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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NÚCLEO DE AGROMETEOROLOGIA E CLIMATOLOGIA GNE109 - Agrometeorologia APROVEITAMENTO DA RADIAÇÃO SOLAR SISTEMA DE AQUECIMENTO DE ÁGUA PARA USO RESIDENCIAL E INDUSTRIAL Prof. Antônio Augusto Aguilar Dantas Prof. Luiz Gonsaga de Carvalho Prof. Pedro Castro Neto 1. Introdução A energia solar é tida como inesgotável e não poluente. Apesar do custo bastante reduzido, o seu aproveitamento é ainda normalmente caro, o que conduz ao estímulo de desenvolvimento de pesquisas neste campo de aplicação quanto ao seu aproveitamento. A conversão da energia solar em energia elétrica é possível, porém, ainda de alto custo pelo processo conhecido como “células fotoelétricas”. É aplicável quando se necessita de pequenas tensões em locais com difícil acesso à rede elétrica convencional. A maior possibilidade de aproveitamento da radiação solar na zona rural está nas estruturas de secagem de grãos e sementes. A construção de terreiros de secagem seguindo técnicas simples (face de exposição, inclinação, ausência de sombreamento) aumenta a eficiência do mesmo. Pode ser considerado como aproveitamento de radiação o planejamento de obras rurais objetivando dar maior conforto térmico aos animais e mesmo ao homem. Certas construções, como bezerreiros, devem receber sol da manhã no seu interior por questões profiláticas e granjas avícolas não devem receber sol no seu interior por questão de conforto térmico. Outra possibilidade de fácil acesso são os aquecedores solares planos que, sendo de baixo custo, permitem aquecimento da água para o consumo em residências, piscinas, hotéis, indústrias, edifícios, propriedades rurais ou ainda para a utilização em higienização de instalações ou mesmo pré-aquecimento de água para fins industriais ou agro- industriais. Em locais em que a água não apresenta boa qualidade para consumo, pode- se construir destiladores solares, tendo-se, assim, água de qualidade a custo baixo. E quando se pensa em água quente com economia, a energia solar reforça ainda mais essa visão por ser realidade. Assim, serão descritos adiante os detalhes físicos e construtivos de um sistema de aquecimento de água. Para o bom aproveitamento da radiação solar a baixo custo deve-se ter um bom conhecimento físico desse potencial energético. A partir daí, a criatividade e habilidade farão boa parte do trabalho. 2 2. Composição e construção Basicamente, o sistema de aquecimento de água por energia solar é composto de coletores solares (placas) e reservatório térmico (Boiler), (Figura 1). Normalmente as placas coletoras (Figura 2), são constituídas por uma caixa com chapas de alumínio com dimensões aproximadas de 2,00 x 1,00 x 0,07 m. O fundo dessa caixa é revestido com material termo-isolante (mantas de lã de vidro ou espuma de poliuretano expandido). Sobre esse material é colocada a tubulação (tubos de cobre) da serpentina, e em seguida, cobrindo essa serpentina, devidamente sobreposta e cobrindo toda a extensão da área da caixa é colocada uma chapa fina de alumínio ou cobre. Esta superfície é pintada com tinta preta fosca permitindo minimizando a reflexão de energia, contribuindo para maior capacidade de absorção. Por fim, o caixa é coberto com vidro transparente, encaixado e vedado com borracha à base de silicone. O reservatório térmico também conhecido por Boiler, é um recipiente para armazenamento da água aquecida. É um cilindro de cobre, fabricado em aço inox, cobre ou polipropileno, também revestido com isolante térmico (mantas de lã de vidro ou espuma de poliuretano expandido) e proteção externa em chapa de alumínio. Desta forma, a água é conservada aquecida para consumo posterior. Os materiais de cobre e alumínio são utilizados, pois além de possuírem maior resistências a temperaturas elevadas possuem elevada condutividade térmica, necessários para a eficiência do sistema. 3. Instalação do sistema Normalmente, como em instalações residenciais, os coletores solares são dispostos um ao lado do outro sobre o telhado. Deve apresentar uma inclinação, onde a entrada da água fria (de maior densidade) se dá pela parte inferior e a saída de água quente (de menor densidade) pela parte superior, devido ao processo natural de convecção da circulação de água. Em sua instalação, o correto posicionamento dos coletores é de fundamental importância para a eficiência do sistema. O coletor deve estar direcionado ao Sol com a sua área de absorção (cobertura de vidro) de tal forma que apresente a menor variação possível com a perpendicularidade aos raios solares diretos ao longo do ano. Assim devido à declinação solar, essa exposição dos coletores deve estar voltada para o polo geográfico onde, relativamente ao local, o sol se encontra no inverno. Assim, em geral para as regiões do Brasil, os coletores são expostos com face ao norte geográfico. Quanto à inclinação, tanto quanto possível, exceto em condições residenciais, onde a inclinação dos coletores é limitada pela inclinação do telhado por questões estéticas a inclinação deve ser igual ao valor do ângulo da latitude local ( 5o). Levando em consideração, a caminhamento aparente do sol durante o dia, e visando o armazenamento de água quente para a noite e a manhã do dia seguinte, a exposição dos coletores mais voltada para o oeste (pôr do sol) é mais interessante, contudo a exposição norte deve ser mais preponderante. Desta forma, a exposição de melhor eficiência dos coletores é a noroeste, considerando os caminhamentos aparentes do sol durante o dia e o ano. Não atendendo estas condições, o posicionamento dos coletores deve estar o mais próximo possível da inclinação e exposição acima especificadas. O boiler deve estar em nível dos coletores e abaixo do reservatório de água fria. O boiler pode também ser colocado ao lado da água fria, para tanto se deve utilizar uma válvula de retenção para evitar o refluxo de água quente. 3 4. Princípio de funcionamento A radiação solar ao incidir sobre os coletores solares atravessa o vidro. Lembre-se que a radiação solar ocorre predominantemente em ondas curtas, sendo o vidro transmissível a estes comprimentos de ondas e opaco à radiação que ocorre em comprimentos de ondas longas. Assim, o coletor ao absorver a radiação proveniente do sol, aquece toda a superfície interna do coletor. Este aquecimento é intensificado devido ao efeito estufa causado pela cobertura de vidro que impede transmissão da radiação de ondas longas emitida pela superfície interna do coletor. Lembre-se conforme demonstra a lei de Planck, que à medida que a temperatura de um corpo diminui, a emissão de ondas eletromagnéticas ocorre em comprimentos de ondas cada vez menores. Assim serpentina de tubos de cobre por onde circula a água é aquecida e esta transfere para a água, por condução, o calor absorvido fazendo com que a temperatura da água atinja valores bastante elevados. Desta forma, a água ao ser aquecida circula entre os coletores pelo processo natural da convecção. Nesse sistema, a água dos coletores fica mais quente e, portanto, menos densa que a água no reservatório. Assim a água fria “empurra” a água quente gerando a circulação. Observa-se que, os três processos de transferência de energia estão presentes nesse sistema. A circulação da água também pode ser feita através de motobombas em um processo de circulação forçada (bombeado), e são normalmente utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes. A caixa de água fria alimenta o reservatório térmico pela parte inferior, permitindo a circulação de água dentro do boiler, mantendo-o sempre cheio e evitando também o acúmulo de resíduos no fundo por decantação. 4 Figura 1. Sistema completo deaquecimento de água para uso residencial e, ou, industrial. (Fonte: http://www.soletrol.com.br/educacional/comofunciona.php) Figura 2. Coletor solar (placa) do sistema de aquecimento de água.
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