ÍNDICE
INTRODUÇÃO.....................................................................01
COLETOR SOLAR................................................................02
COMO FUNCIONA O COLETOR SOLAR................................03
DESENHOS.........................................................................07
CÁLCULOS.........................................................................12
ATIVIDADE DOS ALUNOS...................................................13
RELATÓRIO........................................................................16
OPINIÕES DOS ALUNOS....................................................17
INTRODUÇÃO
Esse projeto (coletor solar) surgiu do nosso
professor de física, Peter; e despertou o interesse dos alunos do vespertino,
vindo beneficiar a escola.
Contando com a colaboração e ajuda de todos os
envolvidos para que essa idéia venha a funcionar e talvez venha a ganhar
prêmios; assim como outros projetos que o nosso colégio já ganhou: o Margem , por exemplo, que também conta com ajuda do Peter,
outros professores e claro, dos alunos. A idéia é que esse projeto venha como
um meio mais barato e econômico de se obter energia.
Gostaríamos
também de incentivar e mostrar para outros alunos de colégios públicos como o
nosso, que somos capazes de criar projetos tão interessantes que podem se
transformar em benefícios para muitos.
COLETOR
SOLAR
Diariamente o sol
transmite uma grande quantidade de energia através das ondas eletromagnéticas,
e é essa energia que gera todos os processos naturais, como a fotossíntese que
combina energia luminosa do sol com o dióxido de carbono da atmosfera para
armazenar energia nas plantas em forma de hidrocarbonos. O aquecimento de água
para fins pessoais é um dos grandes problemas atuais de energia que o Brasil
está enfrentando, ou seja, o chuveiro elétrico é considerado o vilão no consumo
de energia elétrica. Só para se ter uma idéia, 67,6% dos domicílios possuem
chuveiro elétrico, totalizando 18 milhões de unidades. O Brasil é um dos poucos
países que ainda utilizam o chuveiro elétrico para o aquecimento de água. Nos
países do primeiro mundo, o uso da energia solar está completamente difundido,
totalizando mais de 80% das residências, tanto para aquecimento quanto para
geração de energia elétrica. O papel do governo é fundamental para divulgar o
uso da energia solar como também a conscientização da população quanto às
vantagens dessa energia abundante que é o sol. Com relação ao custo de uma
instalação de aquecimento solar, houve uma queda considerável nos últimos anos.
Atualmente, possuir esse tipo de aquecimento não é privilégio apenas das
classes altas, também a classe média já é favorecida, o que torna o aquecimento
solar uma tendência a crescer praticamente em todas as camadas sociais.
O funcionamento de
um aquecedor solar é muito simples! Basicamente o princípio de funcionamento é
o mesmo que se verifica quando deixamos, sob a ação do sol, um veículo fechado
e estacionado por algumas horas na via pública. A ação da radiação solar se faz
cada vez mais presente a medida em que a pintura do
veículo se aproxima da cor preta, ocorrendo o mesmo com o seu interior.
Você poderá
perguntar o que tem a ver um carro com um aquecedor solar? A comparação não
terá o mínimo sentido se visualizar-mos o carro e o aquecedor solar pelo prisma
da forma geométrica e da utilidade que ambos possam ter !
Mas se levarmos em consideração o efeito térmico que ocorre entre ambos, esta
estranha comparação faz sentido, realmente.
Vamos inicialmente
imaginar uma caixa de forma geométrica retangular, hermeticamente fechada, tendo
dentro dela uma chapa plana ou ondulada pintada de preto
fosco, apoiada no fundo da caixa, tendo esta como cobertura uma lâmina
de vidro plano transparente.
Coloquemos agora
esta caixa sob a ação da luz solar visível e da respectiva radiação infravermelho
as quais podem atuar juntas ou separadamente, dependendo das condições
atmosféricas locais. O que ocorrerá então? A radiação solar atravessará o vidro
de cobertura e ao encontrar a chapa preta sofre uma alteração no seu
comprimento de onda (um aumento), o que a torna impotente para atravessar, de volta, o vidro e a partir daí tem
origem uma reemissão desta radiação no sentido vidro/chapa/vidro. Como a caixa
se encontra hermeticamente fechada ocorre um fenômeno conhecido por efeito estufa, portanto responsável
pelo aumento progressivo da temperatura da chapa pintada de preto fosco
enquanto durar a ação da radiação solar. Você poderá perguntar, por que a chapa
deverá ser pintada de preto fosco e não de outra cor
qualquer? Ora, nada impede que a pintura da chapa tenha outra cor qualquer
dentro da escala cromática, porém sabe-se que a cor preta é a que praticamente
absorve toda a radiação nela incidente nos mais diferentes comprimentos de onda
do espectro solar, a exceção das superfícies seletivas, cuja absorção é quase
que total.
Você deverá estar
estranhando todo este "papo" de chapa preta, efeito estufa etc, mas como isto poderá aquecer a água que é o
principal objetivo do coletor solar? É muito simples!
Imagine agora que
sob esta chapa e em contato direto com ela, tenhamos colocado uma grade de
tubos paralelos ligados nas extremidades por dois tubos de maior diâmetro,
contendo água em seu interior conforme a.
O que ocorrerá
então? Como a chapa preta está sendo aquecida pela radiação solar e estando a
grade de tubos em contato direto com a respectiva chapa, verifica-se uma
transferência de calor (temperatura da chapa), para a grade de tubos e desta
para a água que se encontra em seu interior. Simples não é? Será mesmo? Mas
isto não é tudo!
Numa aplicação residencial
a necessidade de água quente é bem maior do que o volume de água existente no
interior da grade de tubos já referida! Então como fazer para aquecer
diariamente por exemplo, 200 litros de água que é
basicamente a necessidade de água quente de uma residência de 5 pessoas?
Para que isto possa
ser possível vamos ligar, por meio de tubos, o coletor solar a um tanque
termicamente, isolado o qual contém os 200 litros de
água a ser aquecido.
Você poderá agora
indagar: Se é na chapa preta do coletor solar que
ocorre a conversão da energia solar
em energia térmica, como pode a água
contida no reservatório termicamente isolado ser aquecida ?
Para responder a
esta pergunta vamos antes imaginar o que ocorre dentro de uma chaleira quando a
colocamos, com água, na chama do fogão para obter a água quente para fazer o
nosso café da manhã!
Ao aquecermos água
em uma chaleira as moléculas da água em contato direto com o fundo da chaleira
vão paulatinamente sendo aquecidas tornando-se mais leves e por consequência
tendem a subir na massa líquida ao tempo em que as moléculas de água das
camadas superiores (de maior densidade), vão tomando o lugar das moléculas mais
aquecidas dando origem ao que se chama de movimento
convectivo, movimento este que só é interrompido quando toda a massa
líquida atinge a mesma temperatura, isto é 100oC, (na pressão
atmosférica). O calor transferido à água até que ela chegue aos 100oC
é o que se chama de calor sensível.
Voltemos agora ao
caso do aquecedor solar!. Assim como ocorre no
interior da chaleira o calor coletado pela chapa preta devido a ação da radiação solar, e transferido à grade de tubos a
qual por sua vez o transfere para a água existente no interior da citada grade
tornando-a mais leve, ( menos densa), dando início a convecção natural, exatamente como ocorre com a chaleira, ajudada
ainda pela pressão da coluna de água existente no reservatório térmico, já que
este está em posição superior em relação ao coletor solar.
Este movimento
convectivo ou convecção natural é
também conhecido como termo-sifão e
ele só será interrompido quando toda a massa de água entrar em equilíbrio
térmico.
No caso da convecção natural o deslocamento das
moléculas de água se faz com menor intensidade ,
portanto com baixa velocidade de deslocamento das respectivas moléculas.
No caso do coletor
solar o calor sensível é de no máximo 80oC em um dia ensolarado e
sem nuvens, condição esta normalmente observada nas regiões Norte e Nordeste
brasileiros.
Vamos admitir agora
que toda a água existente no sistema solar de aquecimento (coletor e
reservatório termicamente isolado), esteja a uma mesma temperatura, portanto em
equilíbrio térmico. Se nesta situação um certo volume de água quente é retirado
para consumo, imediatamente igual volume de água, à temperatura ambiente, entra
no reservatório termicamente isolado, já que este está diretamente ligado à
caixa de água da residência. Nesta situação o equilíbrio térmico é desfeito
restabelecendo o movimento convectivo, ou seja a
convecção natural, e assim por diante.
Fácil, não é?
Aquecer água com o emprego da energia solar não tem nenhum mistério e nem é
"bicho de sete cabeças"com apregoam alguns.
O que é preciso é que alguns cuidados sejam tomados ao se construir um sistema
solar de aquecimento de água com base na conversão térmica desta radiação onde
a absorção desta radiação se faz por meio de uma superfície enegrecida. Na
literatura especializada este tipo de conversão térmica é
obtida com o emprego de coletores conhecidos como coletores de baixa concentração, já que a conversão térmica da
radiação solar em níveis mais elevados de temperatura (entre 1.000 e 3600oC),
é possível porém nestes casos empregam-se sistemas que operam segundo a
reflexão desta radiação.
Logo um sistema
solar de aquecimento de água é composto basicamente de um coletor solar onde se verifica a conversão desta energia em energia
térmica, um reservatório termicamente
isolado e respectiva tubulação
de alimentação do sistema e distribuição de água quente.
Desenhos
ATIVIDADES DOS
ALUNOS
Todos os alunos
dividiram-se em grupos com o único objetivo: o de construir o nosso próprio
coletor solar. Para que isso fosse possível cada grupo ficou responsável por
uma parte do projeto. A organização foi feita dessa forma:
PLANTA DO PROJETO
Os alunos responsáveis
pela planta do coletor solar elaboraram a arquitetura perfeita com todos os
cálculos necessários para a iniciação do projeto.
OS
CÁLCULOS
Esses assimilaram o envolvimento dos fenômenos
com a exatidão da matemática chegando ao resultados
convenientes em relação ao fluxo de calor; a quantidade de água quente/fria; e
a formação da serpentina de cobre.
A SERPENTINA DE COBRE
Os envolvidos
calcularam a quantidade de serpentina com seu respectivo número de voltas à partir do tamanho do coletor projetado.
O grupo da pintura
utilizou o spray (jeti) para pintar o coletor de preto fosco porque ela absorve
quase toda a radiação.
RELATÓRIO
Nós divididos em
grupos começamos o trabalho no laboratório de física, cada grupo com suas
respectivas funções.
Iniciamos com a
limpeza dos materiais que seriam utilizados; depois pintamos as chapas, e em
seguida, o grupo escolhido para fazer as contas apresentou seus cálculos para
então começarmos a montagem sem erros.
Para fazer a montagem
do coletor utilizamos vários instrumentos como a lixa, o arebitador, alicates
entre outros.
A montagem foi feita em etapas, começamos aparafusando uma chapa na outra, depois de lixadas, pintamos de preto e dobramos a serpentina de cobre com os devidos cuidados para não causar danos.
Orientador: Prof. Peter
Faluhelyi
Centro de Ensino Médio Setor Leste, Brasília/DF, 2004.
OPINIÕES DOS ALUNOS
Nós
os alunos do setor leste não achamos justo o coletor construído com o nosso
esforço ser colocado em um local onde não temos acesso.
O objetivo é que esse projeto seja um
meio mais barato e econômico de se obter energia para beneficiar a escola e
para ser usado pelos alunos do colégio, não pelos sócios do clube.
A idéia do projeto é muito boa, e o melhor é que nós
ajudamos e colaboramos para que esse projeto acontecesse, mas se for para ser colocado em um lugar onde um portão com cadeado e cercas nos
proíbem de entrar não faz diferença para nós, apenas temos a consciência de
que fizemos parte desse projeto.
Por fim nós do 2o P, achamos que realmente o
clube seria o local mais adequado para a colocação do coletor, mas que nós
deveríamos ter acesso pelo menos ao banheiro com o chuveiro!