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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Coletores solares: materiais disponíveis no meio rural
Sebastião Amílcar de Figueiredo SantosI; Jair Nascimento FilhoII
IFaculdade de Ciências e Letras do Alto São Francisco - FASF. 35595-000 Luz- M.G.telefax: (037)34213434. safsantos@catedralnet.com.br
IIDepartamento de Eng. Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais. Av. Antonio Carlos 6627 - Campus UFMG. 31270-901 Belo Horizonte, M. G. telefax: (031)34995220. jair@demec.ufmg.br
RESUMO
Na área rural, a energia solar pode ser uma substituta ou economizadora das fontes convencionais de energia. O objetivo deste trabalho é o de apresentar um estudo sobre aplicações de coletores solares na área rural, com ênfase na utilização de materiais disponíveis no meio rural. Por exemplo, materiais secos tais como o algodão, a palha de milho, a casca de arroz, o bagaço de cana, o capim, a grama e o sisal, servem adequadamente como isolantes térmicos. Este trabalho apresenta uma reflexão sobre os sistemas descritos, no qual são discutidas as alternativas relativas aos materiais disponíveis e aos custos dos mesmos.
ABSTRACT
On the countryside, the solar energy is a suitable and economical alternative to conventional energy sources. This work is concern with the use of solar energy on small farms with emphasis to non- conventional materials, i.e. cotton, corn cob, sugar-cane leaves, rice cobs and tropical grass. Those materials can be used as low cost thermal isolation. This work is a collection of ideas about those materials and their use into the solar energy systems.
INTRODUÇÃO
Coletores solares são os sistemas da energia solar que mais rapidamente se difundiram. Tal êxito se deve ao fato de que esses equipamentos encontram uma variedade de aplicações na indústria, nas residências e na agricultura, além de serem relativamente de fácil construção e baixo custo, não requerendo sofisticados materiais e alta tecnologia. Devido a esta peculiaridade é que os coletores solares prestam-se muito a usos na área rural, cujos materiais locais podem ser neles empregados, não exigindo, inclusive, cuidados com a estética que é desejada em áreas urbanas. Na área rural, a disponibilidade de energia convencional - eletricidade ou gás - é ausente ou muito cara, dada a dispersão da população e sua distância dos recursos energéticos tradicionais. Assim, a energia solar é uma substituta ou economizadora das fontes convencionais de energia .
Ao falarmos em área rural do Brasil devemos ter em mente as suas diferenças climáticas, pois enquanto no Sul necessita-se aquecer, no Nordeste precisa-se refrigerar , e enquanto neste há pouca água e salgada, no Sul há água abundante.
Para efeito deste trabalho, entenderemos como coletor solar a todo sistema capaz de captar a energia a energia solar e aquecer a água ou o ar. Dado o pouco espaço disponível para uma abordagem detalhada de cada sistema a ser enfocado, nos preocuparemos a dar a conceituação básica de cada um deles com inúmeras sugestões práticas e com uma linguagem bem acessível.
RENDIMENTO TÉRMICO DE UM COLETOR SOLAR
O rendimento térmico de um coletor de chapa plano associa-se á temperatura média atingida pelo fluído de trabalho entre a entrada e a saída do coletor conforme equação (1).
η ⇒ eficiência térmica do coletor
F ⇒ fator de eficiência do coletor
ηo ⇒ eficiência óptica do coletor
UL ⇒ coeficiente global de perdas no coletor
Tf ⇒ temperatura de mistura
Tamb ⇒ temperatura ambiente local
Ht ⇒ fluxo de radiação solar total incidente na cobertura
RC ⇒ razão de concentração
Geralmente, o rendimento de um coletor de calor aumenta quando esta temperatura média cai. A temperatura média e, concomitantemente, a temperatura de saída, são reguladas pelo fluxo de calor ou taxa de extração: quando o fluxo de calor é interrompido, acha-se uma temperatura máxima que corresponde ao equilíbrio entre a radiação incidente de um lado, e as perdas condutivas, radiativas e convectivas por outro [1]. Sob estas condições, a quantidade de calor extraído, bem como o rendimento, é zero. Se ao invés disto, a taxa de extração de calor for muito alta, a temperatura média cairá a um valor próximo da temperatura ambiente; por causa da pequena diferença de temperatura, todas as perdas parasitárias serão pequenas e o rendimento térmico poderá mesmo atingir 100%, na prática.
Mas, nem uma alta temperatura com rendimento zero, nem uma baixa temperatura com alto rendimento, são de interesse prático. Como compromisso, um ponto de operação intermediário é escolhido, que proporciona um rendimento intermediário, a uma temperatura bem abaixo do ponto de vaporização da água que é em torno de 1000C a pressão atmosférica.
Como exemplo, a figura 1 mostra a dependência da temperatura que tem o rendimento do coletor, para um absorvedor pintado de negro e para um pintado de negro seletivo [2], em função da diferença de temperatura ΔT entre o exterior do vidro (temperatura ambiente) e o absorvedor. O rendimento óptico é indicado a ΔT = 0. Pode-se deduzir da figura 1 que, a uma temperatura de ΔT = 500C na saída acima da ambiente, por exemplo, e com uma diferença média de temperatura de ΔT = 250C, um coletor normal de chapa plana, pintado de negro, poderia ser operado com um rendimento de cerca de 50%. Isto se baseia nas hipóteses acima,, incidência perpendicular da luz (condição do meio dia), e intensidade da luz de 70% de AM1 (Massa de Ar 1, correspondente a massa de ar de uma atmosfera ao nível do mar) máximo possível [3]
TIPOS DE APLICAÇÕES
Serão apresentadas aplicações relativas a aquecimento de água e de ar. Por via solar a água pode ser aquecida para o aquecimento-amazenamento e o ar pode ser aquecido para a secagem de produtos agrícolas, para o conforto humano e até para obtenção de temperaturas mais adequadas para a germinação e crescimento de plantas. A seguir veremos algumas dessas aplicações.no aquecimento de água e de ar.
Aplicações para aquecimento de água
Na figura 2 vemos um sistema de aquecimento - armazenamento de água usando o regime de termo-sifão, isto é, o próprio aquecimento da água no coletor faz a mesma subir até o depósito e descendo daí apenas a água fria devido ao seu peso e reiniciando um novo ciclo. Este é o sistema solar de aquecimento de água muito simples que não requer cuidados contínuos de manutenção.
Para as áreas rurais deve-se juntar esta vantagem com a simplicidade de construção, embora nem sempre materiais mais simples conduzam a uma descomplicação. Este é o caso do uso da madeira para as caixas dos coletores. Essas caixas devem ser à prova de infiltração de água e umidade não só quando da sua instalação, mas também devem permanecer assim por muitos anos. Se a madeira para esses casos for usada, ela deve estar bem seca, ser impermeabilizada e receber tratamento contra os cupins.
No lugar da madeira poderão ser usadas caixas metálicas (incluindo perfis de alumínio) ou também telhas de amianto ou mesmo caixas de fibra de vidro, verificando sempre seus custos.
Na figura 2 (b) temos uma vista em corte de um coletor solar plano convencional. Vemos que o coletor, na tubulação e no reservatório térmico é usado isolante térmico, o qual é, geralmente, lã de vidro. Este é, porém, junto com o vidro e os metais usados, um dos materiais que mais contribuem para o aumento do custo dos coletores solares. Na área rural existem, todavia, produtos que podem servir justamente para essa finalidade. Materiais secos como o algodão, a palha de milho, a casca de arroz, bagaço de cana, capim, grama, sisal [4], servem adequadamente como isolantes térmicos. Para a isolação da tubulação e do reservatório térmico é recomendável o uso de um plástico negro por fora do isolante.
Quanto aos metais para a placa absorvedora e para o reservatório não de dispõe de muitas opções. O cobre é o material mais indicado por não sofrer corrosão ao longo do tempo com temperaturas relativamente altas. O alumínio poderia servir para a chapa observadora, pois é mais barato que a chapa de cobre. O bronze também poderia ser utilizado. Cuidados, porém, devem ser tomados com relação a junções de metais que sob efeito da água podem provocar corrosões sérias aos metais. Por isso, conexões de cobre e aço nunca devem ser feitas. Ligação cobre-bronze pode ser executada. Não é recomendável o uso do alumínio para nenhuma parte que deva entrar em contato direto com a água. Por outro lado, tubos e chapas de ferro galvanizado que são bem mais baratos, podem ser usados. O bronze seria mais empregado em coletores solares se ele fosse bem mais barato ou se tivesse sua condutividade térmica maior.
Os coletores solares, embora aparentemente simples, apresentam uma relativa dificuldade na confecção de chapa absorvedora.
Uma forma prática de contornar tal situação, seria a simples utilização de um radiador de carro (já usado) pintado de preto fosco no lugar da placa absorvedora. Ao mesmo tempo deve ser deixado um espaço de 4 cm entre o radiador e a cobertura transparente, bem como o isolante térmico sob o mesmo.
Para a cobertura transparente do coletor dispõe-se do vidro ou do plástico. O vidro proporciona um maior rendimento ao coletor, porém é mais caro que o plástico. Este, por sua vez, é mais facilmente manuseável e transportável que o vidro, entretanto, o plástico se degrada em questão de meses quando submetido a radiação solar. Para a escolha de um ou outro, e como medida da durabilidade dos plásticos pode-se adotar um prazo médio de seis meses. Em locais de fortes ventos ou chuva de granizo pode-se usar um vidro com 4 ou 5 mm de espessura. Nos demais lugares um vidro de 3 mm é adequado.
Uma outra forma prática e econômica de aquecer água é como vemos na figura 3.
No meio rural existe material e mão-de-obra para fazer uma laje de concreto. Como isolante, sob a laje deverá ter uma camada compacta de no mínimo 20 cm de areia bem seca e envolta por plástico ou lona, afim de não permitir a movimentação e/ou umidificação desta areia pela água. A parte superior da laje e suas laterais deverão ser pintadas de preto fosco. Embora a figura não mostre, um plástico transparente poderá ser colocado sobre á laje, a 5 cm da mesma.
Dois exemplos rudimentares de aquecimento e onde o coletor e o reservatório sãouma coisa só são dados a seguir. O primeiro seria simplesmente uma caixa de ferro galvanizado cheia de água coberta por plástico transparente e exposta ao sol. O fundo desta caixa deverá ser pintado de preto e não mais de 4 cm de água deverá ser colocado na caixa de cada vez, afim de se obter um maior aquecimento. O segundo seria uma caixa de madeira com fundo preto e em cujo interior seria colocado um saco plástico transparente contendo água. Fechando a caixa iria também um plástico transparente a fim de aumentar o efeito-estufa. Em ambos os exemplos um tubo deverá ser colocado nas caixas a fim de permitir a alimentação e retirada de água. E para os dois exemplos o uso da água quente seria feito logo a seguir ao seu aquecimento.
Aplicações para aquecimento de ar
Por via solar o ar pode ser aquecido para a secagem de produtos agrícolas, para o conforto humano e até para obtenção de temperaturas mais adequadas para a germinação e crescimento de plantas. A seguir veremos algumas dessas aplicações.
Secagem
Por falta de condições adequadas de armazenamento, os países subdesenvolvidos perderam 42 milhões de toneladas de cereais e legumes em 1976 [5]. Isto é equivalente a 60% da produção anual da África ou 95% da produção anual de grãos do Canadá. A secagem é um dos passos mais importantes depois da colheita.
Na figura 4 vemos secadores solares tradicionais. Na figura 4 (a) os alimentos a secar são colocados diretamente no coletor e ali são secados através da influência da radiação solar e do ar aquecido que por ele circula.
Na figura 4 (b) os produtos a secar são dispostos num compartimento adicional (chamado de silo), de forma que a secagem é feita apenas através da passagem do ar aquecido.
No secador de exposição indireta a qualidade dos produtos secados é melhor do que no de exposição direta, isto porque os produtos não sofrem a ação direta dos raios solares. Dependerá da utilização dos produtos secados a escolha do tipo de secagem, além de fatores econômicos. Por exemplo, para a feitura de passas de frutas (alguns tipos) ou farinha de banana, o secador de exposição direta poderá ser usado. Para secagem de grãos e produtos mais sensíveis ao calor recomenda-se o de exposição indireta. Neste sistema, porém, é aconselhável o uso de um ventilador entre o coletor e o silo a fim de que sejam atingidas uma pressão e vazão necessárias para vencer a resistência à passagem do ar causada pelos grãos, chapas perfuradas, dutos , etc.
Os coletores solares para aquecimento de ar não apresentam o inconveniente da estanqueidade que devem ter os coletores para aquecimento de água, e por tanto a madeira já pode ser usada para a caixa do coletor bem como para o silo. Para impedir que a água ou umidade atinjam o isolante térmico - isto eliminaria o seu efeito - ele deverá estar em volto por um plástico. Um plástico negro poderá também envolver o silo de madeira. Os modelos podem ser os mesmos da figura 4.
Um secador solar ainda mais econômico poderia ser feito totalmente com plástico, madeira e os isolantes térmicos mencionados anteriormente. Os tipos de secadores podem ser os mesmos da figura 4. O silo seria feito totalmente de plástico negro, apenas com os quatro sustentadores de madeira. O coletor poderia ter a parte superior e suas laterais feitas de plástico transparentes. No lugar da chapa absorvedora iria um plástico negro. Por baixo deste, o isolante térmico suportado por madeira ou também por plástico negro. Para evitar o uso de ventilador as bandejas perfuradas não teriam tamanho igual ao diâmetro ou largura do silo, mas menores e instaladas consecutivas porém opostamente umas das outras (e intercaladas) , de forma a criar um caminho livre para o ar. Para todos os silos usados com secadores é aconselhável que relação diâmetro (ou largura) / altura do silo, isto é, (D ou L) / H seja de 5/3 [5].
Este secador é, também, feito com materiais simples e econômicos. O plástico reveste todo o sistema e o bambu é utilizado para sua sustentação. Cascas de arroz queimadas ou qualquer outro produto de cor negra (carvão não vale, pois ele é poluente) fazem o fundo absorvedor do secador. O arroz a ser secado deve ser colocado em bandejas móveis pela parte posterior. A chaminé e o ar morno que por ela circula provocam o efeito-chaminé, o qual produz uma maior retirada de ar do secador.
Outro material largamente empregado e inclusive feito em áreas rurais é o tijolo. Com ele também poderiam ser feitos coletores solares para o aquecimento de ar, como mostra a figura 6.
Neles, também poderiam ser colocadas pedras de tamanho médio a fim de aumentar a área de troca de calor entre o fundo absorvedor e o ar, aumentando, assim, o aquecimento deste. Tanto o fundo quanto as pedras devem ser pintados de preto. Apenas colocar as pedras juntas umas das outras, não devendo preencher todos os espaços.
Os sistemas de secagem que acabamos de descrever podem ser utilizados para secagem de qualquer tipo de produto agrícola, desde grão, frutas, feno e até charque. Esses produtos se forem deixados secar ao ar livre demorarão muito mais tempo para secar do que se forem secados através de secadores solares. Além disso ao ar livre eles estão sujeitos ao ataque de insetos, fungos, passarinhos e à precipitação da chuva. E os secadores solares proporcionam uma melhor qualidade do produto secado. Só para citar, a alfafa mantém uma maior quantidade de vitamina A do que se fosse secado ao ar livre; e a madeira, sendo secada ao ambiente sofre maior enrrugamento e empenamento do que em secadores solares.
Estufa Solar
A estufa solar, muito conhecida por "greenhouse" figura 7(a) e 7(b) [6] é utilizada para a manutenção de temperatura satisfatórias para a germinação e crescimento de plantas em regiões frias.
Esses sistemas, também de fácil construção e baixo custo são simplesmente armações de madeira e em forma de casa, revestidas por plásticos transparentes.
Em linguagem simples, diz-se que o sol entra na estufa mas não sai, originando daí o efeito estufa que provoca um aumento de temperatura no seu interior.
Poderá ser escolhido o tamanho dessas estufas conforme o tipo ou disposição das plantas. Uma estufa grande seria aquela que tivesse no seu interior uma grande qualidade de planta e espaço e altura para a circulação de pessoas a fim de possibilitar o cuidado dos vegetais. Ou também, a estufa poderia ter apenas a largura de um canteiro e a altura máxima da planta. Aberturas adequadas seriam usadas nessas estufas para a ventilação durante o verão ou dias quentes.
Ao pensarmos em aquecer o ar, devemos pensar também em aquecê-lo para o conforto das pessoas do campo diante de dias frios. Um exemplo para tal finalidade vemos na figura 7 (b). Este sistema de aquecimento de habilitações é chamado de passivo e sua função é captar e regularizar a distribuição da energia solar. A superfície transparente provoca o mesmo efeito-estufa antes visto. A radiação solar que passa por esta superfície é absorvida por uma massa intermediária (parede) que restitui ao interior da casa uma parte desta energia e com defasagem de tempo. Esta defasagem de tempo é importante, pois o calor que é captado durante o dia pode ser repassado à casa durante a noite.
É recomendável que a parede (apenas a que capta a radiação) seja de concreto e que tenha uma espessura de 30 cm. Isto faria com que o calor absorvido durante o dia fosse repassado à casa durante oito horas após a descida do sol. Nada impede que uma abertura envidraçada seja feita nessa parede.
Ademais, adequadas aberturas também devem ser providenciadas no vidro ou plástico a fim de provocar uma ventilação durante o verão. A orientação dos vãos envidraçados deverá ser a Norte para melhor captação durante o inverno. No verão, é preferível que a radiação solar direta não chegue a parede. Para isso, pode-se usar uma marquise ou persianas. É preferível que a cor da parede seja escura, podendo ser além do preto, o marrom, o azul e o verde.
CONCLUSÃO
Apresentamos neste trabalho a conceituação de diversas aplicações da energia solar voltadas para as necessidades da área rural. Evitamos sempre que possível entrar nas explicações teóricas de cada sistema, pois isto poderia trazer uma complexidade ao iniciante. Muitas sugestões práticas de concepção dos sistemas foram dadas. Tendo em vista o espaço, não foram feitas muitas considerações de dimensionamento. Esperamos que as informações aqui prestadas sirvam para um entendimento, ainda que superficial, das possibilidades de usos da energia solar no meio rural.
Por outro lado, consideramos que os conhecimentos de usos da energia solar no meio rural devem ir sendo naturalmente repassados ao próprio homem do campo. Com o tempo ele absorveria os princípios básicos de funcionamentos dos sistemas, e com isso iria resolvendo suas próprias dificuldades e encontrando soluções. Assim como ele sabe em que época plantar, em que época colher, como plantar, que tipo de terra utilizar, qual grão usar, etc., ele saberia também entender o funcionamento elementar dos sistemas solares. Sabendo o que fazer, o produtor rural poderia ir fazendo seus próprios aparatos sem ter que esperar por alguém, embora a assistência também seja necessária
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] DUFFIE, J. A; BECKEMAN, W.A, Solar engineering of thermal process, John Wiley & Sons, New York, USA, 1976.
[2] LORSCH, H. G. Performance of Flat Plate Solar Collectors, editado por R. Allen. Proceedings of Solar Heating and Cooling Workshop, Universidade de Maryland, NSF-RANN, 1973.
[3] PALZ, W; Energia Solar e Fontes Alternativas Editora Hemus, Unesco Paris, 1981.
[4] BEJAN, A;Transferência de Calor, Edgard Blucher LTDA, 1999.
[5] SANTOS, A .F. S; ROCHA, N. R. Tubos de Calor Uma Opção Para Economia de Energia, Caderno de Engenharia, Vol.3, Nr.3, PUC-MG, 1993.
[6]DICKINSON,W.C; CHEREMISINOFF, P. N; Solar Energy Technology Handbook, Dekker, Inc, 1980.