AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO: Uma proposta de aplicação às famílias de baixa renda da cidade de Luziânia-Goiás

MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO SECRETARIA DE EDUCAÇÃO PROFISSIONAL E TECNOLÓGICA INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE GOIÁS PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DEPARTAMENTO DE PESQUISA E INOVAÇÃO

“AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO: Uma proposta de aplicação às famílias de baixa renda da cidade de Luziânia-Goiás”

NOME DO BOLSISTA: Giully Bomfim Jolvino da Silva NOME DO ORIENTADOR: Ânderson Jésus da Silva DATA DE INGRESSO COMO BOLSISTA (MÊS/ANO): 08/2011 NOME DO CURSO: Técnico Integrado em Química 2011/1 PERIODO QUE ESTÁ CURSANDO: 2º ano É BOLSISTA DE RENOVAÇÃO: ( ) SIM (x) NÃO

Luziânia, JULHO DE 2012

Relatório Final do Projeto do Programa de Iniciação Científica/Tecnológica

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Introdução O Brasil não está livre do fantasma da crise energética, além disso, o planeta demonstra uma fadiga proporcionada pelo uso irracional dos recursos naturais. A espécie humana necessita de energia, porém, não utiliza todo potencial energético oferecido por recursos naturais renováveis como vento, sol, marés etc. Essa visão, ecologicamente correta, associada à viabilidade econômica de se construir o aquecedor solar de baixo custo para aquecer a água que será utilizada no banho, nos motivou a desenvolver o presente projeto de pesquisa. Segundo Mortimer & Amaral, o conceito de energia, apesar de básico, não é simples para o entendimento dos estudantes. No Ensino Médio, os estudantes tratam desse assunto em diversos componentes curriculares como: Biologia, Física, e Química, além de outros. Isso abre a possibilidade desse conceito ser trabalhado de forma interdisciplinar. Nosso planeta recebe diariamente uma grande quantidade de energia solar, e essa energia é direta ou indiretamente o foco de estudo do tema energia nesses componentes curriculares. A energia solar realiza diferentes funções em beneficio dos seres vivos e provoca fenômenos naturais essenciais para a manutenção da vida no planeta, porém ela não é aproveitada em sua totalidade pelo ser humano, que insiste em utilizar fontes energéticas que aos poucos vem demonstrando ser prejudiciais ao planeta, além do fato de não serem renováveis. Encontramos registros do homem, ao longo da história, utilizando a energia solar transformando-a em outras formas de energia, como a térmica, mecânica e elétrica. Esse é o mote do presente projeto, utilizar a energia solar para aquecer sistema de água residencial para minimizar a utilização do chuveiro elétrico, que acreditamos, ser um dos principais vilões do gasto excessivo de energia elétrica nas residências atualmente. Existe no Brasil uma comunidade que vem desenvolvendo um projeto de aquecedor solar de baixo custo, chamada de Sociedade do Sol que tem “como um dos objetivos a disseminação nacional de tecnologia que permita a montagem e a instalação de um sistema de aquecimento solar de baixo custo para as casas das comunidades mais carentes” (www.sociedadedosol.org.br). Nessa proposta os professores apresentam aos alunos os conceitos básicos da energia Solar e demonstram, utilizando o KIT DIDÁTICO do ASBC (KD ASBC), como ocorre o aquecimento de água em um aquecedor Solar. Esta apresentação experimental será um evento inesquecível para os alunos de todas as séries, pois além do conteúdo conceitual poderão constatar o fato do aquecimento. (idem).

No presente projeto, após montar o protótipo proposto no Kit Didático, disponibilizando para a comunidade acadêmica do IFG campus Luziânia, iremos montar na residência de uma família de baixa renda, em um bairro periférico da cidade, com o intuito de levantar dados das vantagens de se construir o aquecedor Departamento de Pesquisa e Inovação do IFG Avenida Assis Chateaubriand, nº 1658, Setor Oeste – CEP: 74.130-012 – Goiânia-GO

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solar residencial, finalizando o processo disponibilizaremos no sitio do campus uma tabela construída em Microsoft Exel®, para que pessoas interessadas em construir um aquecedor em sua residência avalie a viabilidade de sua construção, facilitando, assim a sua decisão. Material e Métodos Iniciamos nossos trabalhos à partir do modelo disponibilizado pela ONG Sociedade do Sol, no sitio . A princípio montamos um protótipo de aquecedor solar, para fazer os cálculos iniciais e as previsões de materiais e adaptações para o modelo em tamanho real, e também, para expor no campus Luziânia o trabalho desenvolvido. Por fim, construímos na residência de uma família de baixa renda da cidade de Luziânia um aquecedor solar para aquecer a água de uma caixa padronizada para um volume de 200L de água. Observamos nas referências que aquecedor solar é todo dispositivo que, a partir da energia irradiada do Sol aquece água ou produz vapor. A partir do momento que se percebeu que era possível aproveitar essa energia, principalmente em um contexto social de buscas de energias alternativas e menos prejudiciais ao meio ambiente, começou-se a aperfeiçoar tipos de captadores de energia, reservatórios, canos e chuveiros, formando modernos sistemas de aquecimento de água. Os modelos mais comuns de aquecedores residenciais aproveitam a energia irradiante, luz e infravermelha, que ao incidir sobre uma superfície preta, absorve essa energia transformando-a em calor e aquecendo a água que está no interior dos mesmos. Essa água aquecida, segundo Razuck, por ficar menos densa que a água à temperatura ambiente começa a se movimentar em direção à caixa, acima dos coletores, dando início a um processo natural de circulação chamado de termo-sifão, que dura enquanto houver uma boa irradiação solar e uma diferença de temperatura entre a água que chega e a água que sai das placas aquecedoras. Resumindo, no ambiente do aquecedor solar, o processo termo-sifão, resulta numa transferência térmica, levando o calor gerado na placa para a água presente na caixa, sendo a própria água o meio de transferência térmica. (p. 127)

Mas como este processo funciona? Para responder essa questão inicialmente, vamos falar um pouco do espectro eletromagnético. Segundo GOUVEIA-MATOS A cada comprimento de onda de uma radiação luminosa temos associada uma energia, cujo valor é dado pela relação E = hc/l, (onde h e c são duas constantes: h a constante de Planck e c a velocidade da luz). Isso significa que, quanto menor o l, maior a energia da onda luminosa correspondente. Assim, absorver luz significa absorver energia. No nível molecular, quando uma radiação incide sobre um material os efeitos causados por essa absorção de energia vão depender do valor da mesma, isto é, do comprimento de onda incidente que é absorvido pela molécula. Assim, se esta absorver luz de l na faixa de 2,5 mm a 5 mm (luz infravermelha), essa energia vai ser utilizada para modificar as vibrações de suas ligações moleculares (p. 7)

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Dessa forma, o espectro eletromagnético, é uma representação dos intervalos observados de frequências eletromagnéticas e seus comprimentos de onda correspondente. Entre 10-9m e 10-7m classificamos a faixa do espectro equivalente as emissões ultravioletas, entre 400nm e 700nm temos as emissões classificadas como luz visível, se trata de um limite corresponde a emissão das cores violeta da cor vermelha, já entre 10-6m e 10-3m compreendem às emissões da radiação infravermelha que é percebida na superfície da Terra na forma de calor e, por isso, é utilizada nos aquecedores elétricos. Os aquecedores solares convertem essa energia infravermelha em energia (fotoconversão) ou em calor (conversão térmica). Esses fenômenos ocorrem quando a absorção de fótons causam as excitações “dos elétrons no material absorvente para níveis mais altos de energia, o que provoca, em seguida, uma alteração física ou química (ao contrário de uma simples degradação gerando calor)”(Razuck,p.130).

Figura 01. Espectro eletromagnético (Razuck, 2005, p. 128).

Em sua tese de doutorado DORNELLES avaliou 78 diferentes cores e tipos de tintas. Suas conclusões, já esperadas teoricamente, são que as cores que mais absorvem calor são as de tonalidade escura, como o preto, que absorve 98% do calor solar que chega à superfície, cinza-escuro (90%), verde-escuro (79%), azulescuro (77%), amarelo-escuro (70%), marrom e vermelho escuro (70%). Mesmo tratando da influência térmica nas edificações modernas, o trabalho do em questão fornece dados que comprovam a importância de se utilizar a cor preta na placa coletora para o bom funcionamento do aquecedor solar.

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Da radiação solar total que incide sobre um corpo opaco, uma parcela é refletida e outra absorvida. A fração absorvida é transformada em calor e é proporcional a uma propriedade da superfície do corpo denominada absortância (α). A parcela refletida é determinada pela refletância (ρ) da superfície. Em corpos opacos, a soma da absortância com a refletância é igual à unidade, fato que permite determinar qualquer uma dessas propriedades a partir da outra. Inúmeras pesquisas já demonstraram que as absortâncias de superfícies expostas à radiação solar são fatores determinantes nas temperaturas (idem, p. 2)

A revisão bibliográfica nos remeteu a buscar trabalhos específicos que definiam os processos que ocorrem durante o aquecimento, assim com justificavam as adaptações e modificações que poderiam ser implementadas. Por exemplo, ao trabalho desenvolvido por DORNELLES que analisa as influências da cor na temperatura predial e de GOLVEIA-MATOS que definem o esperctro eletromagnético. Inicialmente essa revisão estava programada para o primeiro trimestre do desenvolvimento do projeto, mas como houve demora na aquisição dos materiais para construção do protótipo e do aquecedor residencial, investimos um tempo maior nas leituras específicas durante o primeiro semestre do projeto. Antes mesmo de chegarem os materiais para a construção do Protótipo Escolar, entramos em contato com o Laboratório de Ensino e Pesquisa no Ensino de Química LEPEQ-UnB, e com ajuda do professor Roberto Ribeiro, visitamos o laboratório onde eles demonstraram algumas adaptações que fizeram no protótipo, como a adoção da massa plástica automotiva substituindo os materiais indicados pela Sociedade do Sol para colagem e vedação das peças do protótipo e do aquecedor residencial. Segundo o professor, essa adaptação ainda não foi testada no aquecedor em escala residencial e, dessa forma, nos propusemos a aplica-la em nosso projeto. A escolha da Família de baixa renda de Luziânia para receber o Aquecedor Solar Residencial aconteceu por indicação de uma coordenadora da Pastoral Familiar da Paróquia Nossa Senhora Aparecida da Cidade de Luziânia. Quem recebeu foi a senhora FRAN mãe solteira de cinco filhos, onde, uma é casada e mora com marido em outra cidade e quatro residem com a mãe. Sendo a caçula uma menina de um ano e meio, em seguida um garotinho de seis anos e duas moças, a mais nova de treze e a mais velha de dezenove anos. Todos estudam, e nenhum trabalha fora. A dona FRAN trabalha de diarista, recebendo cerca de 40 reais por dia trabalhado, e no momento da escolha, trabalhava fixo em duas famílias, dois dias em cada uma por semana, ao final da instalação ela recebeu o convite para trabalhar de carteira assinada na residência de um dos professores do Campus. O processo de escolha da família e instalação do aquecedor residencial aconteceu no último semestre do projeto.

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Resultados A princípio, coletamos os dados de aquecimento da água do protótipo durante duas semanas, anotando os horários de 7h-10h30min-12h20min-14h-15h-16h-17h19h-20h30min-22h. E comparamos com a temperatura de um recipiente igual ao que simula a caixa d’água exposto ao lado do aquecedor. Com esses dados decidimos que o aquecedor residencial poderia ser construído com duas placas, já que no Kit residencial da Sociedade do Sol, abre-se a possibilidade de utilizar duas ou três placas para 200 L de água de acordo com a região do país em que se instala o aquecedor. Tivemos muitos bons resultados com esse trabalho. O protótipo montado, que possui os coletores solares com medida de 0,97m x 0,42m, e que, sob irradiação solar, consegue aquecer a água de um recipiente de volume 20L em menos de 50 minutos, chegando a temperaturas de aproximadamente 43˚C, nos serve de prova desse resultado. A tabela dos dados da coleta do protótipo encontra-se abaixo: Dia: 26 de Junho de 2012 Com Aquecedor Temperatura

Sem Aquecedor Temperatura

Condição Temporal

Horário

07h00min 19,5ºC/19,5ºC

Frio

07h00min

19,5ºC

08h30min

22ºC/22ºC

Frio

08h30min

22ºC

10h15min

27,5ºC/24ºC

Dia Claro

10h15min

23ºC

12h00min

34ºC/32ºC

Dia Claro

12h00min

27ºC

13h30min

31ºC/30ºC

Sombra

13h30min

27ºC

15h00min

28ºC/29ºC

Sombra

15h00min

27ºC

16h30min

36ºC/31ºC

Dia Claro

16h30min

27ºC

18h00min

29ºC/28,5ºC

Pôr-do-Sol

18h00min

26ºC

19h30min

26ºC/26ºC

Noite

19h30min

25ºC

21h00min

24ºC/24ºC

Noite

21h00min

24ºC

22h15min

23ºC/23ºC

Noite

22h15min

23ºC

Horário (Bico/Interno)

(Interno)

Dia: 27 de Junho de 2012 Com Aquecedor Horário

Temperatura (Bico/Interno)

Sem Aquecedor Condição Temporal

Horário

Temperatura (Interno)

07h00min

15ºC/15ºC

Sombra

07h00min

15ºC

08h30min

16ºC/16ºC

Sombra

08h30min

16ºC

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10h15min

21ºC/17ºC

Sombra

10h15min

17ºC

12h00min

35ºC/25ºC

Dia Claro

12h00min

19ºC

13h30min

37ºC/33ºC

Dia Claro

13h30min

24ºC

15h00min

35ºC/38ºC

Dia Claro

15h00min

28ºC

Dia Claro

16h30min

28ºC

16h30min 33,5ºC/33,5ºC 18h00min

31,5ºC/32ºC

Pôr-do-Sol

18h00min

27ºC

19h30min

28ºC/28ºC

Noite

19h30min

24,5ºC

21h00min 25,5ºC/25,5ºC

Noite

21h00min

24ºC

22h15min

Noite

22h15min

23ºC

24ºC/24ºC

Dia: 28 de Junho de 2012 Com Aquecedor Horário

Temperatura (Bico/Interno)

Sem Aquecedor Condição Temporal

Horário

Temperatura (Interno)

07h00min

16ºC/16ºC

Sombra

07h00min

16ºC

08h30min

17ºC/17ºC

Sombra

08h30min

17ºC

10h15min

20ºC/18ºC

Sombra

10h15min

18ºC

12h00min

36ºC/27ºC

Dia Claro

12h00min

20ºC

13h30min

42ºC/30ºC

15h00min

43ºC/40ºC

16h30min

43ºC/41ºC

Sombra

16h30min

30ºC

18h00min

35ºC/35,5ºC

Pôr-do-Sol

18h00min

30ºC

19h30min

30ºC/30ºC

Noite

19h30min

27ºC

21h00min

27ºC/27ºC

Noite

21h00min

26ºC

Noite

22h15min

24ºC

22h15min 25,5ºC/25,5ºC

Dia Claro/Irradiação 13h30min Solar Forte Dia Claro/Irradiação 15h00min Solar Forte

25ºC

29ºC

Dia: 29 de Junho de 2012 Com Aquecedor Horário

Temperatura

(Bico/Interno) 07h00min 16ºC/16ºC

Sem Aquecedor Temperatura

Condição Temporal

Horário

Sombra

07h00min

(Interno) 16ºC

08h30min

16ºC/16ºC

Sombra

08h30min

16ºC

10h15min

19ºC/17ºC

Dia Claro

10h15min

17ºC

12h00min

35ºC/27ºC

Dia Claro

12h00min

20ºC

13h30min

43ºC/39ºC

Sombra

13h30min

26ºC

15h00min

44ºC/41ºC

Sombra

15h00min

29ºC

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16h30min

38ºC/40ºC

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Dia Claro

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16h30min

7

31ºC

Tabela 1 – Dados coletados do protótipo. A tabela acima apresenta os dados de temperatura do protótipo referentes aos dias 26, 27, 28 e 29 de Junho de 2012. Através desta tabela, podemos perceber que o período do dia onde o aquecedor se torna mais eficiente, por conta de uma maior irradiação solar, seria o de 12:00hs às 18:00hs, podendo chegar a temperaturas acima de 43º C mesmo com interferência na irradiação em certas etapas do aquecimento. O aquecedor solar em tamanho real, não muito diferentemente, também obteve bons resultados. Com coletores solares de medida 1,20m x 1,20m tem capacidade para aquecer a caixa d’água da família de volume 230L. Conforme a entrevista feita com a família, o aquecedor é muito eficiente, pois aquece bem a água e traz grande economia às despesas da família. Foi feita uma tabela calculando as despesas da família referentes ao gasto do chuveiro elétrico para que haja uma análise melhor a cerca dos benefícios monetários obtidos com o uso do aquecedor solar: Economia baseada na utilização do Aquecedor Solar Vasão do chuveiro: 3,42 L/min Potência: 4400 w 4,4 Kw Kwh R$ 0,42597 Tempo médio consumido no chuveiro Mãe: Criança de colo: Filho I: Filho II: Filho III: Total:

8 Min 5 Min 30 Min 10 Min 10 Min 63 Min 01:03 H 1,05 H Volume de água utilizado por dia Volume da caixa da família Adicional de água como reserva Caixa adequada para esse volume Voume médio de água utilizado por mês Consumo de watts por dia Consumo de watts por mês

0,58667 0,36667 2,20000 0,73333 0,73333 4,62000

Kw Kw Kw Kw Kw Kw

215,46 235 19,54 250 6463,8 4,62 138,60

L L L L L Kw Kw

Custo do Consumo diário Consumo do Mês

1,97 59,04

R$ R$

Tabela 2 – Economia baseada na utilização de aquecedor solar.

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Tais dados nos levam a pensar realmente na economia do projeto, pois além de ser barato, o projeto proporciona uma rápida recuperação financeira referente aos gastos de instalação como podemos ver na planilha preenchida pela família, a qual estima uma economia mensal de R$59,04, e uma família com 5 componentes, com as mesmas características da família da dona FRAN investindo os mesmos R$59,04 reais para a instalação do aquecedor solar, gastará de 07 a 09 meses para ter o retorno do investimento. Devido à falta de tempo para a coleta, não tivemos a oportunidade de colher os dados do aquecedor instalado na casa, tendo como única garantia de seu bom funcionamento as informações cedidas pela família na entrevista. Segundo a família, eles estão utilizando o aquecedor no banho desde o dia de sua instalação, e afirmam ser eficiente.

Conclusão O projeto Aquecedor Solar de Baixo Custo foi proposto na intenção de economizar energia para melhorar a renda de uma família ou comunidade, além de ser um avanço sustentável. Esse projeto visa a melhoria da qualidade de vida em muitos aspectos, um deles é o custo benefício, possibilitando a família direcionar a renda economizada com a energia para outros fins como: educação, cultura, lazer, saúde entre outros. O aquecedor não garante economia só no uso, mas também em sua construção, que é rápida, descomplicada e barata. Seus materiais podem ser encontrados em qualquer casa de materiais para construção, além de ser de fácil instalação depois de pronto. É um projeto que incentiva a economia sustentável, pois além de diminuir despesas, gasta menos energia elétrica que provém de fontes não renováveis e que acabam esgotando o nosso planeta, intensificando o efeito estufa e deixando-o cada vez mais inabitável a todos os seres vivos. Por ser o primeiro trabalho com pesquisa, tivemos muita dificuldade na parte da escrita da revisão bibliográfica, além da construção do protótipo e do aquecedor por conta da demora na aquisição dos materiais, defeitos na construção, atrasos na reforma do banheiro da casa. Ainda estamos em fase de desenvolvimento, pois o aquecedor em tamanho real, o software e o relatório final estão em fase de finalização.

Perspectivas de continuidade ou desdobramento do trabalho Tendo como objetivo a economia e o uso alternativo da energia solar, concluímos que o projeto foi bem sucedido em todas as suas etapas. Durante a realização da pesquisa cogitou-se a hipótese de adaptar o aquecedor nas dependências do Instituto Federal em Luziânia, Goiás, porém, afirmamos a conclusão do projeto, sem perspectiva de continuação. Atingimos os objetivos propostos inicialmente e indo além adquirindo conhecimento a cerca do assunto.

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Publicações e participações em eventos técnico-científicos Participação no Simpósio de Pesquisa, ensino e extensão do ifg - simpeex 2012 - de 29 de agosto a 1º de setembro. Apoio e Agradecimentos Colaboraram: Laísa Cristina Martins de Sousa (Aluna da Licenciatura em Química-3º período) e Miriam Barros Bueno (Aluna da Licenciatura em Química-5º período) Referências Bibliográficas BRONZATTI, Fabricio Luiz; IAROZINSKI NETO, Alfredo. MATRIZES ENERGÉTICAS NO BRASIL: CENÁRIO 2010-2030. Rio de Janeiro: Abepro, 2008. 15 p. Disponível em: . Acesso em: 29 maio 2012. BERMANN, Célio. CRISE AMBIENTAL E AS ENERGIAS RENOVÁVEIS. Ciência e Cultura, São Paulo, n. , p.20-29, set. 2008. Disponível em: . Acesso em: 29 maio 2012. Bibliografia DORNELLES, K. A. RORIZ, M. Influência das tintas imobiliárias sobre o desempenho térmico e energético de edificações. 2007. GOUVEIA-MATOS, J. A. M. Mudança nas cores dos extratos de flores e do repolho roxo. Química Nova na Escola. N.10 p.6-10, NOVEMBRO 1999. MORTIMER, E. F. AMARAL, L. O. F. Quanto mais quente melhor: calor e temperatura no ensino de termoquímica. Química Nova na Escola. n.7 p.30-34, 1998. SOCIEDADE DO SOL. MANUAL DE MANUFATURA E INSTALAÇÃO EXPERIMENTAL DO - ASBC- AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO. Disponível em: . Acesso em: 05 jun. 2012. RAZUCK, Renata Cardoso de Sá Ribeiro. O ensino médio e a possibilidade de articulação da escola com o trabalho. 2006. xii, 146 f. il. Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências)-Universidade de Brasília, Brasília, 2006. FERREIRA NETO, Antonio Martins. A inserção da escola na comunidade: desenvolvendo projetos na perspectiva de uma educação pelo trabalho. 2008. 187 f. Dissertação (Mestrado em Ensino de Ciências)-Universidade de Brasília, 2008.

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