MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL - UFRGS
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Eficiência Térmica de Coletor Solar de Baixo Custo
RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO
Apresentado na disciplina de Medições Térmicas – ENG03108
Núbia Coimbra
Carine Azambuja
Thiago Dalmas
Luciano Coelho
Porto Alegre, junho de 2008.
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RESUMO
O presente trabalho apresenta a caracterização de um coletor solar de baixo custo, confeccionado
com garrafas pet e caixas de leite tetrapak, através da medição de sua eficiência térmica. Para isso,
fez-se a medida do ganho de temperatura do fluido após passar pelo coletor. Montando-se uma
bancada de testes, e utilizando-se para medição de temperatura do fluido, dois PT100, um na
entrada do coletor e outra na saída, conectados a um computador, possibilitando monitorar e
adquirir dados automaticamente para o cálculo da eficiência do coletor solar em questão, sob ação
de radiação artificial controlada em laboratório, estimada em 800 W/m2. Obtém-se resultado pouco
satisfatório, com eficiência média do sistema de 11%.
Palavras-chave: Coletor solar, Baixo custo, Temperatura e Eficiência.
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1. INTRODUÇÃO
Com avanço da crise de energia no Brasil, o aquecimento global e a preocupação mundial
em reduzir as emissões de CO2, existem estudos para o desenvolvimento de tecnologias limpas e de
baixo custo, associada à idéia de redução de resíduos com a reutilização e reciclagens de
embalagens, entre outros materiais. Da constante preocupação também com o meio ambiente surge
à idéia da construção de meios para obtenção de energia limpa e renovável.
O aproveitamento de energia solar é uma das formas mais simples e abundantes de obtenção
de energia limpa. A energia solar em aquecedores, já vem sendo usada no Brasil desde a década de
60, época em que surgiram as primeiras pesquisas na área de tecnologias solares (ANEEL, 2006).
Atualmente existem cerca de 600 mil coletor solares instalados no Brasil para aquecer a água do
banho. Num país que ainda sofre ameaça de “apagão”, 7% de toda energia produzida tem como
destino o chuveiro elétrico. Isso equivale ao consumo de energia do estado do Rio Grande do Sul.
Nas comunidades de baixa renda, o uso regular do chuveiro elétrico corresponde a 30% do total do
custo com energia elétrica.
Com custo inicial alto, a instalação de aquecedores de água solar passa a ser inviável a
população de baixa renda, partindo desta premiça José Alcino, morador da cidade de Tubarão-SC,
desenvolveu a partir de garrafas pet, caixas tetrapak, bandejas de isopor, sacolas plásticas, etc., um
aquecedor solar alternativo de baixo custo, visando atender as necessidades desta população, quanto
ao aquecimento de água para o banho e reutilização de materiais recicláveis. O projeto completo do
aquecedor solar e a descrição de como executá-lo encontra-se no site:
http://josealcinoalano.vilabol.uol.com.br/manual.htm
Neste trabalho, é feito um estudo do comportamento deste coletor solar de baixo custo feito
a partir de garrafas pet, entre outros materiais reutilizáveis, objetivando a identificação de suas
características técnicas. Isto se dá através da medição da eficiência térmica do coletor, evidenciando
assim a sua credibilidade e possibilidade de instalação em residências.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Umas das primeiras manifestações do uso da energia solar aconteceu por intermédio de
Amenkhotep (1455-1419 a.C.) que conseguiu criar sons produzidos por aquecimento solar.
Arquimedes (287-212 a.C.), também estudou a energia solar através da utilização de espelhos para a
sua concentração e conseqüente aumento de temperatura. No ano de 1774, Joseph Priestley expôs
óxido de mercúrio a raios concentrados do Sol e notou que o gás formado possuía um brilho maior
que até então se observava, princípio que veio a ser utilizado nas lâmpadas fluorescentes.
Na exposição de Paris, de 1878, um experimento direcionava a luz solar para uma caldeira
de vapor que fazia funcionar um pequeno motor. Em 1885, também na França, E. Weston mostrou
a conversão da energia solar em elétrica através de termopares.
No período de 1930 a 1940 foram desenvolvidos vários processos de uso da energia solares,
entre eles se destacam: aquecedores solares no Japão e EUA, calefação na Alemanha, e foi
construída a primeira casa solar nos EUA.
E de 1945 a 1965, começou a haver interesse na energia solar como fonte de energia para
satélites, a produção de vapor e eletricidade na França e na Itália, e iniciam-se as publicações
periódicas a respeito deste assunto.
No inicio da década de 90, Duffie e Beckman, desenvolveram um algoritmo denominado
Carta F, muito prático, baseado em diversas simulações voltadas ao dimensionamento de sistemas
solares térmicos, a partir de curvas de eficiência instantânea de coletores solares.
A boa utilização da energia solar exige o estudo do Sol como fonte geradora de energia,
como esta energia é distribuída no espaço e principalmente sobre a Terra, e quais as formas mais
convenientes para o seu aproveitamento. O ângulo de inclinação a ser montado o aquecedor solar e
um dos principais quesitos a ser estudado para que seja feito o melhor aproveitamento da incidência
solar.
A radiação solar a que a terra esta submetida e constituída pelas componentes direta e
difusa. A componente direta e aquela proveniente do sol sem sofrer espalhamento durante sua
trajetória devido à composição da atmosfera. A componente difusa pode ser considerada como a
radiação espalhada que vem de todas as partes do céu. A soma de ambas constitui a radiação solar
global ou total. A transformação de energia solar em calor recebe o nome de processos
heliotermicos que pode se dividir em aquecimento de líquidos, aquecimentos de processos,
aquecimento de ambientes, geração de potencia, entre outros.
5
Os sistemas de aquecimento de água por energia solar podem também ser divididos, de
acordo com seu princípio de funcionamento, em sistemas ativos e passivos. Ambos os sistemas
utilizam um fluido de trabalho que é aquecido pelo calor obtido da absorção da radiação solar no
coletor e armazenado num reservatório. Neste trabalho iremos utilizar o sistema passivo conhecido
também como sistemas com circulação natural ou ainda por termossifão. Esse sistema tem como
maior característica à de não utilizar uma bomba para fazer circulação do fluído de trabalho. A
circulação se dá quando o Sol passa a aquecer o fluído no coletor, tornando-o menos denso que o
fluído no fundo do reservatório, criando assim uma circulação convectiva do fundo do reservatório
para a entrada do coletor, este sistema é o mais barato e, portanto o mais corriqueiramente utilizado,
necessita manter uma diferença de altura entre o reservatório e o coletor para evitar o refluxo,
normalmente esta altura é de cerca de 50 a 60 cm.
Os coletores devem ser apropriadamente instalados apontando para o norte (no hemisfério
sul) e inclinados em relação à horizontal, que deve ser otimizado para que se tenha a maior
quantidade possível de energia coletada na época desejada. Como regra geral, utiliza-se uma
inclinação igual à latitude do local para coletar a máxima quantidade anual de energia. Para se ter à
máxima quantidade de energia coletada no verão, a inclinação pode ser aproximadamente de 10º a
15º menor que a latitude do local e, para o inverno, de 10º a 15º maior que a latitude. Nos sistemas
de aquecimento de água para uso doméstico, nos quais a carga de consumo é aproximadamente a
mesma para todo o ano, o ângulo ótimo está compreendido num intervalo de mais 15º a partir da
latitude do local.
Para o projeto de um sistema de aquecimento de água por meio de energia solar é necessário
o conhecimento da radiação solar (W/m²), incidente no plano horizontal ao coletor, temperatura
ambiente média, temperatura da água de alimentação, curva de eficiência do coletor, capacidade e
coeficiente de perdas térmicas do reservatório de armazenamento de água.
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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
O objetivo deste trabalho é fazer medidas de temperatura na entrada e saída do coletor, para
cálculo de eficiência térmica do mesmo, comprovando a credibilidade do experimento citado,
proporcionando assim o desenvolvimento de novas alternativas aos coletores solares térmicos de
baixo custo já existentes. A construção deste coletor se baseia no uso de garrafas pet e materiais
recicláveis, e sua experimentação é feita a partir de uma bancada de testes onde podem ser
realizados experimentos para determinação de sua eficiência térmica.
3.1 O COLETOR
O coletor solar diferencia-se dos demais, no que tange aos materiais utilizados na sua
construção e rendimento térmico. Com intuito de baixar custos, utilizou-se nas colunas de absorção
térmica, tubos e conexões de PVC, pintados de preto fosco, menos eficiente do que os tubos de
cobre ou alumínio aplicados nos coletores convencionais. As garrafas pet e as caixas tetrapak
substituem a caixa metálica, o painel de absorção térmica e o vidro utilizado nos coletores
convencionais. O calor absorvido pelas caixas tetrapak, pintadas em preto fosco, é retido no interior
das garrafas e transferido para a água através das colunas de PVC, também pintadas em preto,
protegendo assim também contra raios ultravioletas. A caixa metálica com vidro ou as garrafas pet
tem como função proteger o interior do coletor das interferências externas, principalmente dos
ventos e oscilações da temperatura, dando origem a um ambiente próprio.
Figura 1 – Coletor Solar.
7
3.2 A BANCADA
Foi escolhido o sistema passivo de aquecimento de água, conhecido também como sistemas
com circulação natural ou ainda por termossifão. Para tal montagem, utilizou-se um reservatório
instalado em série com uma placa do coletor solar, o reservatório é feito de fibrocimento (sem
amianto) sem isolamento, possuindo a capacidade de 50 litros, estes formam um sistema fechado de
circulação. A ligação reservatório é feita através de mangueiras flexíveis, facilitando a montagem
em curvas. A radiação recebida pelo coletor é proveniente de um conjunto de 8 lâmpadas dispostas
transversalmente ao coletor cada uma com potencia de 100W, totalizando uma radiação incidente
no coletor de 800W.
Figura 2 – Bancada de testes.
3.3 INSTRUMENTAÇÃO
Para medição da eficiência do coletor solar a bancada foi instrumentada com sensores de
temperatura. Não foi necessário instalar um anemômetro devido a pouca influência do vento na
eficiência de coletores sem cobertura, por terem sido feito testes em laboratório com condições
controladas.
8
3.3.1 Aquisição de dados
Optou-se por realizar aquisição de dados por computador, com a utilização do programa
“Agilent Bench Link Data Logger” ligado a dois PT100, um na entrada de água do coletor e outro
na saída. O software utilizado para aquisição e geração dos arquivos de dados permite também a
visualização dos gráficos de temperatura de entrada e saída do coletor. Médias aritméticas dos
valores adquiridos são gravados a cada 30 segundos em arquivos de texto e são tratados
posteriormente.
3.3.2 Medição das temperaturas
As medições da temperatura internas e externas ao laboratório são adquiridas através de
medidores de temperatura já posicionados no laboratório. As temperaturas de entrada e saída do
coletor solar são medidas continuamente através de PT100 da marca Novus com incerteza de
medição de 0,2 ºC, acoplados em uniões tipo T e posicionados respectivamente na entrada e saída
do coletor. No reservatório é utilizado para leitura de temperatura um termômetro de mercúrio da
marca Incoterm, com incerteza de medição de 0,1 ºC.
3.3.4 Medição da vazão
As medidas de vazão foram feitas através do deslocamento de massa, ou seja, uma
quantidade de líquido pigmentado, foi injetado na mangueira de saída do reservatório através de
uma borboleta, medindo-se assim o tempo de deslocamento desta quantidade em uma distância
conhecida, com o conhecimento do diâmetro da tubulação e a distância percorrida, calculamos a
vazão volumétrica do sistema. Esta medida só foi possível, pois a mangueira de saída do
reservatório era transparente possibilitando a visualização do escoamento.
3.4 PROCEDIMENTO DO ENSAIO
Os primeiros ensaios foram feitos para verificar se existiam vazamentos e se o sistema
ganharia temperatura no sistema com a válvula do reservatório fechada, o nível do reservatório
permanecia abaixo do cano de chegada de água do coletor, impossibilitando assim a troca entre a
água que estava no reservatório e a água que ocupava o coletor. Durante 40 minutos foi exposto o
coletor a radiação de 800 W/m2, com a válvula do reservatório fechada, neste período o ganho em
9
temperatura foi de aproximadamente 10 ºC, onde a temperatura do reservatório permanecia a 18 ºC,
temperatura de entrada (Te) era de 22,08 ºC e temperatura de saída (Ts) era 31.79 ºC.
No próximo passo foram feitas medidas com a válvula aberta do reservatório e o nível do
mesmo foi completado para que o duto de saída de água do coletor estivesse submerso. Foram feitas
medidas da temperatura de entrada e saída do coletor através dos PT100 a cada 30 segundos e
registradas através do programa de aquisição de dados, paralelamente foram coletados a cada 5
minutos os mesmos dados gerando uma planilha MSExcel, a cada 30 minutos foram coletados os
valores de temperatura externa e interna do laboratório e a temperatura do reservatório, estes dados
complementam a planilha anterior. As medidas de vazão foram feitas primeiramente com intervalos
de 5 minutos, passando em seguida a intervalos de 30 minutos, com estes valores foi calculado uma
média da vazão do sistema.
1
4. RESULTADOS E ANÁLISES
As medidas de vazão estão representadas na figura 1 através do tempo de deslocamento do
fluido em segundos.
Tempo de Deslocamento
t (s)
16
14
12
10
8
6
4
2
:2
0
17
:0
0
17
:3
0
16
:0
0
16
:3
0
15
:0
0
15
:4
5
14
:4
0
14
:3
5
14
14
:3
0
0
Figura 1 – Tempo de deslocamento
O cálculo da vazão do sistema foi calculado através da área da seção da mangueira, usando
as fórmulas 1 e 2:
A=
Q=
-
(P ⋅ Dext − 2 E )2
4
( A ⋅ L ) = 5342
t
= 269 mm 2
mm 3 / s
(1)
(2)
Onde:
Dext (diâmetro externo da mangueira) = 22,5 mm;
E (espessura da mangueira) = 2 mm;
L (comprimento da mangueira) = 250 mm.
t (tempo de deslocamento do fluido) = 12.57s
A (área da seção)
Q (vazão volumétrica)
A planilha de coleta de dados feita com intervalos de 5 minutos gerou dois gráficos o
primeiro com os perfis de temperatura de entrada e saída pelo tempo, e o segundo gráfico com os
perfis de temperatura da água no reservatório e a temperatura do ambiente (laboratório) pelo tempo.
1
Temperatura [°C]
Temperatura de Entrada (Te) e
Saída (Ts) do Coletor
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
Te
m
00 po
:3
0
01 :00
:0
0
01 :00
:3
0
02 :00
:0
0
02 :00
:3
0
03 :00
:0
0
03 :00
:3
0
04 :00
:0
0
04 :00
:3
0
05 :00
:0
0
05 :00
:3
0:
00
Te[°C
]
Ts[°C]
Figura 2 – Te e Ts variando com o tempo.
Temperatura do fluido na caixa d'água (Tf)
e Temperatura ambiente (Ta)
30
29
Temperatura [°C]
28
27
Tf[°C]
26
Ta[°C]
25
24
23
22
21
05
:3
0:
00
00
0:
00
:0
05
04
:3
0:
0:
00
00
:0
04
03
:0
:3
0:
0:
00
00
0:
03
:3
02
:0
0:
00
00
0:
02
:3
01
01
:0
0:
00
00
0:
:3
00
Te
m
po
20
Figura 3 – Tf e Ta variando com o tempo.
A partir da análise dos dados obtidos passou-se ao cálculo da taxa de transferência de calor
(Qi) cedida pelas lâmpadas, representada pela fórmula 3, e a taxa de transferência de calor (Qu)
adquirida pelo coletor, representada pela fórmula 4:
1
Qi = I ⋅ A = 920 W
(3)
Qu = m ⋅ c ⋅ (Ts − Te ) = 109,2 W
-
(4)
Onde:
I (intensidade da radiação solar) = 800 W/m²
A (área do absorvedor) = 1,15m²
m (vazão mássica do fluido) = 5,34E-03 kg/s
c (calor específico do fluido) = 4179 J/kg.°C
Ts (temperatura do fluido na saída do coletor) = 28,05°C
Te (temperatura do fluido na entrada do coletor) = 23,16°C
De posse dos valores das taxas de transferência de calor Qi e Qu, calculou-se a eficiência do
sistema a partir de fórmula 5:
Q 
η =  u  = 11,875 %
 Qi 
(5)
1
5. CONCLUSÕES
Através da análise do cálculo da eficiência da bancada construída, observou-se que o
desempenho da mesma é insatisfatório. As medidas de temperatura foram feitas num tempo
aproximado de 7 horas de teste, tempo que não foi suficiente para elevar a temperatura da água do
reservatório a um valor aceitável, como citado no trabalho de José Alcino, criador do coletor. A
perda de calor através das mangueiras, que não possuíam isolamento, favoreceu muito para baixa
eficiência do coletor. O reservatório também colaborou para a perda de calor para o ambiente, pois
o mesmo não possuía tampa, nem isolamento adequado para manter a temperatura dentro do
reservatório. A potência dissipada sobre o aquecedor foi de forma concentrada em uma linha
transversal ao deslocamento do fluido no coletor, uma distribuição da radiação sobre toda a área do
coletor colaboraria para um aquecimento mais uniforme do mesmo.
A cada minuto de exposição à radiação de 800W, proporcionava um ganho de temperatura
de aproximadamente 0,01ºC, sendo a variação de temperatura entre a entrada e saída do coletor de
5ºC em média. O ganho na temperatura da água no reservatório deveria ser maior, mas foi
prejudicado pelo tempo limitado de exposição à radiação e a falta de isolamento do reservatório.
Futuramente seria necessário realizar um estudo mais aprofundado da influência da vazão na
eficiência deste coletor solar. Também seria necessário realizar mais testes com tempo de exposição
do coletor bem superior ao utilizado neste trabalho, simulando um dia inteiro de radiação solar, o
isolamento adequado das mangueiras e do reservatório, seriam indispensáveis para maior
concentração de calor e evitando assim possíveis perdas.
1
6. REFERÊNCIAS
ANEEL - Agência nacional de energia elétrica. Site: http://www.aneel.gov.br, 2004.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10184: Coletores solares
planos para líquidos – Determinação do rendimento térmico. 25p, 1988.
ABRAVA(Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento)
Manual Técnico Básico de Aquecimento Solar.
CAMPANI, D. C. Apostila da Disciplina ENG362 - Energia para o Meio Rural.
PALZ, W. Energia solar e fontes alternativas. São Paulo: Hemus Editora, 1981. 357p.
RAU, HANS Energia Solar – Aplicaciones prácticas. Barcelona: Marcombo Boixareu
Editores,1980.215p.