TRABALHO DE FÍSICA
 


COLETOR TURMA :2 P VESPERTINO                      SOLAR

 

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.

 

COMO FUNCIONA UM COLETOR SOLAR

 

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.

 

 A PINTURA

 

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!