Eficiência térmica de coletores solares de baixo custo - CSBC

EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES DE BAIXO CUSTO - CSBC

Renato C. Pereira, Robson T. Shiota, Samuel F. Mello, Valdir Assis Jr., Julio R. Bartoli

Depto. Tecnologia de Polímeros - Faculdade de Engenharia Química da UNICAMP 13083-970 – Caixa Postal 6066 – Campinas – SP, [email protected]

RESUMO

Neste trabalho foi determinada a eficiência térmica de um coletor solar de placas

planas de baixo custo de fabricação. O Coletor Solar de Baixo Custo é um novo

conceito para aquecimento de água utilizando apenas materiais termoplásticos, de

uso comum na construção civil: forros modulares e tubos de PVC rígido, mas sem a

cobertura transparente. A face superior da placa de PVC recebeu revestimento de

cor negra, tinta comercial, para servir como superfície absorvedora de radiação

solar. Protótipos destes coletores solares foram instalados em duas entidades

assistenciais da região de Campinas e no campus da FEQ, funcionando sem

problemas há um ano. Os ensaios de eficiência térmica foram realizados conforme

ABNT NBR 10184 no Laboratório Green-Solar, do Centro Brasileiro para

Desenvolvimento da Energia Solar Térmica, PUC-Minas. Foi determinada uma

eficiência térmica de 67%, comparado aos 75% dos coletores convencionais com

tubos de cobre e cobertura de vidro.

Palavras-chave: PVC, coletores solares, eficiência térmica.

INTRODUÇÃO

A grande parte da energia elétrica gerada no Brasil, isto é 77%, é obtida a

partir de usinas hidrelétricas, de acordo com a Empresa de Pesquisas Energéticas

(EPE) do Ministério de Minas e Energia1, pela própria política governamental e pelo

grande potencial hídrico de país. Todavia, a geração deste tipo de energia é muito

cara e toda vez que uma nova usina é projetada ocorre muito prejuízo para o meio

ambiente. A classe residencial detém 24,8% do mercado de energia elétrica com

consumo de 7.217 GWh. Um chuveiro elétrico responde pela maior parcela de

consumo de energia elétrica residencial, 25% a 35% do total gasto, e segundo

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

9607

estimativa do Procel (2005), calcula-se que o chuveiro consome de 6,2% a 8,7% do

total de energia elétrica produzida no país.

Esta é uma das grandes motivações para o desenvolvimento da pesquisa de

coletores solares de baixo custo (CSBC) para aquecimento de água para banho

como alternativa ao chuveiro elétrico, responsáveis por 18% da demanda de pico do

sistema. Além disso, há uma questão de cunho social, o CSBC pode ajudar a

população de baixa renda. Levando-se em conta que um banho tenha tempo médio

de 8 a 10 minutos, no final do mês, o chuveiro representará pelo menos 40% do

valor da conta de energia elétrica de habitações populares. Segundo dados da

Companhia Energética de Minas Gerais (CEMIG-2006), o consumo médio de uma

residência de baixa renda é de R$ 40,00 ou uma média de R$ 16 só por conta do

banho quente.

Uma série de razões impede que a energia solar, ainda que de boa idéia, não

vingasse no Brasil - falta de planejamento governamental, regras de construção civil

que induzem à instalação de chuveiros elétricos, financiamento caro e escasso,

poucos estudos técnicos sobre a tecnologia. Mas os aquecedores solares

apresentam também vantagens sociais como a redução da conta de energia elétrica

já mencionada e a geração de um grande número de empregos por unidade de

energia transformada. No Brasil, a produção anual de um milhão de m² de coletores

geraria aproximadamente 30 mil empregos diretos, em empresas de pequeno e

médio porte, atualmente o mercado de coletores é de 350 mil m2 por ano2. Há

também um Projeto de Lei para a cidade de S.Paulo, que visa instalar aquecedores

solares de água em edificações, em elaboração pelo Comitê Municipal de Mudanças

Climáticas e Eco-Economia da Secretaria do Verde e do Meio Ambiente.

Em Belo Horizonte, destaque no país pelo emprego da energia solar devido a

ações da CEMIG, o mercado imobiliário entendeu a importância dos sistemas tanto

para a redução dos custos de condomínio e de energia elétrica, que hoje existem

cerca de 1000 edifícios de apartamentos com sistemas solares de aquecimento de

água. Praticamente todos os lançamentos de condomínios de classe média usam o

equipamento como um dos apelos de venda.

O uso de aquecedores solares ainda é incipiente no Brasil: em 2002, a área

instalada de coletores solares no país era de 1,2 m2/100 habitante,

consideravelmente menor que aquela instalada em Israel (67,1 m2/100 habitantes),

Áustria (17,5 m2/100 habitantes) e China (3,2 m2/100 habitantes), por exemplo2.


9608

Uma das razões que explicam o fato de países de muito menor insolação

aproveitarem melhor as vantagens do uso dos aquecedores solares é de ordem

legal. Em vários destes, existem leis que obrigam construtores a instalarem estes

aquecedores já na construção. Um exemplo marcante é o de Barcelona, que

implantou em julho do ano 2000 uma legislação que exige que pelo menos 60% das

necessidades anuais de água quente de novas edificações ou em reforma sejam

supridas pelo aquecimento solar. Dessa forma do ano 2000 até finais de 2003, a

instalação de aquecedores solares saltou de 1,1 m2/mil habitantes para 13 m2/mil em

Barcelona, enquanto que no Brasil, o mercado de coletores é de 350 mil metros

quadrados por ano e na China, em 2005, foi de 10 milhões2.

O Brasil já conta com uma tecnologia capaz de medir a eficiência dos coletores

e com isso torna possível a criação de etiquetas de desempenho, a exemplo do selo

Procel que indica a eficiência energética de equipamentos domésticos. No caso dos

coletores solares já existe um laboratório que realiza testes técnicos que é o Centro

Brasileiro para Desenvolvimento da Energia Solar Térmica - GREEN Solar com sede

na Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais (PUC-MG), em Belo Horizonte.

EFICIÊNCIA TÉRMICA DE COLETORES SOLARES Para coletores solares com placas e tubos de cobre, com cobertura de vidro

(efeito estufa), os parâmetros típicos encontrados pelo grupo de pesquisa da

UFRGS são 7,7 W/m2K para coeficiente angular (resposta “rápida”) e 0,74 para o

linear (eficiência de 74%, elevada).

Coletores solares de baixo custo e sem cobertura, feitos em polipropileno,

propostos e testados por Mveh8, 1999, apresentaram desempenho satisfatório com

valores de 16 W/m2K para o coeficiente angular, perdas para o ambiente e tempo de

resposta “lenta” (o dobro comparado ao de cobre), e 0,6 para coeficiente linear

(eficiência de 60%). Krenzinger7, 2001, testou coletores feitos a partir de polietileno

de alta densidade e obteve valores muito semelhantes aos coletores de

polipropileno. A eficiência térmica, também, foi obtida para coletores solares feitos

com forros de PVC por Seewald5 em 2004, baseados na tecnologia desenvolvida

por Bartoli3,4 em 1999, medindo-se 0,58 para a eficiência térmica e 60 W/m2K para o

coeficiente das perdas. Este valor muito alto das perdas, nesse trabalho, foi

provavelmente devido a problemas nas medições de temperatura e, portanto, não

pode ser considerado representativo.


9609

COLETOR SOLAR DE BAIXO CUSTO (CSBC) Este projeto está inserido na continuação de trabalhos de pesquisa anteriores

realizados no Centro Incubador de Empresas Tecnológicas (CIETEC/IPEN) em

2000, com apoio da Fapesp no projeto PIPE coordenados por Bartoli3,4. Todavia,

desde o encerramento do PIPE, quando foi verificada a viabilidade técnica-

ecônomica4 dos CSBC em escala reduzida 1:4 (área 0,25 m2), ainda não haviam

sido conduzidos ensaios complementares e sistemáticos para determinar a

eficiência térmica dos coletores em escala 1:1. Ao retomar o projeto (agosto 2004)

na FEQ/Unicamp, novos protótipos de CSBC foram construídos e instalados para

teste: no campus e em duas instituições assistenciais da região de Campinas

(projeto Social da empresa junior da FEQ).

Portanto, o coletor solar de baixo custo foi desenvolvido de maneira que

pudesse ser construído pelo próprio usuário. Para isso o grupo atual de pesquisas

do CSBC tem planos de elaborar um manual para que fosse divulgada e ensinada a

técnica de construção e implantação do CSBC, com preço muito mais sugestivo que

o coletor convencional (R$ 300 para 2 m2 ou 400 litros). A associação dos materiais

de baixo custo e o aproveitamento das instalações hidráulicas residenciais permitiria

o retorno do investimento de 4 a 8 meses.

MATERIAIS E MÉTODOS Para a construção do CSBC foram utilizadas placas de perfis planos (duplos) de

PVC rígido extrudados, cor branca, de uso comum para forros e divisórias na

construção civil, cortesia da Confibra: dimensões 1,25 x 0,62 m, e tubos e conexões

hidráulicas de PVC rígido nos diâmetros 25 mm e 32 mm (Tigre). Os tubos foram

cortados, fresados (Figura 1), colados às placas através de diferentes adesivos

comerciais em estudo, como: Plexus 310 (metacrílico bicomponente), Araldite

Profissional (epóxi bicomponente) e Brascoved KPO Branco (poliuretano

bicomponente). A Figura 2 mostra a seqüência de montagem do CSBC, (a par de

tubos fresados, (b) placa de forro de PVC sendo encaixada no tubo de PVC, (c)

detalhe interno do tubo de PVC, com a seção da placa encaixada, e d) colagem do

tubo à placa. No final, a placa é pintada com esmalte preto sintético (Coral).


9610

Figura 1 – Placa de forro modular e tubo fresado, ambos de PVC.

Figura 2: Etapas de montagem dos tubos fresados (a); com a placa de forro (b);

detalhe interno do tubo após encaixe da placa (c) e após colagem das peças (d).

Na Figura 3 são mostrados dois sistemas de aquecimento de água para 500

litros (a) e 100 litros (b) instalados no campus da FEQ e na Figura 4 o sistema

instalado na Casa Bom Pastor, também para 500 litros.

(a)

(b)

a) b)

d))

c)


9611

Figura 3 – Protótipos montados no campus da FEQ: a) 500 l e b) 100 l.

Figura 4 – CSBC instalado na “Casa Bom Pastor”

Os ensaios de eficiência térmica foram realizados no laboratório “Green Solar”

da PUC-MG. Na Figura 5 é vista a parte superior do equipamento utilizado para

simulação de aquecimento da água com os holofotes simulando a radiação solar. Na

Figura 6, nota-se a parte inferior do equipamento e também a placa do CSBC

instalada para a realização do teste, com ângulo de inclinação da placa para de 25°.

Este valor é indicado para a cidade de Belo Horizonte, relativo ao mês de setembro

para um dia padrão e uma intensidade de radiação incidente de G=860,25 W/m2. O

equipamento está localizado em uma sala climatizada.

Figura 5: Sistema de ensaio

com a placa do coletor

instalada.

Figura 6: Sistema de ensaio em

operação (holofotes acesos).


9612

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Os cinco sistemas de coletores CSBC instalados no campus da FEQ (1

sistema para 500 litros e outro para 100 litros) e na região de Campinas (3 sistemas

para 500 litros cada) completaram um ano de operação sem apresentar problemas

de vazamento ou alterações dimensionais. Em dias ensolarados temperaturas de

até 50°C são verificadas no final da tarde e estão substituindo os chuveiros elétricos

satisfatoriamente. Amostras das placas de PVC, dos coletores da FEQ, serão

retiradas em breve para análises físico-química (por exemplo: FTIR-ATR, MEV) e

verificar possíveis alterações estruturais do PVC, isto é se há alguma indicação de

fotodegradação.

Foi verificado que a pressão de operação do coletor CSBC com adesivo

Brascoved KPO foi de 14 mca (1,4 kgf/cm2). Este valor pode ser considerado

adequado, tendo-se em conta a altura observada em residências populares

brasileiras.

EFICIÊNCIA TÉRMICA É possível calcular o valor da variação da entalpia (∆h) com os valores obtidos

no teste de eficiência térmica do CSBC realizado nos ensaios do laboratório “Green

Solar”. Nesse caso em referência à água na fase líquida entre 20°C e 70°C, pode

ser obtida a partir da equação (A) do Programa Computacional CATT de Tabelas

Termodinâmicas (J. Wiley & Sons) para temperatura expressa em graus Celsius.

4608,01795,4)/( +⋅= TkgkJh (A)

Os valores de entalpia foram calculados pela diferença entre a entalpia da

água na temperatura de saída da placa do coletor (hfs) e a entalpia da água na

temperatura de entrada da placa do coletor (hfe) dada pela equação (B).

fefs hhh −=∆ (B)

O volume específico é calculado pela equação empírica (C) para água na fase

líquida na faixa entre 20°C e 70°C. 49293113 1099,91062,21066,51034,1)/( −−−− ⋅+⋅⋅+⋅⋅+⋅⋅= TTTkgmv (C)

Sendo Aext a área total da caixa externa do coletor no caso do CSBC

(Aext=0,7817 m2) e a Atransp a área transparente do coletor, área efetiva que permite a

passagem da radiação solar atingindo a placa absorvedora, e é dada pelo conjunto


9613

de placa, tinta e tubulação, sendo do CSBC (Atransp=1,3646 m2).

Assim através da equação (D), são obtidos os valores de eficiência térmica em

função de (Tfi – Tamb)/G, em °C/W/m2. O gráfico da eficiência térmica do CSBC é

apresentado na Figura 7. A temperatura inicial da água foi de 28°C e a final foi de

60°C, neste ensaio.

GAhV

ext ⋅∆⋅⋅= ρη (D)

Figura 7: Gráfico da eficiência térmica medida no ensaio com o CSBC

De acordo com a equação (E), o valor do coeficiente linear (Fr UL) dado pela

regressão linear é de 67,1 e o valor do coeficiente angular [Fr (τα)] é 1.732,2 W/m2K,

com inclinação negativa.

GTT

UFrFr ambfiL

)()(

−⋅−⋅⋅= ατη (E)

Onde,

Fator de Remoção (Fr): é definido como a razão entre a taxa de calor útil real

transferida entre a “placa absorvedora e o fluido de trabalho” e o valor hipotético que

seria transferido se toda superfície estivesse à temperatura do fluido na entrada do

coletor.

Coeficiente Global de Perdas (UL): coeficiente associado à perda total de

energia por condução, convecção e radiação entre a placa absorvedora e o

ambiente.

Absortividade (α): fração de energia radiante incidente que é absorvida pela

placa absorvedora.


9614

Transmissividade (τ): razão entre a energia transmitida pela cobertura e

energia solar incidente.

Na Tabela I são mostrados as características térmicas de outros coletores

solares em termos dos coeficientes angular [Fr (τα)] e linear (Fr UL) da equação da

eficiência térmica. Estes coletores solares foram fabricados com materiais

diferentes: com tubos e chapa de cobre com cobertura de vidro, outro de

Polipropileno sem cobertura de vidro, um também em PVC (de Seewald5) e este

coletor em estudo (CSBC).

Tabela I – Parâmetros térmicos de coletores solares feitos com diferentes materiais

Coletor Fr (τα) Fr UL (W/m2K)

Cobre c/ vidro 0,74 7,7

PP s/ vidro 0,60 16,0

PVC - Seewald 0,58 60,0

PVC - CSBC 0,67 17,3

As curvas de eficiência térmica são mostradas na Figura 8. Pode-se analisar

esta curva por dois aspectos, pelo coeficiente linear, nesse caso, observa-se que os

coletores de cobre com vidro possuem uma eficiência térmica muito maior em

relação aos demais6,7. O CSBC deste estudo conseguiu obter uma eficiência

superior ao de PP8 e ao próprio PVC de Seewald, os ensaios foram realizados em

laboratórios distintos.

Figura 8: Comparação entre as curvas de eficiência térmica de diversos tipos

de coletores solares e o CSBC.


9615

CONCLUSÕES

Os ensaios padronizados pela ABNT para determinar a eficiência térmica do

CSBC, a base de PVC, indicaram os seguintes parâmetros: 17,3 W/m2 K para Fr UL

(perdas do coletor) e 0,67 para [Fr (τα)] (eficiência térmica). A eficiência deste CSBC

é pouco inferior à eficiência geralmente medida em coletores convencionais (0,75).

Todavia, como era esperado as perdas são relativamente altas, devido à ausência

de cobertura transparente, que nos coletores convencionais permite o efeito estufa e

diminui o efeito do vento.

CSBC instalados no campus da FEQ e em duas instituições assistenciais,

como projeto social da Propeq (empresa Jr.), seguem operando satisfatoriamente

depois de um ano e temperaturas da água de ate 55°C são medidas, em dias

ensolarados no final da tarde, para um volume de 500 litros (com duas placas).

Ensaios de envelhecimento acelerado serão conduzidos com a colaboração do Lab.

Green Solar-PUC Minas, para determinar a confiabilidade destes sistemas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem à Profa. Dra. Elizabeth M. Pereira e às suas colaboradoras

Enga. Daniela e Enga. Eliziane do Laboratório GreenSolar – Centro Brasileiro para

Desenvolvimento da Energia Solar Térmica - PUC Minas. Bem como a dedicação

dos técnicos da Oficina Mecânica da FEQ: Sr. Valdemir, Sr. Daniel, Sr. Edgar e Sr.

Alexandre e aos membros do Projeto Social da Propeq, empresa junior da FEQ.

Agradecemos também às empresas: Confibra, pela doação das placas modulares

de forro em PVC e à Tigre, pelos tubos e conexões hidráulicas em PVC. Finalmente

ao programa PIBIC/Unicamp com bolsas de iniciação científica SAE e CNPq.

REFERÊNCIAS 1 Empresa de Pesquisas Energéticas (EPE) em www.epe.gov.br em 17/062006 2 site da ONG “Vitae Civilis” consultada em 07/07/2006 em www.vitaecivilis.org.br 3 BARTOLI, J.R.; WOELZ, A.T.; Projeto PIPE/Fapesp N° 1999/06335-5, Junho 1999. 4 BARTOLI, J.R., et al; ”Desenvolvimento de Aquecedor Solar de Água Utilizando Materiais Termoplásticos”, 6° Cong. ABPOL, 11/2001, Gramado. 5 SEEWALD, A., Monografia de Conclusão de Curso em Eng. Elétrica, UFRGS, 2004


9616

6 COSTA, E. R. Limitações no uso de coletores solares sem cobertura para sistemas domésticos de aquecimento de água. Dissertação de mestrado. PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, 2002 7 KRENZINGER, A. Desempenho térmico de coletor solar. Certificado 013/2001.Laboratório de Energia Solar, PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, 2001 8 MVEH, J. de D. B. M. Análise teórica e experimental da eficiência térmica de coletores solares sem cobertura e de baixo custo. Dissertação de mestrado.PROMEC/UFRGS. Porto Alegre, 1999

THERMAL EFFICIENCY OF LOW COST SOLAR COLLECTORS – CSBC

ABSTRACT

The thermal performance of a low cost flat panel solar collector was measured. This

Low Cost Solar Collector is a novel concept for water heating using only

thermoplastics materials, used on building: ceiling and tubes made of unplasticised

PVC, but without transparent cover. The top side of the UPVC panel was black

painted to be the solar radiation absorber surface. Prototypes were installed on two

charity houses around Campinas and at the FEQ campus, being used without any

trouble for one year. The thermal efficiency analysis followed ABNT NBR 10184

standard at the Green-Solar Laboratory, Brazilian Centre for Development of Solar

Thermal Energy, PUC-Minas. It was measured a thermal efficiency of 67%,

compared to the 75% usually found on conventional solar collectors made of copper

tubes and with glass cover. Key-words: UPVC, solar collectors, thermal efficiency.


9617

Documents

Eficiência térmica de coletores solares de baixo custo - CSBC