GLOBAL SCIENCE AND TECHNOLOGY (ISSN 1984-3801) ANÁLISE ENERGÉTICA DE UM PROTÓTIPO DE AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO Renato Adriane Alves Ruas 1 Edney Alves Magalhães 2 Adílio Flauzino de Lacerda Filho 2 Juarez Souza Silva 2 Resumo: Com este trabalho, objetivou-se analisar a utilização de materiais recicláveis e de baixo custo no aquecimento de água em residências domésticas. Para isso, foi construído e avaliado um protótipo de aquecedor solar tubular plano utilizando-se um tubo metálico cujas dimensões são de 0,05 x 0,03 x 6 m, com espessura de parede de 3 x 10-4 m. O tubo foi pintado com tinta preta fosca para melhorar a absorção da radiação solar e envolvido por garrafas PET transparentes. A avaliação do aquecedor consistiu na verificação das leituras de temperatura de água entre as 10 e 16 horas, com seis leituras diárias, nos dias 2, 3 e 4 de julho de 2004. Durante a avaliação, o fluxo de água permaneceu constante e igual a 20L h -1. Os resultados mostraram que o protótipo desenvolvido apresentou absorção energética de 2,33 kw dia -1 o que representa 7,77 kw dia -1 m 2 de superfície coletora. Concluiu-se que é possível obter uma produção de até 70 kw de energia solar por mês em residências domésticas, empregando-se, principalmente, materiais recicláveis e de baixo custo, podendo contribuir para redução do gasto de energia elétrica. Palavras-chave: Energias alternativas, radiação solar, gradiente de temperatura da água. Abstract: This study aimed to examine the use of recyclable materials and low cost for heating water in domestic dwellings. For this reason it was built and evaluated a prototype of the tubular solar heater using a metal tube whose dimensions are 0.05 x 0.03 x 6 m, with wall thickness of 3 x 10-4 m. The pipe was painted with flat black paint to improve the absorption of solar radiation involved in PET bottles and transparent. The assessment of the heater was to verify the readings of water temperature between 10 and 16 hours, with six readings per day, on days 2, 3 and 4 July 2004. During evaluation, the flow of water remained constant and equal to 20 L h -1. The results showed that the prototype developed showed absorption energy of 2.33 kw day -1 which represents 7.77 kw day -1 m 2 of collector surface. Concluded that it is possible to obtain an output of up to 70 kw per month of solar energy in domestic households, using, mainly, recyclable materials, low cost and could help reduce the cost of electric energy. Key-words: Alternative energies, solar radiation, water temperature gradient. 1 Instituto Federal Goiano - Campus de Morrinhos, CP 92, CEP.: 75650-000 - Morrinhos, GO. *Email: raaruas@yahoo.com.br. Autor para correspondência. 2 Universidade Federal de Viçosa, Av. PH Rolfs, s/n, CEP.: 36571-000, Viçosa MG. Recebido em: 31/03/2009 e Aprovado em: 03/07/2009.
R. A. A. Ruas et al. 2 INTRODUÇÃO Apesar de somente parte de a radiação solar atingir a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes maior em relação ao consumo energético mundial (CRESESB, 2000). O aproveitamento dessa enorme e inesgotável fonte de energia é hoje, sem sombra de dúvidas, uma das alternativas energéticas mais promissoras para se enfrentar as constantes crises energéticas pela qual passa a humanidade. Uma das formas de aproveitamento da energia solar comumente utilizada é o aproveitamento térmico para aquecimento de fluídos por meio do uso de coletores ou concentradores solares para aquecimento de água em residências e comércios. Na maioria das vezes, esses coletores são construídos empregando materiais recicláveis e de baixo custo, o que permite maior acesso de pessoas a uma forma de energia alternativa. Basicamente, os aquecedores solares são equipamentos constituídos por uma caixa de forma geométrica retangular, hermeticamente fechada, contendo no seu interior uma chapa plana ou ondulada pintado de preto fosco, tendo como cobertura, uma lâmina de vidro plano transparente (BEZERRA, 2004). O princípio de funcionamento desses equipamentos se baseia na captação e transformação da energia solar fototérmica em calor que pode ser utilizado para aquecimento de fluídos líquidos ou gases (PEREIRA e FONTINELLI, 2002). A radiação solar atravessa a cobertura e ao encontrar a chapa preta sofre aumento no seu comprimento de onda, de modo que, ao ser refletida contra a cobertura, não consegue atravessá-la novamente, a partir daí tem origem uma reemissão desta radiação no sentido cobertura/chapa/cobertura. Como o ambiente se encontra hermeticamente fechado ocorre o fenômeno conhecido por efeito estufa, sendo este o responsável pelo aumento progressivo da temperatura da chapa pintada de preto fosco, enquanto durar a ação da radiação solar. Com isso, o calor da chapa é transmitido diretamente para o fluído que circula no seu interior (BEZERRA, 2004). Depois de aquecidos, os fluídos podem ser armazenados em reservatórios termicamente isolados até seu uso final, proporcionando conforto e redução no consumo de energia elétrica. Atualmente, se busca o desenvolvimento de melhores equipamentos conversores de energia solar, visando o aumento da eficiência térmica, porém, é necessário que se mantenha a simplicidade de construção e custo de produção que permita o uso destes equipamentos de forma competitiva em relação às fontes de energia convencionais (ALENCAR e SAGLIETTI, 1999). De acordo com SANGUINETTO (2002), apesar de o Brasil possuir grandes áreas adequadas à captação da radiação solar, falta uma política apropriada para o uso da energia solar e desta forma, não se observa atualmente, um padrão construtivo para os coletores solares. Segundo o autor, na maioria das vezes os coletores solares encontrados são incompatíveis com as construções civis que quase sempre não são projetadas para recebêlos corretamente. Por isso, muitas pesquisas sobre coletores têm priorizado, além do uso de materiais alternativos na sua confecção, a integração desses equipamentos com diferentes tipos de construções, a fim de se obter melhor rendimento em função principalmente de sua localização em relação ao movimento relativo do sol durante o ano (HERGE-VIGIAL e SUAREZ, 1991).
Análise Energética... 3 Diante da hipótese da utilização de materiais alternativos para construção de coletores, ALENCAR e SAGLIETTI (1999) analisaram a eficiência de coletores solares padrão comumente encontrados e um modelo alternativo construído de telha de amianto. As avaliações foram feitas com circulação de água forçada, em dias não consecutivos e de boa insolação. Os autores encontraram médias de eficiência de 62,46% para o coletor padrão e de 53,39% para o coletor alternativo. Isso demonstra claramente que é possível a construção de coletores solares a partir de diferentes materiais, permitindo a redução de custo e ao mesmo tempo, adequando esses equipamentos a diferentes formas de construções. O aquecimento via solar direta tem papel relevante, porque pode substituir, em parte, a inconveniente carga representada pelos chuveiros elétricos, cujo consumo é estimado em mais de 2% do total nacional (LEITE, 1997). Assim, torna-se necessário a busca por soluções de fontes energéticas acessíveis às classes sociais mais carentes. Nesse contexto, os coletores solares são uma importante alternativa para geração de energia, visando várias formas de utilização. Entretanto, são poucos os trabalhos já realizados que mostram o real potencial dos coletores em proporcionar redução do consumo de energia, sobretudo, em pequenas propriedades. Portanto, objetivou-se com este trabalho, construir e analisar a eficiência energética de um protótipo utilizado como aquecedor solar tubular de baixo custo, visando à redução do consumo energético. MATERIAL E MÉTODOS O trabalho foi realizado no Laboratório de Armazenamento e Processamento de Grãos do Departamento de Engenharia Agrícola da Universidade Federal de Viçosa, localizado no município de Viçosa-MG, nas coordenadas de latitude 20º45 S e longitude 42º52 W. O protótipo idealizado foi construído no intuito de utilizar materiais de baixo custo, fácil montagem e operação, podendo assim, ser acessível a todas as classes sociais. Utilizou-se um tubo metálico pintado com tinta preta fosca para melhorar a absorção da radiação solar. As dimensões do tubo são de 0,05 x 0,03 x 6 m, com espessura de parede de 3 x 10-4 m. As extremidades foram fechadas e foram soldadas luvas de aço galvanizado para possibilitar a adaptação de mangueiras para a condução da água. Sob o tubo, foi colocado um suporte de madeira, a fim de permitir que o mesmo fosse colocado em diferentes inclinações em relação ao solo sem se curvar após o enchimento com água. O tubo foi envolto por uma superfície transparente de plástico, constituída de 35 garrafas PETs, encaixadas umas na outras e fixadas com fita adesiva. Desta forma, se reduz as perdas de calor e se aumenta a eficiência térmica geral do equipamento. Para a escolha do material, levou-se em consideração o custo e a importância de se aproveitar materiais que muitas vezes causam danos ao meio ambiente. A Figura 1 apresenta o esquema do aquecedor solar tubular desenvolvido.
R. A. A. Ruas et al. 4 Cobertura plástica transparente 0,05 m 0,03 m 0,025 m Tubo metálico Suporte de madeira Termopar Tipo T Figura 1 Esquema de montagem aquecedor solar tubular. O aquecedor solar foi posicionado no sentido norte-sul, com inclinação de 45º N visando receber maior radiação no período mais crítico do ano, ou seja, no solstício de inverno. Ao longo do tubo metálico do aquecedor, foram instalados termopares tipo T distanciados entre si em 30 cm, totalizando 21 pontos de leitura, podendo assim, avaliar o ganho de temperatura ao longo do equipamento. A avaliação do coletor consistiu na verificação das leituras de temperatura de água feitas entre as 10 e 16 horas, com 6 leituras diárias, nos dias 2, 3 e 4 de julho de 2004. Durante a avaliação, o fluxo de água permaneceu constante e igual a 20L h -1, o que gerou um volume de água aquecido de 120L dia -1 para o período de coleta de dados. Os dados climáticos dos dias das avaliações foram obtidos na Estação Meteorológica localizada no Campus da Universidade Federal de Viçosa. RESULTADOS E DISCUSSÃO Segundo dados da estação meteorológica, o período de insolação (horas de sol por dia) registrado para os dias das leituras 02, 03 e 04 de julho de 2004 foi de: 7,1; 7,8 e 7,3 horas, respectivamente. Os valores dos gradientes de temperaturas obtidos pelo aquecedor solar são apresentados na Tabela 1. Observa-se que o dia 02/07/2004 foi o de pior desempenho em comparação aos demais dias avaliados. Isto se deve ao fato do menor número de horas de luz em relação aos demais dias (7,1 h), ocasionado pela nebulosidade. A temperatura máxima obtida pelo coletor durante os dias de medição foi de 50,6 C no período das 15 horas do dia 03/07/2004, resultando no maior gradiente de temperatura (22,3 C). Isso ocorreu devido ao fato de ser o período de maior ocorrência de sol ininterruptamente (7,8 h). Já para o dia 04/07/2004, no período próximo às 12 horas, o gradiente de
Análise Energética... temperatura foi baixo. O que pode ser deu-se a ocorrência de grande nebulosidade. explicado, pois, nesse intervalo de horário, 5 Tabela 1 Gradiente de temperatura obtida pelo aquecedor solar tubular Hora Temp. inicial Gradiente de Temperatura Dia: 02/07/2004 Dia: 03/07/2004 Dia: 04/07/2004 Temp. Temp. Temp. Temp. Temp. Gradiente Gradiente Final inicial Final inicial Final Gradiente 10 28,6 32,1 3,5 25,7 33,0 7,3 27,0 36,8 9,8 11 31,3 37,9 6,6 26,7 33,0 6,3 27,4 37,0 9,6 12 32,6 39,0 6,4 31,0 40,0 9,0 26,4 30,0 3,6 14 25,2 34,0 8,8 28,0 44,0 16,0 28,2 46,5 18,3 15 26,7 34,8 8,1 28,3 50,6 22,3 27,8 42,4 14,6 16 26,8 38,3 11,5 22,6 32,6 10,0 21,6 35,4 13,8 Média 7,48 13,75 11,62 A Figura 2 apresenta o gradiente médio de temperatura em função da hora do dia. Verifica-se que quanto maior o período de insolação, maior o gradiente de temperatura ao longo do dia. Entre os horários das 14 e 15 horas maiores gradientes de temperatura. Isto pode ser explicado por serem os horários onde o sol atinge perpendicularmente a superfície aquecedora, gerando maior eficiência de absorção da energia fornecida pelo sol. No dia 04/07/2004, o valor do gradiente médio às 12 horas foi menor em relação aos demais horários de avaliação. Provavelmente, isto aconteceu devido às eventuais presenças de nuvens próximas a esse horário. Ademais, a alta nebulosidade ocorrida no dia 02/07/2004, no qual o valor do gradiente de temperatura foi menor (7,48 ), influenciou, substancialmente, o valor médio observado para o horário das 12 horas. Figura 2 Influência da hora do dia no gradiente de temperatura do aquecedor solar.
6 R. A. A. Ruas et al. O comportamento do aquecimento da pelos termopares, são apresentados na Figura 3. água ao longo do aquecedor solar, verificado Figura 3 Aquecimento da água ao longo do aquecedor solar tubular em diferentes horários de medições. O desempenho do aquecedor solar foi baixo durante os horários de 10, 11 e 12 horas. Isso provavelmente se deu, devido ao fato de que durante esses horários, ocorreram momentos de elevada nebulosidade durante os dias de avaliação, contribuindo para redução da intensidade da radiação que chegava ao tubo. Com isso, para esses horários, foram observados também menores temperaturas ao final do aquecedor solar. Para a vazão de 20L h -1 não foi possível determinar a temperatura máxima que o coletor poderia atingir para esta época do ano, pois no período de leitura não ocorreram dias sem nebulosidade. Apesar disso, é possível considerar que uma insolação de 10 horas diárias, durante o inverno, é suficiente para que o coletor aqueça 200L de água a uma temperatura média 37,5 C (10 C acima da temperatura média de entrada de água no aquecedor). Como os dias da coleta foram muito próximos ao do solstício de inverno, pode-se dizer que o coletor operou na condição mais crítica em termos de período de sol ao longo do dia. Para as demais épocas do ano, o desempenho do equipamento pode melhorar, devido à maior temperatura ambiente e o maior período de sol, podendo assim, trabalhar mais
Análise Energética... de seis horas por dia, ou ainda, aumentar o fluxo de água para obter os mesmos resultados. A produção energética total do protótipo pode ser determinada pela produção de energia por unidade de área coletora do equipamento. Assim, como o sistema absorveu 2,33 kw dia -1 de energia, e este tem uma área efetiva de 0,3 m 2, a produção total do sistema é de 7,77 kw dia -1 m -2 de coletor solar. Com o aumento médio da temperatura da água em 10 C em um volume de 200L de água por dia pode-se determinar a quantidade de quilocalorias absorvida pelo coletor e armazenada na forma de calor na água por dia. Desta forma, a quantidade de calor armazenado seria de 2000 kcal dia -1. Transformando-se kcal dia -1 em kw dia -1, tem-se que: 1 kw = 860 kcal, portanto, em unidade de energia elétrica a energia absorvida pelo coletor é igual a 2,33 kw dia -1. Considerando-se o custo da energia elétrica residencial de R$0,49, isto resultaria em uma economia de aproximadamente R$34,00 por mês, utilizando-se, por exemplo, esta água pré-aquecida para o banho. CONCLUSÃO caráter social muito importante, podendo ser construído e operado por diferentes classes sociais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALENCAR,F.; SAGLEITTI, J. R. C. Análise de Viabilidade de uma Telha Coletora de Energia Solar de Cimento Amianto. Revista Energia na Agricultura. UNESP - Bauru/SP Vol.14, n.2, 11p.1999. BEZERRA A. M. Disponível em: Energias Renováveis Aonde Vamos. 2004. Você Sabe Como Funciona Um Aquecedor Solar De Água? http://www.aondevamos.eng.br/textos/texto04. htm. CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito. ANO V, Nº 6. Setembro 2000. HERGE-VIGIAL, J.L.; SUAREZ, R. Analysis of a plastic solar collector. Energy Convers. Mgmt, v.31, nº 3, p.243-54, 1991. 7 É possível obter uma produção de até 70 kw de energia solar por mês em residências domésticas, dispondo-se de apenas um tubo metálico preto de 0,05 x 0,03 x 6 m, com espessura de parede de 3 x 10-4 m envolto por 35 garrafas PETs transparentes. Desta forma, pode-se estimar a economia energética que seria possível obter, realizando o préaquecimento da água para um determinado uso final em residências domésticas como, por exemplo, o banho. Além disso, o custo final do equipamento pode ser considerado inferior ao custo de um aquecedor solar convencional devido à utilização de materiais reaproveitáveis. A possibilidade em reaproveitar materiais com potencial poluidor, como as garrafas PETs, conferem ao coletor LEITE, A.D. A energia do Brasil. Rio de Janeiro: Nova Fronteira, 1997. 450p. PEREIRA, J.T.V; FANTINELLI, J.T. Tecnologia Solar de Baixo Custo para Aquecimento de Água na Habitação de Interesse Social. In: IV Congresso Brasileiro De Energia, Maio 2002, Rio de Janeiro. Anais das Soluções para a Energia do Brasil. v.4, p.1545-1552. 2002. SANGUINETTO, E. C. Energia Solar Fototérmica e Manufatura de Coletor de Baixo Custo. Oficina Experimental. Santo André, SP. 2002.