FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA Relatório do Trabalho Trimestral de Física

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1 FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA Relatório do Trabalho Trimestral de Física Curso: Técnico em Eletrônica Turma: 4311 Data: 20/05/05 Sala: 237 Aluno: Andreas Bolívar Bobsin n : 01 Aluno: Eduardo Franco Lazzarotto n : 05 Aluno: Jonas Patrick Lauxen n : 21 Prof.: Luiz André Mützenberg TRÔ Duas décadas buscando excelência Aquecedor Solar Grupo A Introdução No mundo todo, e também no Brasil, é crescente a utilização de sistemas de aquecimento solar de água nas residências familiares graças à conscientização da população da necessidade de preservação do meio ambiente e, principalmente, de economizar-se energia elétrica. O nosso, é um dos países mais adequados do mundo para a utilização da energia solar para aquecimento térmico. Sua localização privilegiada no globo terrestre, seu clima tropical e a sua extensão territorial que permite o desenvolvimento de arquitetura horizontal, provendo maior captação de radiação solar, fazem com que tenhamos um ambiente propício para utilização das placas de coletores solares ou sistemas que utilizem tão vasta e limpa energia. Deduz-se, portanto que o aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. E quando se fala em energia, deve-se lembrar que o Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol. É a partir da energia do Sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a conseqüente geração de eletricidade através das hidrelétricas. A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar. O sol é o maior emissor de energia para a terra, que somente não era aproveitada até as últimas décadas por falta de tecnologia, o que provaremos estar errado, ou de vontade de grandes companhias de investir na mesma.

2 Objetivo Construir um aquecedor de água que utilize energia solar e seja dotado de reservatório e meio de obtenção de energia. Fundamentação Teórica Existem diversas formas de utilização da energia solar, entre elas destacamos: a energia solar fototérmica, onde o ponto principal de interesse é a quantidade de energia que um determinado corpo é capaz de absorver, sob a forma de calor, a partir da radiação solar incidente no mesmo. A utilização dessa forma de energia implica saber captá-la e armazená-la. Os equipamentos mais difundidos com o objetivo específico de se utilizar a energia solar fototérmica são conhecidos como coletores solares ou painéis solares. Os coletores solares são aquecedores de fluidos, como no nosso caso água e são classificados em coletores concentradores e coletores planos em função da existência ou não de dispositivos de concentração da radiação solar. O fluido aquecido é mantido em reservatórios termicamente isolados até o seu uso final, é muito utilizado para gerar água aquecida para banho, ar quente para secagem de grãos, gases para acionamento de turbinas e outros aquecimentos. E a outra é a energia solar fotovoltaica, que é obtida através da conversão direta da luz em eletricidade. O efeito fotovoltaico, relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão. Inicialmente o desenvolvimento da tecnologia apoiou-se na busca, por empresas do setor de telecomunicações, de fontes de energia para sistemas instalados em localidades remotas. O segundo agente impulsionador foi a "corrida espacial". A célula solar era, e continua sendo, o meio mais adequado para fornecer a quantidade de energia necessária para longos períodos de permanência no espaço. Outro uso espacial que impulsionou o desenvolvimento das células solares foi a necessidade de energia para satélites. No atual processo de diminuição dos recursos energéticos, ou melhor, por eles não serem mais suficientes para a terra, começou a se firmar como tecnologia limpa e funcional. Porém, antigamente, para tornar economicamente viável essa forma de conversão de energia, seria necessária a redução em até 100 vezes o custo de produção das células solares em relação ao daquelas células usadas em explorações espaciais. Modificou-se, também, o perfil das empresas envolvidas no setor. Nos Estados Unidos, as empresas de petróleo resolveram diversificar seus investimentos, englobando a produção de energia a partir da radiação solar. Portanto, essa tecnologia também

3 pode ser utilizada para o aquecimento de água, só que através da energia elétrica, além de ser mais cara do que a primeira relatada. As duas formas de obtenção de energia solar giram em torno da radiação solar, que tratasse da quantidade de energia emitida pelo sol para a terra. O Sol fornece em média, para a atmosfera terrestre, 1,5 x kwh de energia. Trata-se de um valor considerável, correspondendo a vezes o consumo mundial de energia neste período. Este fato indica que, além de ser responsável pela manutenção da vida na Terra, a radiação solar constitui-se numa incrível fonte energética, havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia, como é o caso de convertê-la para a energia térmica e aquecer a água. O nosso planeta, em seu movimento anual em torno do Sol, descreve em trajetória elíptica um plano que é inclinado de aproximadamente 23,5º com relação ao plano equatorial. Esta inclinação é responsável pela variação da elevação do Sol no horizonte em relação à mesma hora, ao longo dos dias, dando origem às estações do ano e dificultando os cálculos da posição do Sol para uma determinada data. A posição angular do Sol, ao meio dia solar, em relação ao plano do Equador é chamada de Declinação Solar (δ). Este ângulo varia de acordo com o dia do ano, dentro dos seguintes limites: -23,45 δ 23,45 A soma da declinação com a latitude local determina a trajetória do movimento aparente do Sol para um determinado dia em uma dada localidade na Terra. A radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar que é uma camada tênue com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800K. Porém, esta radiação não se apresenta como um modelo de regularidade, pois há a influência das camadas externas do Sol, com pontos quentes e frios e erupções que afetam esse valor. Apesar disto, pode-se definir um valor médio para o nível de radiação solar incidente normalmente sobre uma superfície situada no topo da atmosfera. Dados recentes da Organização Mundial de Metrologia indicam um valor médio de 1367 W/m 2 para a radiação extraterrestre. Mas esse valor varia de acordo com o ponto onde se realiza a medição, a tabela apresenta os valores das capitais brasileiras: Centralizar a tabela Capital Temperatura média anual ( C ) Radiação solar incidente (kwh/m 2.ano) Porto Velho 26, Manaus 27,4 1663

4 Boa Vista 27, Belém 26, Macapá 26, São Luis 27, Teresina Fortaleza 26, Natal 25, João Pessoa 25, Recife 25, Maceió 25, Aracaju 25, Salvador 25, Belo Horizonte 21, Vitória 24, Rio de Janeiro 23, São Paulo Curitiba 17, Florianópolis 20, Porto Alegre 20, Cuiabá 26, Goiânia 22, Brasília 21, Tabela 1: Radiação solar nas capitais brasileiras. Fórmulas matemáticas permitem o cálculo, a partir da Constante Solar, da radiação extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correção pela órbita elíptica. A radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de km/s, podendo-se observar aspectos ondulatórios. Em termos de comprimentos de onda, a radiação solar ocupa a faixa

5 espectral de 0,1mm a 5mm, tendo uma máxima densidade espectral em 0,5mm, que é a luz verde. É através da teoria ondulatória, que são definidas para os diversos meios materiais, as propriedades de absorção e reflexão e, na faixa de 0,75 a 100mm, correspondente ao infravermelho, as propriedades de absorção, reflexão e emissão. A energia solar incidente no meio material pode ser refletida, transmitida e absorvida. A parcela absorvida dá origem, conforme o meio material, aos processos de fotoconversão e termoconversão. De toda a radiação solar que chega às camadas superiores da atmosfera, apenas uma fração atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. Esta fração que atinge o solo é constituída por um componente direta e por uma componente difusa, que representa os raios que perpassaram obstáculos. Antes de atingir o solo, as características da radiação solar são afetadas por interações com a atmosfera devido aos efeitos de absorção e espalhamento. Estas modificações são dependentes da espessura da camada atmosférica, também identificada por um coeficiente denominado "Massa de Ar. Devido à alternância de dias e noites, das estações do ano e períodos de passagem de nuvens e chuvosos, o recurso energético solar apresenta grande variabilidade, induzindo, conforme o caso, à seleção de um sistema apropriado de estocagem para a energia resultante do processo de conversão. Essa radiação solar é medida, tanto a componente direta como a componente difusa na superfície terrestre é de maior importância para os estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar a instalações de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo aproveitamento ao longo do ano onde, as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações. A medição dessa intensidade de radiação solar é realizada a partir de piranômetros, pireliômetros, heliógrafos e actinógrafos. O princípio de funcionamento do aquecimento solar de água é bastante simples, é baseado na transmissão de calor através dos materiais que compõem o sistema. É composto por dois itens básicos: o reservatório térmico (boiler) e o coletor solar (placas). Um exemplo de sistema fototérmico de aquecimento de água é o seguinte:

6 Figura 1: Sistema de aquecimento de água. Cada material tem a sua utilidade no sistema, o vidro impede que entrem, no coletor, água de chuva, materiais sólidos, poeira e outros dejetos. Tem como finalidade principal provocar o efeito estufa. Ou seja, a luz do sol, incidindo diretamente no vidro, faz com que parte dela penetre no interior do coletor, refletindo outra parcela de luz. Na reflexão, a luz é composta basicamente de raios infravermelhos que não conseguem ultrapassar a camada de vidro, provocando assim um aquecimento interno que ajudará no aquecimento da água que está circulando na tubulação de cobre. O tubo de cobre serve para conduzir a água que captará o calor do sol. O cobre, sendo um ótimo condutor de calor, absorverá todo esse calor do coletor e o transmitirá para a água que está circulando. A chapa de alumínio enegrecida tem por finalidade auxiliar no aquecimento do coletor. Pela sua cor negra, absorve melhor o calor da luz solar, transmitindo-o para os tubos de cobre e conseqüentemente para a água. E o isolante térmico, que normalmente é poliuretano expandido ou lã de vidro, é um material que isola termicamente o coletor, impedindo que o calor captado pela luz solar escape para o ambiente. Mas o sistema também pode ser implementado somente com o cano de cobre ou de outro material enegrecido, que exposto a incidência solar irá transformar a energia solar em térmica e aquecerá a água, de maneira não tão eficiente quanto a apresentada mas muito funcional. O boiler serve para armazenar água quente para consumo. A nível industrial é fabricado por fora de alumínio e por dentro de cobre ou aço inox. Internamente, a água quente se mistura com a fria ficando a água quente sempre na parte superior. O boiler normalmente possui resistência elétrica que aquece a água em dias em que não há luz solar suficiente. Comandada por um termostato, ela liga e desliga de acordo com a temperatura da água. Aqui também temos o poliuretano expandido, revestindo toda a parede interna do boiler. Em dias com gran-

7 de luminosidade, a água quente pode ficar armazenada por várias horas sem precisar acionar a resistência elétrica. Mas o princípio básico do boiler é ser um armazenamento de água a- quecida que tenha a menor quantidade de trocas com o ambiente de calor. O volume interno do boiler é definido de acordo com o número de pessoas na família que irá utilizá-lo e da quantidade de água utilizada. A inclinação da placa solar é outro fator importante, ela é definida pela latitude do local onde está a placa solar acrescida de dez graus. Exemplos de sistema de aquecimento de água solar: Figura 2: Sistema de aquecimento de água solar. Figura 3: Sistema de aquecimento de água solar.

8 Procedimento Experimental O aquecedor montado pelo grupo foi simples, mas tentou utilizar todo os passos de um aquecedor real de água através da energia solar. Ele constituísse basicamente de uma placa de madeira, sobre a qual estende-se um cano negro, que se liga a duas extremidades de um reservatório isolado termicamente do meio ambiente. O material utilizado para a montagem do protótipo foi: Seis metros de cano de PVC negro; Placa suporte de madeira de 2,10 X 0,80 metros; Reservatório de vinte litros; Isopor para a isolação térmica do reservatório; Termômetro para medidas. Foto do sistema montado: Figura 4: Sistema de aquecimento implementado.

9 Como foi citado no referencial teórico, o ângulo de inclinação ao qual a placa é exposta influencia na quantidade de energia captada e, portanto na temperatura a qual a água aquecerá. A cidade onde foram feitas as medidas e onde se montou o aquecedor foi Morro Reuter. Para o cálculo do ângulo de inclinação o grupo utilizou o valor da sua latitude de 30º, o que somado a dez graus resultou em 40º. Com esse ângulo de inclinação o painel tem o aproveitamento máximo da energia solar devido a maior incidência de radiação. As medições da temperatura e a verificação das condições climáticas foram feitas durante uma semana. Tabela das medições de temperatura e verificação do clima: Horário da medição T da água (ºC) T ambiente (ºC) Condições do tempo sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol sol Chuvoso Chuvoso Chuvoso Chuvoso Chuvoso sol sol sol sol Sol sol sol sol sol sol sol sol

10 sol sol sol Tabela 2: Medições de temperatura. O gráfico das medidas foi encontrado, ele indica claramente o dia chuvoso, em que, segundo constatação do grupo não é possível realizar o aquecimento da água eficientemente. Aquecimento Temperatura (ºC) Seqüência Nº da medida Gráfico 1: Medições de temperatura. Conclusões O grupo concluiu, através das medidas e das experiências realizadas que é totalmente viável a implementação de um sistema de aquecimento de água por energia solar em uma residência. Mesmo que os testes tenham indicado que em dias chuvosos ou sem presença plena de raios solares o aquecimento é quase nulo, poder-se-ia contornar esse pequeno problema facilmente através da implementação de um sensor de temperatura dentro do reservatório de água que, ao constatar que a temperatura da água não está em um valor aceitável, ligaria um sistema elétrico ou a gás de aquecimento. Isso poderia ser utilizado para a noite e para dias sem ou com pouco sol. Ainda assim a economia feita seria muito grande em relações a aquecedores de água somente a gás ou a eletricidade. Além de realizar-se uma economia financeira para a família, a alternativa energética representa um aumento da utilização de tecnologias limpas e a diminuição dos gastos com

11 tecnologias finitas e que poluem o meio ambiente. É importante ressaltar que o trabalho ajudou muito o grupo na busca por material sobre o assunto e abriu os olhos dos alunos para o consumo excessivo de energia nos banhos e aquecimentos de água, quando tudo pode ser feito com uma tecnologia limpa, barata e viável como a solar. Fica aqui o nosso desejo de boas férias para o professor de física, que nos acompanhou durante dois anos inteiros e do qual nos despedimos nesse final de trimestre e de ano. Muito obrigado por aquilo que nos ensinou e até logo. Fontes Consultadas Disponível em Acesso em 01/12/05. Disponível em Acesso em 28/11/05. Disponível em Acesso em 28/11/05. Disponível em Acesso em 28/11/05. Disponível em Acesso em 28/11/05. Disponível em Acesso em 28/11/05. Assinaturas Andreas Bolívar Bobsin Eduardo Franco Lazzarotto Jonas Patrick Lauxen