SOLAR ENERGY AS AN ALTERNATIVE SOURCE OF ENERGY FOR DOMESTIC USE
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7632561
Francisco das Chagas Soares
Célio Aécio Medeiros Borges
Gilvan Moreira da Paz
Reges Carvalho dos Santos
Francisco de Paulo Vieira Lima
Roniele Pereira da Silva
Marcos Lima Dias
Acácio de Andrade Pacheco
Resumo
Neste trabalho é apresentada uma avaliação da viabilidade de uso de um aquecedor solar parabólico como fonte alternativa de energia. A energia necessária para mudar a temperatura da água desde a temperatura ambiente até a temperatura de ebulição em condições ambientes foi avaliada. A construção do parabolóide espelhado foi feita a partir da construção de uma base de sustentação. Em seguida, realizou-se o preenchimento da base com chapa de ferro, após ser concluído o preenchimento, revestiu-se a superfície interna com vidro espelhado de 2mm concluindo assim a montagem do parabolóide espelhado. Foi utilizado vidro espelhado para reflexão da luz incidente em um espelho côncavo, paralela ao seu eixo principal. Durante as experiências foi colocado no foco do sistema parabólico um recipiente de aço de 0,08 kg contendo água para observar seu aquecimento através da reflexão da luz, obtendo-se um tempo médio de aquecimento de 7,4 minutos.
Palavras–chave: Aquecedor solar, aquecimento da água, parabolóide, espelho.
ABSTRACT
This work is presented as an evaluation of the feasibility of using a parabolic solar heater as an alternative source of energy. The energy required to change the water temperature from ambient temperature to the boiling temperature in ambient conditions was evaluated. The construction of paraboloide mirrored was made from assembling a support base. Then, filling the base with iron plate, after being completed filling, took to the surface indoor pool with mirrored glass of 2 mm thus completing the assembling of paraboloide mirrored. Mirrored glass was used for reflection of light incident on a concave mirror, parallel to the main axis. During the experiments, the focus of the parabolic system is a steel container of 0.08kg containing water to observe your heating through the reflection of light, obtaining an average time of heating of 7.4 minutes.
Keywords: Solar Heater, water heater, paraboloide, mirror.
1 INTRODUÇÃO
A humanidade sempre buscou formas de obter e controlar as diferentes formas de energia. Atualmente o petróleo é o meio mais utilizado para a obtenção de energia tanto para fins domésticos (cocção de alimentos) quanto para transporte (motores de combustão interna) e atividades industriais. No entanto alguns países criaram alternativas para a diminuição ou substituição dos combustíveis oriundos do petróleo, foi o caso do Brasil com a implantação do programa nacional do álcool – Proálcool – em 1975, programa este que se destina a misturar o etanol à gasolina e também à utilização de veículos que utilizassem apenas o etanol como combustível (SOARES, 2009).
Após um período de quinze anos de baixa do etanol, devido principalmente à baixa nos preços do petróleo, a produção de etanol voltou a crescer devido principalmente a duas ações: a primeira delas foi a partir de 2003 onde os Estados Unidos passaram a substituir o étermetil – terbutílico – MTBE – que era aditivo da gasolina – por etanol e a segunda foi a introdução no Brasil em 2003, de veículos com motores movidos a álcool e gasolina (ANDRIETA; STECKELBERG e ANDRIETA, 2008, ROSA; GARCIA, 2011).
Com o aumento crescente das preocupações com mudanças climáticas, como aquecimento global e a degradação da camada de ozônio, alguns países como o Brasil e os Estados Unidos passaram a adotar algumas metas como a mistura do etanol à gasolina e também a mistura de biodiesel ao diesel mineral (ANDRIETA; STECKELBERG e ANDRIETA, 2008).
Diante dessas preocupações, diversos trabalhos na literatura procuraram alternativas de obtenção de energia para que se possa diminuir a emissão de gases “poluentes” que entre outras contribuições causam o efeito estufa, e que ao mesmo tempo seja de baixo custo para favorecer as famílias de baixa renda (DACHERY, 2018, BOURKE; BANSAL, 2012, HELAL, 2014, ADSTEN, 2005, TCHINDA, 2008). Como alternativa para substituição do GLP, tem-se o biogás, obtido através de biodigestores e em estações de tratamento de resíduos do lixo. Pode-se complementar essa alternativa com o uso da energia emitida diariamente pelo sol.
O Sol é uma grande fonte de energia para nosso planeta e sua superfície emite radiação em uma larga faixa cujos comprimentos de onda se espalham em uma larga faixa de aproximadamente 300 nm a 4000 nm do espectro eletromagnético conforme mostra a figura 1. A radiação solar mais intensa está na região que definimos como visível, e a intensidade radiante do sol tem valor de pico num comprimento de onda em torno de 550nm. Aproveitamos parte dessa energia, principalmente em sua forma luminosa, na qual temos várias formas de captação. Entre elas destacam-se a captação por espelhos e a captação por placas, para aquecimento da água, além da utilização de células fotovoltaicas para a conversão da energia eletromagnética em energia elétrica (SOARES, 2009).
Figura 1: Espectro de radiação solar.
Fonte: (Laboratório de Física – UFPI)
A potência da energia emitida pelo sol fora da atmosfera tem valor de 1400 W/m2 apresentando na atmosfera um valor de 1000 W/m2, devido a absorção pelas camadas da atmosfera e parte é distribuída para algumas atividades naturais tais como a energia utilizada pelas plantas para a realização de fotossíntese (COMETA, 2004, FIGUEREDO; PIETROCOLA, 2000).
Os estados do Nordeste estão localizados em uma região que apresenta altos índices de insolação quando comparado com outras regiões do planeta. A cidade de Teresina particularmente, está localizada a 72 metros de altitude e coordenadas geográficas 05º 05′ 21″ de latitude sul e 42º 48′ 07″ de longitude oeste. Estas coordenadas contribuem para a incidência quase direta da radiação solar e, como consequência, o calor intenso durante praticamente todo o ano (RELÓGIOS DE SOL, 2018). O aproveitamento de parte dessa energia incidente sobre esta região, para uso doméstico, favoreceria as finanças de uma família, uma vez que seria a custo zero. Principalmente em região que apresentam famílias de baixa renda. A captação de energia através de sistemas parabólicos representa uma forma alternativa com baixo custo para estas famílias com o aproveitamento, por exemplo, para o cozimento dos alimentos que é uma necessidade diária.
Este trabalho tem como objetivo avaliar a utilização da energia proveniente das ondas eletromagnéticas emitidas pelo Sol, principalmente na forma luminosa, para uso doméstico.
2 METODOLOGIA
Para a realização deste trabalho, inicialmente foi necessário a construção de uma estrutura parabólica denominada parabolóide – um sólido obtido através da revolução de uma parábola em torno de um dos eixos de coordenadas (STEINBRUCH; WINTERLE, 1987). A estrutura foi formada por 12 arcos de 61 cm de comprimento lateral, construídos com barras de aço de ½’’x 1/8’’ fazendo ângulos de 30o de abertura como é mostrado na figura 2.
Figura 2: Estrutura de sustentação do paraboloide.
Fonte: Autor, 2009.
Após a construção da estrutura de sustentação, foi realizado o preenchimento do esqueleto com chapa de ferro nº 22 de dimensões 3m x 1m como ilustra a figura 3, totalizando uma área de 2,4 m2 (SWOKOWSKI, 1989).
Figura 3: Preenchimento da estrutura de sustentação com chapa nº 22.
Fonte: Autor, 2009.
Em seguida, após o término do preenchimento, foi realizada a pintura do parabolóide para em seguida ser feito o revestimento da área interna com material refletor. Para se ter uma melhor compreensão das dimensões do parabolóide, a figura 4 o mostra pintado e com uma panela em seu foco.
Figura 4: Paraboloide pintado.
Fonte: Autor, 2017.
O processo de revestimento da área interna (da concavidade do parabolóide) foi iniciado com a aquisição de 2,4m2 de espelho de 2 mm de espessura e em seguida cortado em pedaços de 2 cm x 4 cm, para posteriormente serem colados sobre a superfície interna do parabolóide como é mostrado na figura 5 (AKERMAN, 2019).
Figura 5: Paraboloide parcialmente revestido com espelho.
Fonte: Autor, 2018.
Após o revestimento da parte interna ser concluído, foi realizado o experimento com um recipiente de aço, com massa de massa 8 * 10-2 kg e calor específico 486J/ kg. K, localizado no ponto onde ocorre a convergência dos raios solares no aparato montado para a realização do experimento. Na figura 6 tem-se uma ilustração da luz concentrada no fundo do recipiente que continha água destilada e que estava em aquecimento (PINZON, 2018, CSN, 2019).
Figura 6: Luz concentrada no fundo do recipiente contendo água.
Fonte: Autor, 2018.
3 Resultados
Os primeiros testes foram realizados em março, iniciando às 10h25 minutos, onde a temperatura ambiente era de 26,5ºC. A temperatura da água teve uma elevação como é mostrada na figura 7, chegando à temperatura de ebulição em aproximadamente 9 minutos. Após estes primeiros testes, foi possível observar que o recipiente por possuir um revestimento anticorrosivo, refletia uma fração da energia luminosa que incidia no fundo do recipiente. Para diminuir esse efeito, a superfície externa do recipiente foi pintada na cor preta, possibilitando assim uma melhor absorção da energia incidente no recipiente.
Figura 7: Elevação da temperatura com o tempo.
Fonte: Autor, 2018.
Nos dias seguintes que foram possíveis de realizar o experimento e após a pintura do recipiente, foram feitas observações e coletados dados do tempo de aquecimento da água desde a temperatura ambiente até a ebulição e com isso foi obtida uma tabela desses resultados.
Tabela 1. Tempo de aquecimento da água em diferentes dias e horários de observação.
Fonte: Autor, 2018.
Após a realização das experiências, os dados obtidos foram expostos na tabela 1 e com esses dados foi obtido um tempo médio de aquecimento de 7,37 minutos com o recipiente pintado de preto. Para que se tivesse uma comparação entre o comportamento do aquecimento da água no recipiente antes da pintura e após a pintura, foi feito um gráfico, mostrado na figura 8, onde se percebe que o recipiente pintado de preto absorve mais energia do sol e assim alcança a ebulição em um tempo menor que no início das experiências, onde o recipiente não estava pintado.
Figura 8: Comportamento do recipiente antes e após a pintura na cor preta.
Fonte: Autor, 2018.
Para que se tivesse uma noção mais precisa da eficiência do aparato que foi construído, foi feita uma observação do comportamento da temperatura da água quando levemente aquecida e depois colocada em contato com ar do ambiente onde foram realizados os experimentos, para medir com que taxa o ar recebe calor da água fazendo com que sua temperatura diminua. Estes resultados desta observação são mostrados na figura 9.
Figura 9: Comportamento da temperatura da água.
Fonte: Autor, 2018.
Com base nos dados da figura 9 foi determinado um valor para a capacidade térmica do ar do ambiente onde foram realizados os experimentos. Com esse valor para a capacidade térmica (C = 1954,22J/K) é possível encontrar a energia que a água cede para o ar e também a eficiência do parabolóide.
A energia que o ar recebe da água durante o processo de aquecimento, considerando que o ar sofre uma variação de temperatura de 73 °C é Q = 0,14MJ e, a eficiência do parabolóide é de 67,18%.
4 ANÁLISE E Discussão DOS RESULTADOS
Nesta seção é feito uma exposição de alguns cálculos relevantes para a execução desse trabalho, tais como a energia necessária para variar a temperatura da água desde a ambiente até alcançar a ebulição, energia absorvida pelo recipiente onde se coloca a água e energia trocada com o ambiente.
4.1 Energia absorvida pela água até chegar à ebulição
Para que a temperatura da água mude da temperatura ambiente até a temperatura de ebulição, a energia absorvida ou calor sensível é igual ao calor que provoca essa variação de temperatura, e determinado pela equação (PENTEADO; TORRES, 2005, HALLIDAY; RESNICK e WALKER, 2016):
Onde m é a massa de água que aqui se utilizou 500g, c é o calor específico da água c, e (tf-ti) = ∆t é a variação de temperatura, sendo ti = 27oC a temperatura ambiente e tf =100 oC a temperatura de ebulição da água nas condições ambientes, portanto :
4.2 Energia absorvida pelo recipiente
Ao se colocar a água no recipiente e este for levado ao ponto onde ocorre a convergência dos raios solares, a incidência de luz se dará inicialmente no recipiente e por condução o calor se propaga no recipiente e em seguida é trocado com a água que este contém (HALLIDAY, RESNICK e WALKER, 2016). A energia absorvida por este recipiente QR é encontrada também fazendo uso da equação (1). Assim a energia absorvida pelo recipiente será:
4.3 Energia trocada com o ambiente externo
Para se conhecer a energia cedida para o ar do ambiente onde foram realizadas as experiências, foi feita uma observação da temperatura da água desde 50°C até 39°C para se medir o calor cedido para o ar, a capacidade térmica do ar e assim determinar a eficiência do paraboloide.
Para essa observação as trocas de calor ocorrem entre o ar do ambiente, o recipiente e a água. A equação para essa situação é dada por (HALLIDAY, RESNICK e WALKER, 2016):
A variação de temperatura para a água e para o recipiente nas trocas de calor é de -11°C. A temperatura inicial do ar era de 27°C e a temperatura final da observação era de 39°C. Assim tem-se:
Dos valores acima, obtém-se o valor para o calor cedido para o ambiente de QA = 23450,68J.
Conhecendo o calor cedido para o ar, é possível conhecer a capacidade térmica do ar pela seguinte equação (HALLIDAY, RESNICK e WALKER, 2016):
Nesta equação C é a capacidade térmica, Q é o calor recebido ou cedido e Δθ é a variação de temperatura ocorrida. Assim a capacidade térmica do ar será:
Assim a quantidade de calor cedida para o ambiente durante as experiências para uma variação de temperatura de 73°C será dado pela mesma equação (3).
4.4 RENDIMENTO DO PARABOLOIDE
Neste trabalho foi proposto avaliar a possibilidade de utilização de um aquecedor solar parabólico como fonte alternativa de energia. O aquecedor foi elaborado considerando-se que a potência da radiação solar na atmosfera é de 1000 W/m2.
O rendimento de um equipamento é dado pela relação entre a energia útil e a energia total.
Levando em conta esse critério, o sistema construído apresentou um rendimento de 67,18%.
5 Conclusões
O sistema construído apresentou um bom rendimento e atendeu às expectativas deste trabalho, pois nas experiências, variou a temperatura da água desde a temperatura ambiente até a de ebulição em um intervalo médio de tempo de 7,4 minutos.
Alguns fatores como (I) a construção do sistema parabólico ter sido artesanal, não resultando em uma superfície perfeitamente parabólica, (II) ainda com a utilização do vidro espelhado ocorre uma variação de temperatura de 2°C na parte externa do parabolóide, provocada pela absorção e pela transmissão de calor que ocorreram no vidro espelhado, acabaram provocando problemas como o desvio de parte da luz incidente na superfície de concavidade. A correção destes fatores acarretaria em uma diminuição considerável do tempo de aquecimento da água, já que haveria um aproveitamento de maior parte da energia incidente.
Como possíveis aplicações deste dispositivo, pode-se citar seu uso como fonte de aquecimento para a síntese de biodiesel, concentrador de luz para estudo de materiais fotoelétricos e energia alternativa e complementar para uso em residências.
REFERÊNCIAS
ADSTEN, M., HELGESSON, A., KARLSSON, B., Evaluation of CPC-collector designs for stand-alone, roof- or wall installation, Solar Energy, Volume 79, Issue 6, Pages 638-647, Dec. 2005.
AKERMAN, M. O VIDRO EM NOSSAS VIDAS disponível em < https://abceram.org.br/comissao-de-vidros/gotas-de-vidro/o-vidro-em-nossas-vidas/>, acesso em 04/mar. /2019.
ANDRIETA, M. G. S.; STECKELBERG, C; ANDRIETA, S. R. Bioetanol – Brasil, 30 anos na vanguarda, Multiciência, out. 2008.
BOURKE, G., BANSAL, P., New test method for gas boosters with domestic solar water heaters, Solar Energy, Pages 78 – 86, 2012.
COMETA, E., Energia solar: utilização e empregos práticos, São Paulo – SP, editora Hemus, 2004.
CSN. MERCADO GLOBAL DO AÇO, disponível em <http://www.csn.com.br/conteudo_pti.asp?idioma=0&conta=45&tipo=59647&id=224888 >, acesso em 23/fev. /2019.
DACHERY, J. M., Países investem e buscam fontes alternativas de energia, disponível em <http://www.energiasrenovaveis.org/>, acesso em 20/fev. /2018.
FIGUEREDO, A., PIETROCOLA, M. Física um outro lado, São Paulo – SP, editora FTD, 2000.
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, v. 2, 2016.
HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentos de Física. 10. ed. Rio de Janeiro: LTC, v. 4, 2016.
HELAL, O., CHAOUACHI, B., GABSI, S., Design and thermal performance of an ICS solar water heater based on three parabolic sections, Renewable Energy, pages 331e344, 2014.
PENTEADO Paulo César M., Carlos Magno A. TORRES. Física: Ciência e Tecnologia. 1. Edição, São Paulo – SP, Editora Moderna, vol. 2, 2005.
PINZON, A. V. Embalagens de aço, disponível em <http://www.abeaco.org.br/latas.html>, acesso em 23/fev. /2018.
RICARDO. RELÓGIOS DE SOL, disponível em <http://www.relogiosdesol.blogspot.com/2009/11/coordenadas-geograficas-das-capitas-dos.html>. Acesso em 15/ago. /2018.
ROSA, S. E. S., GARCIA, J. L. F. O Etanol de Segunda Geração: Limites e Oportunidades, Revista do BNDES Nº 32, p. 117 – 155, mar. /2011.
SOARES, F.C.; Aquecedor Solar Paraboloide: uma avaliação da viabilidade de uso como fonte alternativa de calor para uso doméstico. 2009. Trabalho de Conclusão de Curso (Licenciatura em Física) – Universidade Federal do Piauí, Teresina, 2009.
STEINBRUCH A, WINTERLE, P. Geometria Analítica, 2. ed., São Paulo, editora Makron Books 1987.
SWOKOWSKI, E. W. Cálculo com Geometria Analítica, 2. ed., Marquette university, 1989.
TCHINDA, R., Thermal behaviour of solar air heater with compound parabolic concentrator, Energy Conversion and Management, Volume 49, Pages 529-540, apr. 2008.