MODELO TEÓRICO DE UM COLETOR
SOLAR DE PLACA PLANA
MESCLANDO MATERIAIS VIRGENS
COM MATERIAIS RECICLADOS (CSSR)
Marcus Rafael Oliveira Reis (UESC)
AL VARO AFONSO FURTADO LEITE (UESC)
Tiago Nascimento Barbosa (UESC)
Diante da falta de uma efetividade razoável de projetos de aquecedores
solares compostos totalmente de materiais reaproveitados que possa
torná-los comercializáveis, este artigo apresenta mais uma solução
para alavancar a comercialização doos sistemas de aquecimento solar.
Foram construídos bancos de dados (Microsoft Access) por meio de
estudos detalhados dos materiais constituintes do coletor solar
convencional e dos materiais abundantes no lixo, encontrando o
alumínio e o vidro, mesclando-os com materiais virgens para
minimizar a perda de eficiência e ao mesmo tempo diminuir o seu custo
de aquisição. Foram criados quatro bancos de dados: elementos do
coletor solar tradicional; propriedades dos materiais usados no coletor
tradicional; materiais abundantes no lixo urbano; propriedades dos
materiais abundantes no lixo urbano, propondo assim, um modelo
teórico de um coletor solar de placa plana mesclando materiais
virgens com reciclados e viabilizando financeiramente a aquisição de
um sistema de aquecimento solar e ainda ajuda a preservação do meio
ambiente por meio da reciclagem.
Palavras-chaves: Coletor Solar, baixo custo, materiais reciclados,
eficiência, comercialização
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
2
1. Introdução
Todas as fontes energéticas são formas indiretas de energia solar, sendo que a sua
irradiação pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica e geração de energia
elétrica, auxiliando na mitigação da queima de combustíveis fósseis. A corrida pelo domínio
deste mercado já iniciou com vários grandes projetos no mundo como, por exemplo, nos EUA
há um projeto de instalação de um milhão de casas com energia solar até o ano de 2010. O
Japão quer instalar 4,6 GW em placas solares até 2010 e tem multiplicado anualmente o
número de casas com coletores solares nos tetos das residências. Também existem projetos
para instalação de 500 mil sistemas de aquecimento solar na União Européia e na Holanda.
Gigantes do petróleo como a Shell e a British Petroleum têm planos para competir por frações
do mercado de energia solar para geração de energia elétrica ou aquecimento de água.
As energias solares e eólicas serão os principais substitutos do petróleo, gás e carvão
até 2050, indica o informe da Folha de São Paulo - 2010, elaborado pela Fundação Européia
para o Clima, que será entregue à Comissão Européia. A Alemanha é considerada o país com
o mais bem sucedido mecanismo de incentivo às fontes renováveis de energia. Dada sua
localização geográfica o Brasil é particularmente privilegiado por ter uma insolação média
superior à das nações industrializadas. O País não pode perder esta corrida. É preciso criar
programas que promovam a criação da indústria de energia solar no país. A Agência Nacional
de Energia Elétrica - ANEEL, a Agência Nacional do Petróleo – ANP e as empresas que
operam no setor elétrico e de combustíveis têm papel preponderante neste processo. O Brasil
é solar. (Greenpeace, 2003)
A utilização da energia solar para a produção de água quente para fins residenciais e
industriais representa uma das aplicações mais viáveis dessa fonte limpa de energia e
massificada nos países desenvolvidos, porém a principal barreira para sua utilização massiva
esta em seus custos elevados. Suplantar esta barreira ajudaria a aliviar nossa matriz energética
de fontes não renováveis de energia.
A reciclagem, bem como a energia térmica solar apresenta uma série de vantagens,
dentre as quais a redução de impactos ambientais, a geração de renda e emprego, além da
conservação de energia. Hoje, a produção diária de lixo no Brasil é de 228.413 T. dia -1
de
lixo coletado.
Já foram desenvolvidos, construídos e estudados vários tipos de coletores solares e
sistemas de aquecimento que apresentam as características de baixo custo, boa eficiência, com
utilização de materiais reciclados, emprego de fibras naturais. Por outro lado, esses coletores
apresentam uma deficiência comum: a aliança entre viabilidade econômica e eficiência da
absorção de radiação solar. Diante da falta de uma eficiência razoável destes projetos que
possam torná-los comercializáveis, pretendeu-se neste projeto elaborar um modelo de um
sistema de aquecimento solar composto parcialmente de materiais reaproveitados, mesclando-
os com materiais convencionais a fim de minimizar a perda de eficiência e ao mesmo tempo
diminuir o seu custo de aquisição.
A criação de um banco de dados por meio de um estudo detalhado das propriedades
requeridas dos materiais usados no coletor tradicional possibilitou o emparelhamento destas
propriedades com as de materiais abundantes no lixo, resultando na substituição parcial de
alguns materiais convencionais, eliminando os custos de aquisição de matéria prima e,
conseqüentemente, o custo comercial do aquecedor solar e, também contribuindo para a
conservação do meio ambiente. Este emparelhamento, seguido de um levantamento
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
3
bibliográfico dos métodos de reciclagem do alumínio e do vidro possibilitou a criação do
modelo teórico proposto.
O objetivo geral do projeto é elaborar um modelo teórico de um coletor solar,
mesclando materiais “virgens” com materiais retirados do lixo urbano e submetidos a
tratamentos em laboratório para recuperarem suas propriedades específicas que a manutenção
(ou perda esperada) da eficiência de absorção da radiação solar exige. Para cumprir com este
objetivo, o desenvolvimento do projeto se desdobrou nas seguintes etapas:
Determinar as propriedades dos materiais usados na construção de um coletor solar
convencional;
Determinar as propriedades dos materiais de um coletor convencional que influenciam
diretamente na eficiência do coletor;
Recolher amostras dos materiais escolhidos do lixo para tratá-los em laboratório;
Verificar se as propriedades dos materiais tratados em laboratório foram violadas de
modo que possam comprometer consideravelmente a eficiência do coletor;
Elaborar um modelo teórico de um coletor solar, mesclando materiais “virgens” com
materiais retirados do lixo e tratados em laboratório.
2. Fundamentação Teórica
O trabalho “Apresentação do projeto Aquecedor Solar – integrando desenvolvimento
sustentável e qualidade de vida”, apresentado no 4º Encontro de Engenharia e Tecnologia dos
Campos Gerais, visou “apresentar o projeto de um aquecedor solar integrando o
desenvolvimento sustentável e a qualidade de vida, por meio da construção de um sistema
extremamente simples, utilizando-se de materiais descartáveis, com baixo custo, cujo
princípio de funcionamento se baseia no aquecimento da água através do ar, ficando o calor
retido nas garrafas PET que aquece a água voltando para caixa da água e mantendo a água
quente. Sua principal vantagem é associar a economia de energia elétrica com o beneficio ao
meio ambiente e uma reciclagem direta sem qualquer processo industrial nos descartáveis. A
possibilidade de conscientizar o maior número de pessoas possíveis de que todas as
embalagens podem ter aplicação útil e social, possibilitando uma nova opção de renda e
empregos em cooperativas de catadores. Sua simplicidade justifica a sua implantação em
diversos projetos e instituições preocupadas com o bem estar comum. Entretanto, o projeto
não considera a eficiência na conversão da energia solar em térmica e a durabilidade do
produto gerado. A principal característica deste projeto é beneficiar as pessoas de baixa renda
e o benefício ao meio ambiente, mas a eficiência de conversão não foi o foco do projeto, não
sendo considerado na pesquisa a degradação do PET com a exposição a altas temperaturas,
bem como a eficiência da conversão de energia em dias nublados.
Outro projeto de coletor solar de baixo custo é o descrito no “Manual de Manufatura e
Instalação Experimental do ASBC (Aquecedor Solar de Baixo Custo) faz parte de um dos
projetos da Sociedade do Sol, denominado Aquecedor Solar de Baixo Custo ou simplesmente
ASBC. O ASBC é um projeto para livre utilização da população, cuja tecnologia, por sua
simplicidade, não é patenteável. Seus principais objetivos são: melhoria social, preservação
ambiental, conservação de energia, possibilidade de geração de empregos, economia
financeira familiar e nacional (8 a 9% da demanda elétrica) e redução de emissões do gás
estufa - CO2. Os coletores do ASBC são fabricados com placas de forro de PVC. Os coletores
ASBC se diferem dos outros por não utilizarem caixa e cobertura de vidro, que permitem a
obtenção do efeito estufa, no qual energia solar chega a terra em forma de ondas curtas, ao
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
4
entrar em contato com tudo que existe na terra, parte desta energia é refletida, parte absorvida
e parte transmitida, os corpos ao absorverem a energia solar ganham calor (energia) e
começam a irradiá-lo em forma de ondas longas. A não criação do efeito estufa, causada pela
ausência da cobertura de vidro não permite que a água aqueça demais (acima de 37º C), o que
afetaria a integridade dos componentes de PVC, o qual em sua maioria (tubos, perfis e outros)
não é recomendado a exposição direta ao sol devido a degradação com temperaturas acima de
45º C. Isto traz vantagens como: redução do perigo da água quente ferir crianças e a
possibilidade do uso de tubos de PVC de água fria, entre outras”. Este coletor solar ASBC não
permite que a integridade dos componentes de PVC seja afetada, mas não possui
condutividade térmica razoável para um que tenha eficiência no aquecimento da água.
De fato, esses dois sistemas de aquecimento solar de baixo custo acima descritos não
têm eficiência suficiente para serem comercializados. Nos manuais de construção de ambos os
sistemas, os autores evidenciam que os projeto são experimentais e que todos que assumirem
a responsabilidade de manufaturar tais sistemas, ou se dispuserem a prestar serviços a
terceiros, devem estar cientes de que não poderá ser oferecida nenhuma garantia em relação à
durabilidade das peças e à temperatura de funcionamento do sistema
3. Metodologia
3.1 Área de estudo
A ameaça de esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, a pressão dos
resultados econômicos e as preocupações ambientais, levam-nos a encarar a eficiência
energética como uma das soluções para equilibrar o modelo de consumo existente e ajudar a
mitigar os efeitos causadores de alterações climáticas. Aprender a utilizar de forma
responsável a energia de que dispomos é uma forma de garantir um futuro melhor para as
gerações vindouras.
O planeta Terra recebe diariamente uma grande quantidade de energia solar. Essa
energia realiza diferentes funções que beneficiam os seres vivos e provocam fenômenos
naturais essenciais para a manutenção da vida no planeta. O ser humano ao longo da história
se preocupou em aproveitar a energia solar transformando-a em outras formas de energia,
como a térmica, mecânica e elétrica. Para isso desenvolveu diferentes tecnologias que
utilizam a energia solar e seus efeitos para aquecer água, mover moinhos e barcos, cozinhar
alimentos e produzir eletricidade.
O Brasil é um país de clima tropical com temperaturas médias anuais em torno de 20º
C. No inverno, em alguns estados do Norte e Nordeste a temperatura está acima dessa média.
Em situação contrária, os estados da região Sul e Sudeste nessa mesma estação, a temperatura
pode atingir valor muito baixo. Essa variação de temperatura, principalmente durante o
inverno, não permite que a água, tal como fornecida, seja utilizada diretamente para o banho,
necessitando um aquecimento complementar.
Os coletores térmicos solares foram desenvolvidos a partir do momento que se
percebeu a possibilidade de aproveitar a energia do sol para aquecer água. Com o passar dos
anos os coletores solares foram sendo aperfeiçoados e junto com suas outras partes,
reservatório canos e chuveiro, formaram o sistema solar de aquecimento de água.
3.2 Fonte de dados
A energia térmica solar é aproveitar o sol da energia para produzir calor que pode ser
usado para produzir água quente para uso doméstico, comercial e industrial para aquecimento
de água ou mesmo para a produção de energia mecânica e, a partir desta forma de energia, a
eletricidade. Os coletores solares convertem a energia solar, que penetra através dos vidros
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
5
(radiação de onda-curta), em calor, possibilitando a transformação da energia solar em energia
térmica, que é obtida pela absorção dos raios solares através de uma placa metálica que se
comporta como um corpo negro – a placa absorsora. (GREENPRO, 2004)
O coletor de calor solar para aquecimento da água é o dispositivo responsável pela
captação da energia radiada pelo e sua conversão em calor utilizável. Existem dois tipos
fundamentais de coletores: coletores de concentração e coletores planos, os quais a
temperatura interior do fluido não ultrapassa 70ºC. A placa coletora tem a missão de absorver
da forma mais eficiente possível a radiação solar e transformá-la em energia térmica utilizável
mediante sua transferência para o fluido portador de calor. Portanto, passa a ser o elemento de
maior importância do coletor.
Os materiais utilizados para a fabricação da placa devem possuir alta condutividade
térmica para reduzir a resistência ao fluxo de calor por condução. O coletor de placa plana é
composto por quatro elementos principais: a cobertura transparente, a placa coletora, o
isolante térmico e a carcaça. Basicamente, os materiais que compõem estes elementos são:
vidro, alumínio (aletas, chapas e perfis) e tubos de cobre (Lima, 2003).
Para fazer uma boa escolha do tipo de coletor, as características dos elementos que o
constituem têm que ser conhecidas. A cobertura transparente do coletor solar é
tradicionalmente de vidro, que são transparentes à radiação de onda inferior a 3m e opacos às
radiações superiores. Existem vários vidros que se diferenciam por sua composição química,
suas características mecânicas e ópticas, etc. Conforme pode ser verificado na Figura 1, a
placa coletora é tradicionalmente composta de duas placas metálicas de cobre separadas por
uns milímetros, entre as quais circula o fluido portador de calor e é protegida de tinta preta ou
escura para absorver da forma mais eficiente possível a radiação solar e transformá-la em
energia térmica utilizável mediante sua transferência para o fluido portador de calor. O
isolamento térmico do coletor solar tradicional é fibra de vidro, a espuma rígida de
poliuretano e o poliestireno expandido, que tem um coeficiente de dilatação compatível com o
dos demais componentes do painel solar.
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
6
Figura1: Constituintes do coletor solar tradicional
Alumínio é o primeiro nome lembrado quando o assunto é reciclagem. A
reciclabilidade é um dos principais atributos do alumínio e reforça a vocação de sua indústria
para a sustentabilidade em termos econômicos, sociais e ambientais. O alumínio pode ser
reciclado infinitas vezes, sem perder suas características no processo de reaproveitamento, ao
contrário de outros materiais (ABAL – Associação Brasileira de Alumínio).
Conforme pode ser observado no Gráfico 1, o Brasil atingiu o maior nível de
reciclagem de latas da história, chegando a 98% do consumo de 2009. Atrás do País, ficou o
Japão, com 93,4%, e a Argentina, com 92%. O Brasil lidera o ranking há nove anos. Em
2008, o índice foi menor, 91,8%, porque muitos catadores esperaram o preço do metal
melhorar para vender as latas recolhidas. Isso explica a alta substancial no ano passado.
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
7
Gráfico 1: Índice de reciclagem de latas de alumínio (ABAL)
Segundo a ABIVIDRO (Associação Técnica Brasileira das Indústrias Automáticas de
Vidro), o vidro é um material que não se pode determinar o tempo de permanência no meio
ambiente sem se degradar, e também não é nocivo diretamente ao meio ambiente, por isso é
um dos materiais mais recicláveis que existe no consumo humano. O vidro é 100% reciclável
e pode ser reciclado inúmeras vezes, pois é feito de minerais como, areia, barrilha, calcário e
feldspato. Ao agregarmos o caco na fusão, diminuirmos a retirada de matéria-prima da
natureza. (Callister, 1999)
O Gráfico 2 apresenta, de 1991 para 2009, o índice de reciclagem de embalagens de
vidro no Brasil cresceu de 15% para 47%. Essa mudança foi possível depois que a reciclagem
começou a fazer parte da pauta das indústrias, dos políticos e do cidadão comum. A
ampliação das cooperativas de catadores e, indiretamente, a ampliação do sistema de
reciclagem de latas de alumínio ajudaram o crescimento.
Gráfico 2: Evolução da reciclagem de vidro no Brasil (ABVIDRO)
3.3 Modelo teórico
3.3.1 Revisão de Literatura
A primeira parte do projeto foi composta por uma revisão de literatura realizada para a
coleta de dados suficientes para a criação dos bancos de dados propostos. Foram levantados
os mais diversos cases e materiais na internet (sites da ABAL, ABVIDRO, etc. a respeito dos
coletores solares existentes (tradicionais e alternativos) para ter o conhecimento necessário
sobre as partes constituintes do coletor solar de placa plana. Antes da construção de cada
banco de dados foram realizadas revisões de literatura para embasamento teórico e coleta de
dados para concluí-los.
3.3.2 Criação de um banco de dados das propriedades
O método usado na criação dos bancos de dados produzidos pelo projeto foi
estruturado pela ferramenta Microsoft Office Access. Foram criados quatro bancos de dados:
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
8
elementos do coletor solar tradicional; propriedades dos materiais usados no coletor
tradicional; materiais abundantes no lixo urbano; propriedades dos materiais abundantes no
lixo urbano.
As propriedades dos materiais utilizados na fabricação de um coletor solar clássico e
as propriedades dos materiais abundantes no lixo foram emparelhadas, o que determinou
quais materiais descartados que iriam compor parcialmente o coletor, pois há uma sintaxe que
permite a criação de pedidos de busca com parâmetros, semelhante à criação de
procedimentos armazenados pode torná-lo uma ferramenta útil para a conexão entre diversos
bancos de dados.
3.3.3 Construção de um banco de dados - vidro e o alumínio
O emparelhamento das propriedades dos materiais do coletor solar tradicional e dos
materiais abundantes no lixo, realizado no Access, encontrou o “vidro” e o “alumínio” como
materiais potenciais para a substituição parcial. Não são materiais diferentes dos usados
convencionalmente, mas estes materiais serão retirados do lixo ao invés da extração natural.
Devido a impossibilidade de realizar, no projeto, na prática o tratamento destes materiais para
então poder verificar a manutenção das propriedades relativas à eficiência do aquecimento da
água, foi realizado um levantamento de pesquisas com resultados significativos sobre
métodos de reciclagens eficientes do vidro e do alumínio, ou seja, reciclagens que sejam
viáveis economicamente e que mantenham as propriedades desses materiais relativas à
eficiência do aquecimento da água.
3.3.4 Elaboração do modelo teórico do coletor solar viável e sustentável e Protótipo
Após a determinação dos materiais que irão compor parcialmente o coletor solar, foi
elaborado um modelo teórico deste coletor. As características técnicas do coletor solar foram
definidas, especificando qual material será usado em cada parte do equipamento. Por fim, está
sendo construído um protótipo para transformação deste modelo teórico em prática.
4. Modelo teórico de um coletor solar de placa plana mesclando materiais virgens
com materiais reciclados (CSSR)
4.1 Princípio de Funcionamento do Sistema de Aquecimento Solar
O CSSR tem o mesmo princípio de funcionamento do sistema tradicional de
aquecimento solar de água, diferenciando-se somente pelo tipo de material utilizado e da
possibilidade de fácil construção.
O funcionamento do sistema de aquecimento solar se inicia quando a energia solar
irradiante incide sobre a superfície preta dos coletores. A energia absorvida transforma-se em
calor e aquece a água que está no interior do coletor. A água aquecida diminui a sua
densidade e começa a se movimentar em direção à caixa, dando início a um processo natural e
circulação da água, chamado de termo-sifão. Para tanto o reservatório deve estar mais alto que
os coletores. Esse processo é contínuo, enquanto houver uma boa irradiação solar ou até
quando toda água do circuito atingir a mesma temperatura.
Se um coletor for exposto ao sol sem circulação de fluido no seu interior, a
temperatura da placa coletora irá aumentando progressivamente. Essa placa irá armazenando
o calor e, ao mesmo tempo, terá perdas, devido aos fenômenos de condução, convecção e
radiação, as quais aumentam com a temperatura. Chega um momento em que as perdas são
equiparadas à energia recebida pelo sol e a temperatura se estabiliza, sendo atingida a
denominada temperatura de equilíbrio estática, que depende das condições exteriores às quais
estiver submetida à placa (quanto mais frio for o ambiente e mais vento houver, mais baixa
será a temperatura de equilíbrio). Se nesse momento circular um fluido pelo coletor, este
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
9
receberá o calor da placa coletora e irá aumentando a temperatura. Pelo contrário, a
temperatura da placa diminuirá. Mantendo a circulação do fluido estacionária ou constante,
em um determinado momento será atingida uma nova temperatura de equilíbrio, chamada de
temperatura de equilíbrio dinâmica, que é sempre inferior à estática.
A máxima temperatura que um coletor instalado pode atingir é a temperatura de
equilíbrio estática, que é necessário ser conhecida por duas razões:
a) Será a temperatura que a instalação solar atingirá quando estiver parada;
b) A temperatura máxima teórica de utilização da instalação será sempre inferior à
temperatura de equilíbrio estático.
A água aquecida fica armazenada num reservatório termicamente isolado com menor
perda possível de calor para o ambiente. Existe um sistema de apoio térmico, que é formado
por um chuveiro elétrico ligado em série com um dimmer (controlador eletrônico de potência
de um chuveiro elétrico), que permite um ajuste fino na elevação da temperatura da água do
banho.
A tubulação que interliga os coletores, o reservatório e o chuveiro elétrico pode ser
montada com os tubos tradicionais de PVC utilizados normalmente em instalações hidráulicas
residenciais.
4.2 Características Técnicas do Equipamento
A Figura 2 apresenta um esquema dos coletores CSSR que devem ser fabricados nos
moldes de um coletor tradicional. Serão mantidos alguns materiais comumente usados e
alguns reciclados substituirão outros.
Figura 2: Constituintes do CSSR
4.2.1 Placa Coletora
A Placa Coletora tem a missão de absorver da forma mais eficiente possível a radiação
solar e transformá-la em energia térmica utilizável mediante sua transferência para o fluido
portador de calor.
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
10
Existem diferentes modelos, dos quais o de melhor eficiência é composto por: uma
placa metálica de cobre sobre a qual estão soldados ou embutidos os tubos pelos quais circula
o fluido portador de calor. Ao invés de uma placa metálica é possível colocar umas aletas de
cobre nos tubos de cobre.
A placa coletora do CSSR é composta de:
Uma aleta de alumínio reciclado: latinhas de refrigerante/cerveja recicladas (coleta,
prensagem, fundição, lingotamento e laminação);
Uma chapa de alumínio reciclado: latinhas de refrigerante/cerveja recicladas (coleta,
prensagem, fundição, lingotamento e laminação);
Uma serpentina de cobre.
4.2.2 Carcaça
É a encarregada de proteger e suportar os elementos que constituem o coletor solar,
além de servir de enlace com o edifício, por meio dos suportes. Deve cumprir os seguintes
requisitos: rigidez e resistência estrutural; resistência dos elementos de fixação; resistência à
intempérie.
A carcaça do CSSR é composta de um perfil de alumínio reciclado (coleta, prensagem,
fundição, lingotamento e laminação).
4.2.3 Cobertura Transparente
A cobertura transparente é a encarregada de produzir o efeito estufa, reduzir as perdas
por convecção e garantir a estanqueidade do coletor à água e ao ar, em união com a carcaça e
as juntas. O efeito estufa atingido pela cobertura faz com que uma parte da radiação que
atravessou a cobertura e chega à placa coletora seja refletida para a cobertura transparente,
com uma longitude de onda para a qual ela é opaca, retendo a radiação no interior. Esse efeito
define as características da cobertura: alto coeficiente de transmissão da radiação solar; baixo
coeficiente de transmissão para as ondas longas; baixo coeficiente de condutividade térmica;
alto coeficiente de reflexão para a longitude de onda longa da radiação emitida pela placa
coletora. Por causa disso, a face interior da cobertura estará mais quente que a exterior e vai se
dilatar mais, existindo risco de quebra ou deformação, exigindo da cobertura transparente um
coeficiente de dilatação pequeno.
É comum usar uma dupla cobertura ou aumentar a espessura da cobertura transparente
para tentar minimizar as perdas por convecção, mas essas soluções aumentam as perdas por
absorção do fluxo solar incidente, além de encarecer o painel. Os principais materiais
utilizados são vidros, materiais plásticos (sofrem deterioração física e instabilidade química
sob a ação dos elementos exteriores)
A cobertura transparente do CSSR é composta de uma placa de vidro reciclado
(separação magnética, lavagem, catação de impurezas, trituração, peneiração vibratória,
separação magnética, armazenagem)
4.2.4 Isolamento Térmico
A placa coletora está protegida na sua parte posterior e lateral mediante um isolamento
térmico para evitar as perdas de calor para o exterior. A característica principal do isolante é
resistir a altas temperaturas sem se deteriorar. Os materiais mais usados são a fibra de vidro, a
espuma rígida de poliuretano e o poliestireno expandido. Qualquer que seja o material
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
11
escolhido deve ter um coeficiente de dilatação compatível com o dos demais componentes do
painel solar.
O material utilizado no isolamento térmico do CSSR é a fibra de vidro (manufatura).
4.3 Viabilidade da reciclagem dos materiais propostos
4.3.1 Alumínio
O alumínio é um metal leve, macio e resistente. Possui um aspecto cinza prateado e
fosco, devido à fina camada de óxidos que se formam rapidamente quando exposto ao ar. O
alumínio não é tóxico como metal, não-magnético, e não cria faíscas quando exposto a atrito.
O alumínio puro possui tensão de cerca de 20 megapascais (MPa) e 400 MPa se inserido
dentro de uma liga. Sua densidade é aproximadamente de um terço do aço ou cobre. É muito
maleável, muito dúctil, apto para a mecanização e fundição, além de ter uma excelente
resistência à corrosão e durabilidade devido à camada protetora de óxido. É o segundo metal
mais maleável, sendo o primeiro o ouro, e o sexto mais dúctil. Por ser um bom condutor de
calor, é muito utilizado em panelas de cozinha.
Segundo VERRAN et al., a relevância da reciclagem está fundamentada no aumento
crescente do consumo de latas de alumínio, é o que esclarece a ABAL (Associação Brasileira
do Alumínio, 2002) “... gerando atividades de trabalho e renda (aproximadamente R$ 850
milhões/ano), economia de energia, criação de novos mercados, conscientização ambiental e
inclusão social”. O alumínio é o mais importante dos metais não-ferrosos e possui grande
importância industrial devido suas excelentes propriedades físico-químicas, pois segundo
PERRY (1980) “é um metal leve (densidade = 2,7 g/cm3, ou seja, um terço da densidade do
aço), com baixo ponto de fusão (6600C quando na pureza de 99,80%)”, com elevada
resistência específica principalmente na forma de ligas, além de outras propriedades como
longa vida útil, resistência à corrosão, excelente condutor térmico e elétrico, boas
propriedades refletivas e infinitamente reciclável.
Segundo a ABAL (Associação Brasileira do Alumínio, 2004) o Brasil desde 2001
detém a liderança mundial na reciclagem de latas de alumínio, com índices de 85% em 2001,
87% em 2002 e 89% em 2003, o que representa um volume de 121,1 mil toneladas sobre o
total de latas consumidas ABAL (2003).
A lata é 100% reciclável, e o produto dessa transformação pode ser usado para os
mesmos fins de armazenagem originais, o que não ocorre com as garrafas plásticas, que,
depois de recicladas, não podem mais guardar alimentos. Além da manutenção das
características físicas e comerciais do produto, outro fator que torna a reciclagem lucrativa é a
economia de energia e matéria-prima (bauxita). Segundo José Roberto Giosa, da Tomra
Latasa e coordenador da Comissão de Reciclagem da ABAL, cada tonelada de alumínio
reciclado poupa o equivalente a cerca de R$ 9.500, que seriam usados para extrair bauxita. Já
a energia poupada com a reciclagem de latinhas em 2003 seria suficiente para abastecer a
cidade de Campinas (cerca de um milhão de habitantes) por um ano.
Às vantagens competitivas some-se um exército de pessoas que vêem na venda de
latas uma forma até de sobreviver. Não é à toa que a reciclagem de latas movimenta mais de
R$ 850 milhões anuais no país.
4.3.2 Vidro
Os componentes de vidro decorrentes de lixo municipal (lixo doméstico e lixo
comercial) são geralmente: garrafas, artigos de vidro quebrados, lâmpada incandescente, potes
de alimentos e outros tipos de materiais de vidro. A reciclagem de vidro implica um gasto de
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
12
energia consideravelmente menor do que a sua manufatura através de areia, calcário e
carbonato de sódio. 42% das embalagens de vidro são recicladas no Brasil, somando 378 mil
toneladas por ano, que são geradas por engarrafadores de bebidas, sucateiros, vidrarias e
refugos de fábricas.
O vidro é um material ideal para a reciclagem e pode, dependendo das circunstâncias,
ser infinitamente reciclado. O uso de vidro reciclado em novos recipientes e cerâmicas
possibilita a conservação de materiais, a redução do consumo de energia (o que ajuda nações
que têm que seguir as diretrizes do Protocolo de Kyoto) e reduz o volume de lixo que é
enviado para aterros sanitários.
A economia de energia é a principal vantagem do processo, em termos econômicos,
pois reflete na durabilidade dos fornos. O Brasil, no entanto, só recicla 14,2% do vidro que é
consumido, o restante ficando em algum lugar na natureza por tempo indeterminado. O vidro
é um produto 100% reciclável. É possível aproveitá-lo de várias formas. A mais simples e
visível é a embalagem retornável de refrigerante ou cerveja. A utilização dos cacos na
fabricação proporciona, obviamente, uma economia de matéria-prima, além da redução do
dispêndio de energia. Para uma tonelada de vidro reciclado, evita-se a retirada de 1,2
toneladas de matéria-prima da natureza. Quanto à questão energética, em um produto com
10% de cacos, é possível reduzir 4% da energia que seria gasta, segundo a ABVIDRO. Outra
vantagem de reciclar o vidro é que se evita que se jogue na natureza um produto que não é
biodegradável.
4.3.3 Fibra de vidro
Material compósito polímero reforçado com fibra de vidro (PRFV). O PRFV tem alta
resistência à tração, flexão e impacto, é leve e não conduz corrente elétrica, permite ampla
flexibilidade de projeto, possibilitando a moldagem de peças complexas, grandes ou
pequenas, sem emendas e com grande valor funcional e estético.
A resistência química do Fiberglass é determinada pela resina e construção do
laminado. Pode ser produzido em moldes simples e baratos, viabilizando a comercialização de
peças grandes e complexas, com baixos volumes de produção. Mudanças de projeto são
facilmente realizadas nos moldes de produção, dispensando a construção de moldes novos. Os
custos de manutenção são baixos devido à alta inércia química e resistência às intempéries,
inerente ao material.
5. Considerações Finais
A energia solar é uma energia limpa, não poluente, confiável, racional, que não requer
manutenção e não consome nenhum combustível. No Brasil, onde somos privilegiados pelo
Sol, mas o custo de utilizar sistemas de aquecimento solar ainda é caro para se tornar algo
comum em todas as casas. Visto que o mundo encontra-se em um cenário energético
desfavorável, torna-se fundamental o uso destes sistemas solares em residências, comércios
(hotéis, restaurantes, etc.) e indústrias.
Com esse simples projeto, esperamos contribuir na conscientização das pessoas, o que
juntos poderemos fazer pelo meio ambiente e pelo os graves problemas sociais. Imagine o
volume de latas de alumínio e cacos de vidros outros descartáveis, que poderemos tirar do
meio ambiente, com a reciclagem direta na aplicação no aquecedor solar, ou em outros
projetos existentes.
Conclui-se que o modelo de coletor solar proposto, que viabiliza financeiramente a
aquisição de um sistema de aquecimento solar e ainda ajuda a preservação do meio ambiente
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
13
por meio da reciclagem, pode ser uma das soluções para iniciar uma cultura solar a baixo
custo. Usar aquecimento solar é um ato de desenvolvimento e racionalidade sob todos os
aspectos.
Referências
ABAL. (15 de Maio de 1970). Associação Brasileira do Alumínio. Acesso em 01 a 30 de Novembro, Dezembro
de 2010, disponível em ABAL: http://www.abal.org.br
ABVIDRO. (11 de Abril de 1962). Associação Técnica Brasileira das Indústrias Automáticas de Vidro. Acesso
em 01 a 30 de Novembro, Dezembro de 2010, disponível em ABVIDRO: http://www.abvidro.org.br
ABRAVA. Introdução a aquecedores solares - O aquecedor solar de água para o setor elétrico e para o usuário
final. São Paulo: ABRAVA, Cap. 1, p.5-6, 1996.
ABREU, S. L.. Utilização da Energia Solar em Substituição a Chuveiros Elétricos, Fontes Não Convencionais
de Energia – As Tecnologias Solar, Eólica e de Biomassa, Laboratório de Energia Solar, UFSC, Florianópolis,
Brasil, 2000.
ALTENER, Fontes de Energias Renováveis. GREENPRO: Manual e Guia Técnico sobre tecnologias, projeto
e instalação. Portugal: 2004.
ALVARENGA, C. A. – Energia Solar. Lavras: UFLA / FAEPE, 2001.
ARRUDA, L. B. Operação de sistemas de aquecimento solar de água com controle de vazões em coletores
planos. São Paulo: Tese de doutorado, Escola Politécnica da USP, 2004.
BARBIERI, J. C. Desenvolvimento Sustentável Regional e Municipal: Conceitos, Problemas e Pontos de
Partidas. Administração ONLINE Prática - Pesquisa – Ensino. FGV e FECAP Volume 1 – nº 4, 2000.
CABIROL, T. O aquecedor solar de água. Lisboa: Edições Cetop, 1980
CALDERONI, S. Os Bilhões Perdidos no Lixo. 4 ed. - São Paulo: Humanitas, 2003.
CALLISTER, William D. Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC,
c2002.
CARDOSO, F. F.; et. al. Conservação de energia e uso de energias alternativas. Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo. São Paulo, 2005.
CAVALCANTI, Evandro Sérgio Camêlo; LOPES, José Demerval Saraiva. CENTRO DE PRODUÇÕES
TÉCNICAS. . Energia solar para aquecimento de água. Viçosa, MG: CPT, 2001. 84p (Energia alternativa;)
GREEN SOLAR - Grupo de Estudos em Energia. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.
www.green.pucminas.br; acesso em 10/05/2010.
HIRSCHEBERG, J. Medidas das propriedades óticas e mecâncias dos vidros utilizados como isolantes em
placas de captação solar. Anais do V Congresso Brasileiro de Energia, vol. I p. 354 (1990).
HOLMAN, J. P. Transferência de Calor. Trad.: São Paulo: McGraw-Hill, 1983.
KEPPELER, R. O. ; CORBELLA, O.D. Características Óticas de Coberturas de Coletores Solares. Anais do
II Congresso Latino-Americano de Energia Solar, p321-344, João Pessoa PB, 1979.
KREITH, F. Princípios da Transmissão de calor ; tradução da 3. ed. Americana por Eitaro Yamane. São Paulo:
Editora Edgard Blücher Ltda., 197.
SIMONETTI, Talita Moro; THEODORO, Adriane S. A.. Aquecedor Solar – integrando desenvolvimento
sustentável e qualidade de vida. Encontro de Engenharia e Tecnologia dos Campos Gerais: Ponta Grossa, PR.
SOCIEDADE DO SOL. Manual de Manufatura e Instalação Experimental do ASBC – Aquecedor Solar de
Baixo Custo.
SOUZA, L. G. M., 2006, Sistema de aquecimento solar de água para aplicações residenciais utilizando materiais
alternativos, IV CONEM, recife, 2006.
XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovação Tecnológica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produção na Consolidação do Brasil no
Cenário Econômico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.
14
VAN WYLEN, Gordan John; SONNTAG, Eichard E; ZERBINI, Euryale de Jesus. Fundamentos da
termodinâmica clássica. 2. ed São Paulo: Edgard Blucher, 2003. 589 p ISBN 852120135-4 (Broch.)