Energia solar

Uma alternativa sustentável

(07) Projeto de coletor solar

O princípio de funcionamento por termossifão é o que melhor se adapta a sistemas simples, como o do nosso projeto. É preciso, no entanto, que haja a possibilidade de instalar o coletor solar com o barramento superior do coletor ligado ao retorno de água quente  sempre abaixo do nível inferior  (fundo da caixa ou reservatório). É indicado que essa diferença seja, no mínimo, de 30 centímetros e, no máximo, de 3 metros. Essa diferença de altura é necessária para garantir a circulação da água no coletor pela diferença de densidade entre a água quente e a fria. À medida que a água esquenta nas colunas do coletor, ela sobe para a parte superior da caixa ou reservatório pressionada pela água fria que, por ser mais densa, flui para a parte inferior do coletor e empurra a água quente para cima.

 Atenção: para que haja essa circulação autônoma, é necessário que o retorno de água quente, fique inserido na água da caixa. O efeito é idêntico ao dos aquecedores convencionais com sistema termossifão existentes no mercado, diferenciando-se apenas pelos materiais de fabricação. Esse processo de circulação ocorre enquanto houver radiação solar.

Apesar de simples, o projeto contém detalhes indispensáveis na sua confecção e no seu funcionamento. O dimensionamento do coletor solar em relação à caixa d’água ou acumulador é importantíssimo. Para limitarmos a temperatura a níveis que mantenham a rigidez do PVC (temperatura máxima de 55ºC), sem causar o amolecimento dos mesmos, e por consequência comprometer a estrutura do coletor solar na parte superior, causando vazamentos. Deve-se tomar cuidado, também com o limite de temperatura do reservatório.

Estimativa de materiais:

Materiais que dependem da quantidade de pessoas:

N= número de pessoas que o sistema abastecerá.

Materiais que não dependem da quantidade de utilização:

Na lista acima estão, apenas, incluídos os materiais a serem utilizados na placa coletora solar. A ligação com a caixa d’água e os dispositivos internos a esta devem ser analisados caso a caso.

Garrafas PET:

Recomenda-se o uso de garrafas PET transparentes sem coloração, mais especificamente, garrafas de Coca-Cola ou Pepsi. Essas garrafas tem um formato mais adequado e não tendem a absorver o calor, evitando assim, deformações que danificariam a estrutura hidráulica.

Para facilitar o corte das garrafas, sugerimos a construção de um gabarito muito simples utilizando dois tubos de PVC de 100 mm nas seguintes medidas:

Garrafas da marca Coca Cola: 31 cm

Garrafas da marca Pepsi: 29 cm

Com os tubos nas dimensões corretas proceda com um corte longitudinal (vertical) no tubo o que possibilitará a introdução da garrafa no mesmo, servindo como régua para corte das garrafas como ilustra os desenhos abaixo.

Dica para preservar as garrafas: Após o consumo do refrigerante, lave bem a garrafa e deixe escorrer a água. Leve à geladeira por 2 min sem a tampa e ao retirar da geladeira, tampe-a rapidamente. O ar frio no interior da garrafa voltará à temperatura ambiente, expandindo-se no interior da garrafa impossibilitando que ela se amassasse quando guardada em lugar frio, até a sua aplicação no coletor solar.

Embalagens longa vida:

As embalagens longa vida têm em sua composição, 5% de alumínio, 20% de polietileno e 75% de papel, o que dificulta sua coleta como apenas papel, exigindo equipamentos especiais na separação desses três materiais. São poucas as empresas especializadas em tal processamento, o que desestimula os catadores.

A aplicação das embalagens neste projeto oferece excelentes resultados, pois a combinação dos três materiais evita que se deformem na temperatura a que serão submetidas, dentro das garrafas PET, ao contrário do papel comum. Vale lembrar que, quando vazias as caixas devem ser abertas na parte de cima lavadas e deixadas escorrendo a água, caso contrário, teremos a formação de microrganismos e forte mau cheiro.

Para guardá-las você deve proceder com a planificação das mesmas, ou seja, achatá-las, para tanto basta descolar as orelhas laterais em seus quatro cantos e apertar no corpo da embalagem, de modo a retirar o ar contido dentro de seu corpo, deixando- a pronta para os cortes e dobras, diminuindo assim o volume e ocupando menos espaço na estocagem.

  1. Com a caixa de leite montada, descolar as orelhas (a) dos quatro cantos.
  2. Em seguida, pressione a caixa para que ela amasse e fique planificada. Corte com 22,5cm (c) de comprimento e dobre as laterais, nos bicos (b) existentes na caixa.
  3. A caixa com as laterais dobradas.
  4. Dobre as pontas (d) em diagonal para ajustá-las ao desenho da garrafa e também as duas pontas da parte inferior (e) no corte de 7cm, para o encaixa da próxima garrafa.

Realizadas todas as dobragens necessárias, poderemos iniciar agora o processo de pintura das embalagens longa vida pós-consumo. Devemos pintá-las com tinta esmalte sintética preta fosca secagem rápida para interiores e exteriores, usada para ferro, madeira, entre outros. Evite a tinta em spray, pois se trata de um produto mais caro e o resultado final é o mesmo da tinta convencional. Deve-se dar preferência as latas de 1 litro. Utilize-se de um rolo ou um pincel na aplicação da tinta.

O lado que deve ser pintado é aquele que contém a superfície lisa, o que contém a emenda da embalagem deve permanecer voltado para baixo.

Tubos de PVC:

Os tubos das colunas do coletor solar devem ser cortados de acordo com os tipos de garrafas PET pós-consumo que dispomos. Veja, abaixo, a medida que melhor se enquadra:

Garrafas da marca Pepsi: 100 cm

Garrafas da marca Coca-Cola: 105 cm

Para garantir a uniformidade no tamanho dos tubos utilizaremos um gabarito para proceder com este corte. Essa metragem é muito importante porque a variação de tamanho do tubo pode resultar em vazamentos de água ou mal encaixe das conexões entre as colunas.

O gabarito nada mais é do que uma tábua de madeira e alguns pregos. Na parte de cima da madeira pregue 5 pregos como mostra a figura abaixo, a distância entre eles é o diâmetro do tubo de PVC, assim em cada lateral do tubo haverá um prego, enquanto que o prego na parte de cima servirá de apoio para que o tubo não ande pelo gabarito possibilitando sempre um corte parelho e homogêneo dos tubos de PVC.

Marque partindo do prego que está na posição mais alta a medida a ser cortada e coloque outros dois pregos alinhados na lateral do tubo. Esses dois novos pregos marcarão a distância em que será cortado o tubo e servirão de régua para o arco de serra. Lembre-se que se você estiver trabalhando com tamanhos diferentes de garrafa deverá cortar todos os tubos no tamanho da marca Coca Cola, pois caso contrário não haverá como encaixar os tubos, pois as colunas terão tamanhos diferentes.

Depois do corte, lixe as extremidades do tubo a fim de retirar qualquer rebarba que tenha permanecido. Antes de pintarmos os tubos das colunas com a mesma tinta aplicada nas caixas, devemos isolar com fita crepe comum as duas extremidades, onde mais tarde serão encaixadas as conexões “T”. Para este encaixe, se fará necessário a remoção deste isolamento mais tarde.

Para aquecer água para uma pessoa serão necessários dez tubos da mesma medida, logo se forem quatro pessoas serão quarenta tubos a serem cortados e pintados. Depois que cada tubo foi devidamente cortado e pintado, podemos proceder com o corte dos tubos que ficarão na parte superior e inferior ligando uma coluna a outra no aquecedor solar.

Esses tubos, também de 20 mm ½”, promoverão a ligação de uma coluna a outra, que serão os “tubos de distanciamento” e devem ser cortados com 8,5 cm e não necessitam ser pintados. Esta medida é padrão a todos os coletores, não importando os tipos de garrafas utilizadas.

A montagem é muito simples, se seguirmos a ordem na colocação dos componentes, e tendo o cuidado de usarmos a cola para tubos de PVC, somente nos tubos e conexões da parte superior do coletor onde circula a água quente. Na parte inferior devemos apenas encaixá-los com a ajuda de um martelo de borracha, o que facilitará a manutenção, se necessário, simplesmente desencaixando a barra inferior. Se fossem coladas teriam de ser cortadas, com a perda de todas as conexões e tubos de distanciamento.

Para formar o barramento superior, utilizaremos 5 conexões “T” e 5 tubos de 8,5cm. Cole um dos tubos a uma conexão “T” e esta conexão a outro pedaço de tubo. Nesse processo é importantíssimo o alinhamento dos tubos. Utilize uma superfície plana para ajudar nessa tarefa, tubo mal alinhado resultará em vazamento durante o funcionamento do aquecedor solar. Lembre-se de utilizar a cola de PVC em pote com pincel, pois a cola em tubo desperdiça muito e não é prática em uso.

Para formar o barramento inferior proceda da mesma forma que o barramento superior, simplesmente não utilizando a cola de PVC, e em seu lugar usar um martelo de borracha para apenas encaixar os tubos nas suas devidas conexões. É interessante utilizar um pedaço de madeira/ripa como apoio para não bater com o martelo diretamente nas conexões e nos tubos para evitar trincas, fissuras ou até mesmo quebrar as peças. Lembre-se que o alinhamento das conexões com os tubos é muito importante para evitar vazamentos.

Preparação para a montagem:

Nessa etapa verificaremos se as garrafas PET estão adequadas para o uso e montagem do aquecedor, para tanto encaixaremos umas nas outras de cinco em cinco, simulando a montagem das colunas do aquecedor. Essa primeira montagem serve para conseguirmos identificar problemas, como mau encaixe, garrafas que estão amassadas e, portanto, não encaixam direito. As garrafas que estiverem com qualquer defeito, devem ser deixadas de lado neste momento.

Montagem:

Encaixe das colunas:

Nesta etapa colaremos os tubos que foram pintados anteriormente, nos ´Ts´, que compõem o barramento superior. Não se esqueça de retirar as fitas crepe das pontas dos tubos.

Feito isso, proceda com o encaixe das primeiras garrafas PET, cada uma em sua respectiva coluna. Haverá garrafas onde não foi possível retirar todo o rótulo, ou ainda resta um pouco de cola, para sanar este problema basta girar a garrafa deixando o rótulo ou cola na parte de baixo que ficará escondida e não receberá luz solar diretamente e desse modo não comprometerá o funcionamento do aquecedor.

O motivo de aplicarmos no máximo 5 garrafas por coluna, visa não dificultar a instalação do coletor solar em relação à altura da caixa d’água ou reservatório, conforme abordado anteriormente em circulação por termo sifão.

Encaixe das embalagens longa vida:

Com as cinco colunas devidamente preenchidas com uma garrafa PET em cada, necessitamos agora posicionar a embalagem longa vida, que já foi pintada e dobrada anteriormente. Quando for encaixar a embalagem longa vida, tomar o cuidado de deixar o tubo de PVC por cima da embalagem, ou seja, a embalagem longa vida deve ficar atrás do tubo, com a face que foi pintada de preto para cima. E as dobras para trás. Repita o processo até chegar o número de cinco garrafas.

Sempre que for proceder com o encaixe de uma nova garrafa, segure o módulo pela parte superior e encaixe a nova garrafa, para que as que já foram pré-encaixadas anteriormente não saiam de alinhamento, nem sobrem folgas entre as garrafas o que pode afetar o desempenho do aquecedor mais tarde.

Lembramos que cada coluna deverá ter cinco garrafas do mesmo formato e tamanho. Se você dispõe de formatos diferentes de garrafas faça cada coluna com um tipo e alterne na montagem dos módulos.

Você notará que mesmo com as 5 garrafas PET, sobra um espaço no qual será necessário apenas o gargalo de uma 6a garrafa para vedar o fundo da 5º garrafa. Por isso a diferença entre o numero de PET e o nº de embalagens longa vida. Deverá se fazer um corte para adaptar a garrafa extra a sobra do tubo.

Este corte pode ser feito utilizando uma tesoura e recortando a garrafa de baixo para cima seguindo uma trajetória em espiral. Valendo-se do fato de que a garrafa PET já está sem o fundo por ter sido cortado anteriormente.

Devidamente montada cada coluna, agora basta finalizar o módulo pela adição do barramento inferior, que deverá ser apenas encaixado nas colunas com o auxílio do martelo de borracha e de uma pequena ripa para absorver a maior parte do impacto e não trincar ou quebrar os tubos e conexões na hora do encaixe.

Para aquecer água para uma pessoa são necessários dois módulos de cinco colunas, como este que acabamos de construir.

Fita de autofusão:

Agora que os módulos estão prontos, certifique que todas as embalagens longa vida estão alinhadas e voltadas para cima, e que não há nas garrafas PET pedaço de rótulo ou cola que não estejam voltados para baixo, se estiver tudo devidamente alinhado, aplique no bocal da primeira garrafa que está encostado na conexão “T” um pedaço de fita de autofusão. Essa fita isolará e colará o bocal na conexão “T” não permitindo que a coluna inteira se movimente. Você também pode substituir a fita de auto fusão por tiras de borracha (ex.: câmaras de ar), sem perda de eficiência. Esse material evita a fuga de calor do interior da coluna e impede que o vento gire as garrafas, tirando as embalagens longa vida pós-consumo da posição voltada para o Sol, comprometendo o rendimento do coletor solar.

Instalação:

Montagem dos módulos para formar o Aquecedor

O próximo passo é unir os módulos que serão usados no aquecimento da água conforme o número de pessoas atendidas e a tabela de materiais.

O Aquecedor Solar deve ser posicionado no telhado da residência, ou em uma área que receba o sol diretamente, e sem incidência de sombra de árvores, ou de prédios, casas, etc.

Agora temos um aquecedor solar completo, com as colunas todas interligadas, e nas 4 extremidades do aquecedor temos o tubo de PVC aberto para ser conectado à caixa de água.

Verifique em qual posição ficará o aquecedor em relação à caixa de água, se o aquecedor ficar a direita da caixa, você deve tampar o cano inferior esquerdo do aquecedor com um tampão de PVC, afim de que quando a água entrar no aquecedor, ela não escape pela outra lateral. Faça o mesmo no tubo superior direito, pelo mesmo motivo. Ou seja, se o aquecedor solar ficar a esquerda, você deve tampar o tubo inferior direito e o superior esquerdo. Se a caixa ficar do lado direito, você deve fechar o canto inferior direito e o superior esquerdo.Caixa d’água:

Caixa d’água

Exemplificaremos o projeto com uma caixa d’água de 250 L.

A figura abaixo detalha o percentual, em relação à altura da caixa d’água, que devem ser feitas as furações para os flanges, onde serão instaladas: a entrada da torneira boia e o retorno de água quente dos coletores solares, e as saídas de água quente para o consumo, de água fria a ser aquecida pelos coletores solares e para o vertedouro (ladrão).

A própria caixa d’água existente poderá ser aproveitada, desde que a quantidade de água fria não ultrapasse 1/3 do volume total da água a ser aquecida. Por exemplo, e a caixa d’água instalada for de 500 litros, para obter bom rendimento térmico, os coletores solares deverão totalizar 350 garrafas e, no máximo, 400 garrafas, sempre utilizando o pescador giratório. Os itens 1, 4 e 6 já existem em qualquer caixa d’água comum, não precisando ser criados.

O pescador giratório, item 10 da figura acima, é uma alternativa interessante, pois ele tem como função variar o volume de água a ser aquecida, dando a opção de escolher a quantidade e temperatura que desejamos. Ele nada mais é do que uma curva de PVC com um pedaço de tubo, acoplado ao flange que leva a água fria até os coletores solares. Com esse recurso, o volume de água abaixo do nível escolhido não será aquecido, o qual poderá ser utilizado no captador, na função de misturador.

Em projetos nos quais haverá consumo rápido, como, por exemplo, no uso simultâneo de vários chuveiros, se faz necessária a instalação de uma torneira boia de alta vazão, para que seja reposta a água consumida rapidamente, mas sem causar turbulência. Por isso, existe a importância de se instalar o redutor de turbulência.

Instalado junto à torneira boia (item 1 da figura acima), o redutor tem como função direcionar a água fria de reposição ao fundo da caixa d’água sem causar turbulência e evitando a mistura da água quente com a fria. Na figura abaixo, está descrito o seu funcionamento. O item 2 é apenas um pedaço de tubo com diâmetro variável, pois depende da torneira boia a ser utilizada, e tem a função de direcionar a água até 5cm do fundo do 2º tubo, item 3, de 50mm. Esse tubo, com a parte inferior fechada, tem 20 furos de 10 mm ao seu redor. Atenção: as furações devem ser feitas apenas no corpo central do tubo, deixando sem furos os 3 cm na extremidade superior e os 5cm na parte inferior (tampado) (Item 4, tubo de 100mm que serve de condutor para a água sem turbulência). Porque ele reduz a turbulência? O jato d’água liberado pela boia através do item 2 é dirigido até o fundo do item 3,  causando turbilhonamento no seu interior, mas impossibilitando que a água retorne para cima, pois será drenada pelos furos laterais. Essa água liberada do item 3, já atenuada, é enviada para o fundo da caixa pelo tubo de 100mm, item 4,  devidamente recortado na forma de dente de serra (dentes em média de 20mm), apoiado no fundo da caixa e encostado à parte de baixo da boia.

Posicionamento do coleto solar:

Instale os coletores solares, quando possível, voltados para o Norte. Há uma diferença entre o Norte magnético, para onde as bússolas apontam, e o Norte geográfico, que é o ponto de intercessão da superfície do planeta com o eixo de rotação da Terra. O ideal é voltar o painel para o Norte geográfico, para achar o Norte geográfico primeiro se encontra o Norte magnético com uma bússola e a partir daí, gira-se um determinado ângulo conhecido como declinação magnética, que varia conforme o local e com o tempo. Essa informação pode ser adquirida no site do Observatório Nacional.

A eficiência de um sistema de aquecimento solar não depende apenas do posicionamento dos seus coletores em relação ao Norte, mas também da inclinação deles segundo a latitude local. O ângulo do painel solar em relação a horizontal deve ser a latitude acrescida de 10o.

Suporte de fixação do coletor:

Fica a critério de cada um o material a ser usado como suporte de fixação do coletor solar, mas indicamos que pelo menos os dois barramentos sejam amarrados a barras de cano galvanizados de ¾, ou a algo que garanta o alinhamento do coletor. Para evitarmos que bolhas de ar comprometam a circulação da água no coletor. É necessário um desnível de 2 cm para cada metro corrido, sem curvas nos barramentos.

Caso queiram fixar direto sobre o telhado sem levar em conta a latitude local, muito menos o suporte para fixação, basta amarrar um tubo de esgoto de 40 mm tanto no barramento superior, quanto no inferior. Com isso garantiremos uma maior estabilidade para fixação, uma vez que os barramentos passarão a encostar nas telhas. Sem esse calço as garrafas PET seriam amassadas contra as telhas.

Agora basta amarrar pelos barramentos superiores e inferiores e passando a corda ou outro material por debaixo das telhas fixá-lo na armação no telhado. Mesmo assim é necessário pelo menos uma inclinação de 10º e o aquecedor deve estar voltado para o norte geográfico o mais próximo possível. A eficiência não será a mesma do que estiver posicionado quanto a latitude da cidade, mas isso pode ser compensado pela adição de mais módulos para absorção de radiação solar.

Isolamento da caixa d’água:

Para evitar a perda de calor da água quente armazenada pela caixa d’água, aconselha-se forrar toda a superfície do reservatório com um material com boa capacidade de isolamento térmico.

Esse isolamento pode ser feito de diversas maneiras, como por exemplo: isopor ou enchendo várias embalagens longa vida pós-consumo com serragem, cascas de trigo, cascas de arroz, grama seca, entre outros.


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