que chega a Terra e atmosfera é igual à energia que é emitida pela Terra. Caso esse balanço não aconteça, haveria ou um aquecimento ou resfriamento global. O estudo da eficiência do coletor nos leva ao seguinte questionamento: Qual é a melhor forma de posicionar um sistema de aquecimento solar para que ele consiga captar o máximo possível de radiação? Sugerimos que este estudo seja limitado a uma abordagem mais qualitativa, devido a sua complexidade para o Ensino Médio. A radiação incidente no plano de um coletor solar é uma função da: Localidade em estudo (latitude geográfica); Época do ano; Hora do dia; Inclinação e orientação do coletor. A eficiência térmica do coletor pode ser estimada por meio da expressão: Qutil Qutil η = = (3) Q G Aext inc onde Q util é o calor transferido para a água, Q inc é o calor incidente, G é radiação global e A ext é a área externa do coletor (PEREIRA, 2002). Podemos consultar os dados de radiação global nos sites ou satelite.cptec.inpe.br/htmldocs/radiacao/fluxos/radsat.htm para obter uma estimativa do valor de G no plano inclinado do coletor, onde é importante destacar que existe uma pequena diferença entre a radiação que chega sobre um plano horizontal e um plano inclinado. Mas como a estimativa da radiação incidente num plano inclinado a partir da radiação no plano horizontal é muito complexa para este fim, usamos esta aproximação para que os alunos tenham uma idéia mais quantitativa sobre o assunto. Usamos a latitude 19 55' 15' S e a longitude 43 56' 16'' W de Belo Horizonte para obtermos a constante de radiação solar para esta região. Ainda sobre a radiação global podemos discutir as suas componentes difusa e direta, muito importantes nesse estudo. A componente direta não sofre nenhuma reflexão em sua trajetória, enquanto que a componente difusa, antes de chegar a Terra, sofre diversas reflexões perdendo parte de sua energia. A radiação global é a soma dessas duas componentes (direta + difusa), e assim explica-se por que conseguimos o aquecimento da água mesmo nos dias nublados. A questão da intensidade da radiação solar incidente sobre uma superfície na Terra nos leva a uma discussão sobre os movimentos da Terra e as estações do ano. A declinação solar é definida como o ângulo formado entre o plano da órbita da Terra e o plano do equador terrestre, sendo esta variando de 23,45 δ 23,45, e juntamente com os movimentos da Terra, responsáveis pelas estações do ano. Existem métodos de se calcular a declinação solar como o proposto por Cooper (DUFFIE, 1991): 360(284 + d ) d = 23,45 sen, (4) 365 onde d = dias do ano variando de um a 365. Nessa abordagem, relativa aos movimentos da Terra e estações do ano, pode-se trabalhar de forma interdisciplinar com a geografia, enriquecendo ainda mais o tema. A inclinação e orientação do coletor são aspectos importantes, pois, como estamos no hemisfério sul, devemos orientar nosso coletor para o norte geográfico e com inclinação igual a latitude do local (a inclinação mínima é de 20, caso a latitude do local seja menor, deve-se fazer uma adaptação). Para determinar a direção norte pode-se utilizar uma bússola, uma boa oportunidade para discutir seu funcionamento e o campo magnético terrestre.

7 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 7 Percebe-se, portanto, que com um simples coletor solar podemos abordar diversos temas da Física no Ensino Médio. Apresentamos então uma pequena possibilidade de se tratar tais conteúdos usando um coletor solar de baixo custo, sendo possível a inclusão de outras abordagens e métodos, que podem variar segundo a realidade de cada professor. DADOS E ANÁLISE DOS RESULTADOS Para analisar o comportamento da temperatura da água no ponto de consumo do reservatório, foram feitas medidas da temperatura de aquecimento da água, em Belo Horizonte, durante a parte da manhã em dois dias consecutivos. A Fig. 4 mostra o resultado obtido no gráfico da variação da temperatura ( o C) em função do tempo (minutos). Fig. 4. Curva resposta do coletor solar. Observamos que, embora as condições climáticas tenham sido distintas nos dois dias de medição, a temperatura final da água chegou a 40 o C. Houve uma boa variação da temperatura da água, em torno de 16 o C, em um intervalo relativamente curto de exposição. Foram feitas medidas da temperatura da água ao anoitecer, por volta das dezoito horas. Os dados obtidos mostram que o coletor solar manteve a água aquecida no ponto de consumo, em torno de 34 o C, mesmo no dia chuvoso. Esse fato atesta o seu bom funcionamento. A partir dos dados obtidos, podemos calcular a razão entre a quantidade de energia absorvida pela água e a quantidade estimada de energia radiante incidente no coletor. Essa razão é uma medida da eficiência total do nosso coletor. No dia nublado com sol, foi aquecida uma massa de água igual a 24 Kg, com temperatura inicial igual a 25ºC até a temperatura de 40ºC. Utilizando a equação 1 obtemos que a quantidade de energia absorvida é igual a 1,5 MJ, considerando o calor específico da água c = 4186 J/Kg o o C e a variação de temperatura T = 15 C. A estimativa da quantidade de energia incidente no coletor é obtida pelo produto de G =1367 J/m 2.s pela área exposta do coletor A ext = 0,78 m 2 e pelo tempo total de exposição ao Sol, 225 minutos ( s). Assim, obtemos Q * inc= 14,4 MJ. Lembrando que apenas 51% dessa radiação incidente é efetivamente absorvida na

8 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 8 superfície da Terra, Q inc = 7,3 MJ. A razão entre essas duas grandezas nos mostra que aproximadamente 20% da quantidade de energia incidente foi absorvida pelo nosso coletor. CONSIDERAÇÕES FINAIS A construção e utilização de um coletor solar permitem a exploração qualitativa e quantitativa de vários conceitos da física que podem ser discutidos com alunos do Ensino Médio. Este estudo permite que o aluno compreenda a importância de estudos teóricos para a otimização de aplicações técnicas, e que o professor cumpra o seu papel de formador de cidadãos (ARAUJO, 2003). Durante a realização desse projeto, o professor pode discutir fontes alternativas de energia, com impactos ambientais menores, e mencionar que o consumo de energia elétrica pode ser reduzido em até 40% com o uso do coletor solar. Assim, o aluno terá a oportunidade de relacionar o estudo científico com seu cotidiano e se posicionar criticamente diante das formas de se gerar energia e da questão ambiental. (SILVA, 2002) Outros esquemas podem ser feitos dando ênfase aos conteúdos ligados à radiação ou aos aspectos relacionados ao posicionamento do coletor. Sugerimos, ainda, alguns experimentos para verificar, por exemplo, a importância da ação de cobertura, local de instalação e ângulo de inclinação do coletor no desempenho do sistema. O coletor solar que construímos para o nosso projeto tem um custo relativamente baixo e pode ser utilizado para o aquecimento de água em residências, como projetado originalmente por seu criador. Esse projeto foi financiado pela Pró-reitoria de Extensão da PUC Minas e será apresentado no Instituto Kairós no município de São Sebastião de Águas Claras (MG), na inauguração do Projeto de Tecnologia Social, cujo objetivo é promover a melhoria de vida da população rural e de baixa renda por meio da divulgação de tecnologia de baixo custo e de fácil aquisição. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALANO, J.A. e família (2006). Manual Sobre a Construção e Instalação do Aquecedor Solar Composto de Embalagens Descartáveis. (Lixo Vira Água Quente). Recompilado por: Miguel Soler Perez Filho. Disponível em acessado em setembro de ALVARENGA, B. e MÁXIMO, A. (2000). Curso de Física. v.2. São Paulo: Scipione. ARAÚJO, M.S. de T. ABIB, M.L.S. (2003). Atividades Experimentais no Ensino de Física: Diferentes Enfoques, Diferentes Finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.25, n.2, p COELHO, R.O. O que leva o aluno a gostar (ou não) da aula de Física? (1999). 11f. Trabalho de conclusão de curso (Especialização). Universidade Federal de Pelotas, Faculdade de Educação. DUFFIE, J. A. BECKMANN, W. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes. New York: Wiley & Sons. FERREIRA, N.C. e MISSONO, M.C.D. (1985). Laboratório caseiro: coletor solar. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.2, n.2, p

9 XVII S IMPÓSIO N ACIONAL DE ENSINO DE FÍSICA 9 LIMA, D. ALMEIDA, A.L. LOPES, C. (1986). O Protótipo de um Coletor Solar Didático. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.3, n.2, p OKUNO, E., CALDAS, I.L. e CHOW, C. (1982). Física para ciências biológicas e biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil. OLIVEIRA, A. (2002). Petróleo: por que os preços sobem (e descem)? Disponível em em set. de PEREIRA, R.G., FREITAS, A.L.A., TORRES, C. S e COSTA, N.G. (2000) Desenvolvimento de um Coletor Solar Alternativo Utilizando Materiais Reaproveitáveis. Mundo e Vida, v. 2. PEREIRA, E.M.D. (2002). Energia Solar aplicada: instalações solares de pequeno porte. (6ª ed.) Belo Horizonte: PUC Minas virtual. PIMENTEL, J.R. (2004). Sistema de aquecimento solar didático empregando uma bandeja metálica. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v.21, n. esp., p PIMENTEL, J.R. (1987). Sistema de aquecimento solar didático empregando uma bandeja metálica. Caderno Catarinense de Ensino de Física, v. 4, n.2, p PIMENTEL, J.R., LUCIANO, E.A. e MORAIS, M.B. (1989). Sistema de Aquecimento Solar Didático. Revista Brasileira de Ensino de Física, v.11, n.1, p SILVA, L.F. CARVALHO, L.M. (2002) A temática ambiental e o ensino de física na escola média: Algumas possibilidades de desenvolver o tema produção de energia elétrica em larga escala em uma situação de ensino. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol.24, n.3, p VAREJÃO-SILVA, M. A. (2000). Meteorologia e climatologia. (INMET) Brasília: Stilo. Disponível em