VAMOS CONSTRUIR UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA

Você sabe como funciona um Aquecedor Solar de Água?

   O funcionamento de um aquecedor solar é muito simples! Basicamente o princípio de funcionamento é o mesmo que se verifica quando deixamos, sob a ação do sol, um veículo fechado e estacionado por algumas horas na via pública. A ação da radiação solar se faz cada vez mais presente a medida em que a pintura do veículo se aproxima da cor preta, ocorrendo o mesmo com o seu interior.

Você poderá perguntar o que tem a ver um carro com um aquecedor solar? A comparação não terá o mínimo sentido se visualizar-mos o carro e o aquecedor solar pelo prisma da forma geométrica e da utilidade que ambos possam ter ! Mas se levarmos em consideração o efeito térmico que ocorre entre ambos, esta estranha comparação faz sentido, realmente.

  Vamos inicialmente imaginar uma caixa de forma geométrica retangular, hermeticamente fechada, tendo dentro dela uma chapa plana ou ondulada pintada de preto fosco, apoiada no fundo da caixa, tendo esta como cobertura uma lâmina de vidro plano transparente. Figura 1.

Coloquemos agora esta caixa sob a ação da luz solar visível e da respectiva radiação infravermelho as quais podem atuar juntas ou separadamente, dependendo das condições atmosféricas locais. O que ocorrerá então? A radiação solar atravessará o vidro de cobertura e ao encontrar a chapa preta sofre uma alteração no seu comprimento de onda (um aumento), o que a torna impotente para atravessar, de volta, o vidro e a partir daí tem origem uma re-emissão desta radiação no sentido vidro/chapa/vidro. Como a caixa se encontra hermeticamente fechada ocorre um fenômeno conhecido por efeito estufa, portanto responsável pelo aumento progressivo da temperatura da chapa pintada de preto fosco enquanto durar a ação da radiação solar. Você poderá perguntar, por que a chapa deverá ser pintada de preto fosco e não de outra cor qualquer? Ora, nada impede que a pintura da chapa tenha outra cor qualquer dentro da escala cromática, porém sabe-se que a cor preta é a que praticamente absorve toda a radiação nela incidente nos mais diferentes

comprimentos de onda do espectro solar, a exceção das superfícies seletivas, cuja absorção é quase que total.

  Você deverá estar estranhando todo este “papo” de chapa preta, efeito estufa etc, mas como isto poderá aquecer a água que é o principal objetivo do coletor solar? É muito simples!

Imagine agora que sob esta chapa e em contato direto com ela, tenhamos colocado uma grade de tubos paralelos ligados nas extremidades por dois tubos de maior diâmetro, contendo água em seu interior conforme a figura 2.

O que ocorrerá então? Como a chapa preta está sendo aquecida pela radiação solar e estando a grade de tubos em contato direto com a respectiva chapa, verifica-se uma transferência de calor (temperatura da chapa), para a grade de tubos e desta para a água que se encontra em seu interior. Simples não é? Será mesmo? Mas isto não é tudo!

Numa aplicação residencial a necessidade de água quente é bem maior do que o volume de água existente no interior da grade de tubos já referida! Então como fazer para aquecer diariamente por exemplo, 200 litros de água que é basicamente a necessidade de água quente de uma residência de 5 pessoas?

  Para que isto possa ser possível vamos ligar, por meio de tubos, o coletor solar a um tanque termicamente, isolado o qual contém os 200 litros de água a ser aquecida. Figura 3.

Você poderá agora indagar: Se é na chapa preta do coletor solar que ocorre a conversão da energia solar em energia térmica, como pode a água contida no reservatório termicamente isolado ser aquecida ?

  Para responder a esta pergunta vamos antes imaginar o que ocorre dentro de uma chaleira quando a colocamos, com água, na chama do fogão para obter a água quente para fazer o nosso café da manhã!

Ao aquecermos água em uma chaleira as moléculas da água em contato direto com o fundo da chaleira vão paulatinamente sendo aquecidas tornando-se mais leves e por conseqüência tendem a subir na massa líquida ao tempo em que as moléculas de água das camadas superiores ( de maior densidade), vão tomando o lugar das moléculas mais aquecidas dando origem ao que se chama de movimento convectivo, movimento este que só é interrompido quando toda a massa líquida atinge a mesma temperatura, isto é 100 oC, (na pressão atmosférica). O calor transferido à água até que ela chegue aos 100oC é o que se chama de calor sensível.

Voltemos agora ao caso do aquecedor solar!. Assim como ocorre no interior da chaleira o calor coletado pela chapa preta devido a ação da radiação solar, e transferido à grade de tubos a qual por sua vez o transfere para a água existente no interior da citada grade tornando-a mais leve, ( menos densa), dando início a convecção natural, exatamente como ocorre com a chaleira, ajudada ainda pela pressão da coluna de água existente no reservatório térmico, já que este está em posição superior em relação ao coletor solar.

  Este movimento convectivo ou convecção natural é também conhecido como termo-sifão e ele só será interrompido quando toda a massa de água entrar em equilíbrio térmico.

No caso da convecção natural o deslocamento das moléculas de água se faz com menor intensidade , portanto com baixa velocidade de deslocamento das respectivas moléculas, razão pela qual demanda algum tempo até que toda a água contida no reservatório térmico atinja a temperatura desejada.

No caso do coletor solar o calor sensível é de no máximo 80oC em um dia ensolarado e sem nuvens, condição esta normalmente observada nas regiões Norte e Nordeste brasileiros.

  Vamos admitir agora que toda a água existente no sistema solar de aquecimento (coletor e reservatório termicamente isolado), esteja a uma mesma temperatura, portanto em equilíbrio térmico. Se nesta situação um certo volume de água quente é retirado para consumo, imediatamente igual volume de água, à temperatura ambiente, entra no reservatório termicamente isolado, já que este está diretamente ligado à caixa de água da residência. Nesta situação o equilíbrio térmico é desfeito restabelecendo o movimento convectivo, ou seja a convecção natural, e assim por diante.

Fácil, não é? Aquecer água com o emprego da energia solar não tem nenhum mistério e nem é “bicho de sete cabeças”com apregoam alguns. O que é preciso é que alguns cuidados sejam tomados ao se construir um sistema solar de aquecimento de água com base na conversão térmica desta radiação onde a absorção desta radiação se faz por meio de uma superfície enegrecida. Na literatura especializada este tipo de conversão térmica é obtida com o emprego de coletores conhecidos como coletores de baixa concentração, já que a conversão térmica da radiação solar em níveis mais elevados de temperatura (entre 1.000 e 3600oC), é possível porém nestes casos empregam-se sistemas que operam segundo a reflexão desta radiação.

  Logo um sistema solar de aquecimento de água é composto basicamente de um coletor solar onde se verifica a conversão desta energia em energia térmica, um reservatório termicamente isolado e respectiva tubulação de alimentação do sistema e distribuição de água quente revestida com isolamento térmico.

 Um esquema de montagem de um sistema solar de aquecimento de água empregado em uma residência pode ser mostrado na figura 4 onde as linhas em negrito representam as

tubulações onde circulam a água aquecida. Observe que no reservatório de água quente existe um tubo vertical cuja extremidade superior deverá ficar acima do nível de água da

caixa d e água da residência. A finalidade deste tubo é a de evitar o transbordamento já que os reservatórios de água fria e de água quente funcionam como vasos comunicantes,

ligados por um tubo onde existe uma válvula de retenção (11). Esta válvula tem por finalidade evitar que a água quente existente no reservatório de água quente entre em

contato com a água da caixa de água da residência.

Figura 4

1 – Caixa de água fria              2 – Reservatório térmico              3 – Coletor solar              4 – Entrada de água quente do coletor p/o reservatório              5 – Saída de água quente do reservatório p/o coletor            6 – Água quente p/consumo            7 e 8 – Torneiras para regulagem da temperatura da água             9 – Água quente p/cozinha 10 – Entrada de água da rede pública 11 – Válvula de retenção 12 – Distribuição de água fria p/residência

VAMOS CALCULAR UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA?

  Nós já tivemos a oportunidade de mostrar como funciona um aquecedor solar e como construi-lo. Vamos agora mostrar como se calcula um aquecedor solar de água e apesar de termos de lançar mão de algumas fórmulas matemáticas, garanto que elas serão facilmente entendidas. Antes de entrarmos no cálculo propriamente dito, vamos recordar alguns conceitos de Física que tivemos a oportunidade de ver quando estudávamos lá no primeiro e no segundo

grau. Podemos não estar lembrados mas algumas vezes ouvimos falar em pequena e grande caloria ou também conhecida como quilocaloria. Por definição a caloria ou também pequena caloria, cuja origem está ligada aos conceitos de calor e calor específico, é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 grama de água de 14,5 para 15,5 oC.   A grande caloria ou também mais conhecida como Quilocaloria (Kcal), é a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de 1 Kg de água de 14,5 para 15,5 oC. O calor específico representado por c ou Cp é definido como sendo a quantidade de calor que cada grama de uma substância necessita trocar para variar a sua temperatura de 1 oC. Quanto menor o calor específico de uma substância mais rapidamente poderá ela variar a sua temperatura. Você poderá pensar, para que me serve tudo isto se o que eu quero realmente é substituir o meu chuveiro elétrico por um aquecedor solar ou mesmo instalar o meu próprio sistema solar de aquecimento de água, que além de me proporcionar economia na minha conta mensal de energia elétrica elimina a possibilidade de um acidente decorrente de eventuais vazamentos de corrente elétrica, como pode ocorrer, mesmo eventualmente, no caso do aquecimento tradicional com o chuveiro elétrico .       Ora, como eu estou propondo ensinar como calcular um sistema solar de aquecimento de água para fins residenciais principalmente, o conhecimento destes parâmetros é de fundamental importância para que você possa compreender o processo de cálculo. É claro que se você contatar um vendedor de sistema solar de aquecimento de água ele fatalmente irá “dimensionar” o sistema para você, dependendo dos dados que você fornecer a ele. Acredito que na maioria dos casos o vendedor assumirá uma postura ética e lhe entregará um sistema solar de aquecimento compatível com as suas necessidades e dimensionado de acordo com a radiação incidente local. Mas para a maioria das pessoas leigas no assunto resta, no entanto, aquela dúvida quanto ao número de placas recomendadas pelo vendedor, o volume do tanque etc. Será que uma placa no lugar das duas que o vendedor me recomendou não seria suficiente para aquecer diariamente meus 200 litros de água? Na verdade o mais importante no cálculo das placas em função do volume de água a ser aquecida pelo sistema, é o conhecimento da radiação solar incidente no local onde o sistema será instalado.

A intensidade de radiação varia de lugar para lugar e para um mesmo lugar esta variação depende das condições climáticas no dia considerado. O céu não é o mesmo todos os dias e nem em todas as horas! 

Por esta razão o valor da intensidade da radiação deverá expressar um valor médio anual, valor este aceitável para os cálculos dos coletores solares e de outros procedimentos que tenham como fonte térmica a energia solar.

 A insolação média anual para algumas localidades brasileiras de acordo com a tabela constante do Manual da Cumulus está assim expressa:

Fortaleza 2800 horas de sol/anoNatal 2800 “ “ “João Pessoa    2800 “ “ “ Recife 2600 “ “ “Salvador 2600 “ “ “Campinas (SP) 2600 “ “ “Belo horizonte 2500 “ “ “Brasília 2500 “ “ “Porto Alegre 2300 “ “ “Belém 2200 “ “ “Rio de Janeiro 2100 “ “ “São Paulo 2000 “ “ “Curitiba 2000 “ “ “

A insolação representa o número de horas de sol por ano ou aproximadamente 8 horas de sol por dia no caso de Fortaleza, Natal e João Pessoa. Porém durante o dia a qualidade da radiação que é dada em calorias por centímetro quadrado e por minuto (cal/cm2.min), sofre uma variação, variação esta que vai praticamente de ZERO ao nascer do sol chegando a um valor máximo no entorno do meio dia e decrescendo até ZERO quando o sol se encontra no poente. 

Portanto um dado importante para o cálculo do coletor é a qualidade da radiação solar que chega até nós e também, como não poderia deixar de ser, a presença do sol durante o dia com um mínimo de interferência de nuvens para que o ganho energético seja o maior possível.

 Para a região Nordeste e regiões outras de características climáticas semelhantes poderemos considerar uma radiação média de 0, 86 cal/cm2.min, um valor perfeitamente aceitável.

O procedimento de cálculo tem por objetivo calcular a área do aquecedor solar, isto é, quantos metros quadrados de coletor serão necessários para aquecer um determinado volume de água e a que temperatura.

 Este cálculo pode ser feito de duas maneiras. Primeiro levando-se em consideração o angulo de inclinação do coletor e segundo admitindo-se que o coletor esteja na horizontal. Na verdade a consideração do ângulo de inclinação no cálculo da área do coletor supõe que a radiação solar chegue ao coletor perpendicularmente ao plano deste, o que em última análise permite uma redução da área do coletor em relação ao cálculo, considerando o coletor posicionado na horizontal. Ocorre que normalmente os coletores são posicionados sobre os telhados e por tanto inclinados e mesmo que isto não ocorresse,

em qualquer situação o coletor deverá sempre ser inclinado de um ângulo de no mínimo igual ao da latitude do lugar onde ele será instalado, acrescido de 10 oS, o que significa dizer que, no caso do Brasil, o coletor estará voltado para o NORTE uma vez que estamos no hemisfério Sul.

 Por outro lado a redução da área do coletor considerando o ângulo de inclinação no cálculo do coletor em relação à área calculada sem considerar a referida inclinação, é, no caso de sistemas de pequeno porte ( quatro placas coletoras no máximo), muito pequena, salvo no caso de sistemas solares de grande porte, destinados ao aquecimento de grandes volumes de água como é o caso de hospitais, hotéis, edifícios residenciais, motéis, algumas instalações industriais etc.

 O fato de não levarmos em consideração a inclinação do coletor no cálculo da respectiva área significa teoricamente um pequeno acréscimo da referida área de coleção e conseqüentemente captação de mais energia, já que a inclinação do coletor segundo a latitude do lugar onde ele será instalado é uma exigência do projeto.

 O exemplo abaixo mostrará como calcular a área de um coletor solar de aquecimento de água, bastando para isto que tenhamos os seguintes dados:

 Vamos calcular qual seria a área de um coletor solar para aquecer um volume de água tomando-se por base os seguintes dados:

  1 – volume de água a ser aquecido – 200 litros

2 – temperatura ambiente do local – 27 oC

3 – temperatura desejada da água a ser aquecida – 70oC

4 – radiação incidente no local – 0,86cal/cm2.min.

5 – rendimento térmico do coletor (arbitrado em 50%)

6 – horas de sol por dia, (insolação média diária) – 7 horas

Solução:

 Para resolver este problema iremos lançar mão de algumas fórmulas elementares de matemática, tendo-se o cuidado de empregarmos o mesmo sistema de unidades de modo que os resultados obtidos sejam coerentes. O emprego de valores em centímetro quadrado com metro quadrado ou Kcal com cal, temperatura em graus centígrado com temperatura em graus Kelvin etc, conduzem a resultados errados.

A quantidade de calor para aquecer um determinado volume de água a uma temperatura desejada td, partindo de uma temperatura ambiente ta, vem dada por:

   Q = MCp(td – ta) 

Onde:

M é o volume de água a ser aquecida igual a 200 litros ou Kg, já que um litro de água pesa praticamente um quilo.

Cp é o calor específico da água dado em Kcal/Kg oC

td é a temperatura desejada que foi de 70oC

ta é a temperatura ambiente que foi tomada igual a 27oC

 Fazendo os cálculos, teremos:

  Q = 200 Kg x 1 Kcal/Kg.oC x (70 oC –27oC) = 8.600Kcal.

Isto significa dizer que para aquecer 200 litros de água até 70oC, necessitamos de uma energia dada por 8.600 Kcal.

A área do coletor para aquecer este volume de água a uma temperatura de 70oC vem dada pela seguinte expressão:

S =

(1)

Onde: 

Q = é a quantidade de calor necessária para aquecer a água, (8600Kcal) já calculada.

I é a intensidade de radiação solar dada por 0,86cal/cm2.min.

é o rendimento térmico, arbitrado em 50%. 

Observação:

  Sendo a quantidade de calor Q dada em Kcal e sendo a radiação solar incidente dada em cal/cm2.min, faz-se necessário uniformizar as unidades empregadas para que os resultados sejam confiáveis.

 Ora, se em um minuto temos 0,86cal/cm2, significa dizer que em uma hora (60 minutos) teremos 0,86 cal x 60 = 51,6 cal/cm2.hora.

Agora, se em cada cm2 temos 51,6 cal/hora, em um metro quadrado que é igual a 100.00 centímetros quadrados, teremos portanto 51,6 cal x 10000 = 516000 cal./m2.hora . Sendo 1 Kcal igual a 1000 cal, 516000 cal é igual a 516 Kcal/m2 por hora. Finalmente, se em uma hora temos 516 Kcal/m2, em 7 horas (tempo de exposição do coletor à radiação solar), teremos 516 x 7 = 3612 Kcal/m2 .

  Observe que nós tínhamos inicialmente Q em Kcal e a intensidade de radiação em cal/cm2.min. Logo para calcular a área do coletor solar dada pela equação (1) em metros quadrados e sabendo que o coletor ficará exposto à radiação solar durante 7 horas por dia, faz-se necessário uniformizar as unidades isto é, transformar cal em Kcal, cm2 em m2 e minutos em horas.

Deste modo a área (S) do coletor será então:

S =

  =

= 4,76 m2

  Conclusão:

  Para aquecermos 200 litros de água a uma temperatura de 70oC, com uma radiação de 0,86cal/cm2.min e um rendimento térmico de 50% trabalhando o coletor durante 7 horas por dia, necessitamos de uma área de 4.76 m2 de coletor solar. Na verdade esta área poderá ser reduzida dependendo das condições atmosféricas do lugar e do rendimento térmico do coletor que é função dos materiais empregados, isolamento térmico etc. A prática tem demonstrado que 4 metros quadrados de coletor ( duas placas de dois metros quadrados, cada), são suficientes para aquecer 200 litros de água diariamente a uma temperatura de 70oC, aproximadamente.

Apenas para conhecimento, a maneira de calcular a área da placa coletora mostrada no exemplo acima poderá sofrer criticas de alguém que dela tiver conhecimento, dado a simplicidade do cálculo empregado. Na verdade poderíamos ter levado em consideração outros fatores como o cosseno do ângulo de inclinação da placa, o tipo de vidro de cobertura, o tipo de isolamento térmico, o tipo de pintura da placa se seletiva ou não etc.

 O resultado prático de um cálculo levando em consideração tais fatores não se distanciaria muito do cálculo empregado no exemplo já citado, a não ser que se trate de um trabalho acadêmico, uma dissertação de mestrado, um trabalho para apresentação em congresso,etc. Para o usuário interessa saber se o sistema funciona sem problemas pois este é o nosso objetivo e por tanto asseguro que, da maneira como efetuamos o citado cálculo, o objetivo será plenamente alcançado.

A figura abaixo mostra um sistema solar de aquecimento de água composto de duas placas coletoras operando em termossifão, isto é, em circulação natural, portanto o fluxo de água circula no interior do coletor sem auxílio de bomba.

Figura:

Fonte: FONTES NÃO CONVENCIONAIS DE ENERGIA . AS

TECNOLOGIAS SOLAR, EÓLICA E DE BIOMASSA.

3a Edição – Revista, Modificada e Ampliada- UFSC.

VAMOS CONSTRUIR UM AQUECEDOR SOLAR DE ÁGUA?

  Como funciona um aquecedor solar de água você já sabe pois já tive a oportunidade de dize-lo. Agora eu vou mostrar como construí-lo, porém antes de tudo eu quero dizer que isto só será possível se você tiver paciência e habilidade manual já que trata-se de um trabalho artesanal.

É claro que nem tudo você irá fazer pois alguma coisa depende de uma oficina com máquina de furar, máquina de soldar etc, porém uma vez solucionado estes problemas você poderá dar continuidade ao seu projeto montar o seu sistema solar de aquecimento de água.

Foi assim que aconteceu comigo! Mandei furar, cortar e soldar os tubos que formam a grade do coletor. Depois eu iniciei a montagem e com um pouco de criatividade eu terminei concluindo o meu aquecedor. Como eu moro no Nordeste, uma única placa coletora de 2 m2 foi suficiente para aquecer diariamente 200 litros de água a uma temperatura de 70 oC em dias claros e sem nuvens. Como o coletor trabalha segundo a absorção da radiação solar, ele também é operacional nos dias nublados pois o infravermelho atravessa as nuvens e aquece o coletor, só que com menor intensidade em relação aos dias ensolarados porém o suficiente para produzir água quente. O sistema solar

de aquecimento de água só não é operacional em dias chuvosos.  

É evidente que um coletor assim construído não terá o acabamento de um coletor fabricado industrialmente, porém no nosso caso o que interessa é que tenhamos água quente disponível, além da satisfação que sentiremos por termos

construído o nosso próprio sistema solar de aquecimento de água.  

Um sistema solar de aquecimento de água consta basicamente de uma placa plana onde se verifica a captação da energia solar e sua conversão em energia térmica, um reservatório termicamente isolado e as devidas tubulações com os respectivos pontos de consumo de água. 

PLACA PLANA 

A placa plana ou o coletor de placa plana como é chamado, consta de uma associação de dois tubos horizontais de maior diâmetro do que os sete tubos verticais, formando uma grade de tubos, cuja grade será recoberta por uma placa metálica solidamente ligada aos respectivos tubos por meio de solda branca ou outra forma de fixação. 

Os tubos horizontais podem ser de uma polegada ou de uma polegada e um quarto de diâmetro e os tubos verticais podem ser de três oitavos ou de meia polegada de diâmetro.

Usando tubo horizontal de uma polegada, os tubos verticais serão de três oitavos de polegada de diâmetro. Usando tubo horizontal de uma polegada e um quarto de diâmetro, os tubos verticais serão de meia polegada de diâmetro.

Os tubos podem ser de ferro galvanizado ou de cobre. Poderíamos usar tubos de aço inox ou tubo de alumínio porem o tubo de inox é caro e o de alumínio além de díficil de soldar pode ser atacado pelo cloro da água, danificando-se. O tubo de ferro galvanizado é mais barato e mais fácil de soldar porem está sujeito ao ataque do óxido de ferro. O mais indicado é o tubo de cobre. 

Vamos usar tubos de cobre de uma polegada e de três oitavos de diâmetro. Corte dois pedaços de tubo de uma polegada de diâmetro, com 1,20 metros de comprimento. Corte agora 7 pedaços de tubo de 3/8 de polegada de diâmetro com 1,96 metros de comprimento.

Com base no desenho número 1, proceda a furação dos dois tubos de 1 polegada de diâmetro, tendo o cuidado de usar uma broca cujo diâmetro seja igual ao diâmetro externo dos tubos de 3/8 de diâmetro.

A próxima etapa será montar a grade de tubos de modo que ela tenha o aspecto do desenho 2. Agora preste muita atenção! Introduza os tubos de 3/8 nos furos feitos nos dois tubos de 1 polegada de tal modo que as extremidades dos tubos de 3/8 de polegada de diâmetro não devam ultrapassar a espessura do tubo de 1 polegada de diâmetro, ver detalhe “A”. Feito isto vamos agora proceder a soldagem dos tubos de 3/8 de polegada de diâmetro aos tubos de 1 polegada de diâmetro usando solda amarela. Observe o detalhe da figura 3.

Depois de soldados todos os tubos formando o que se chama de grade de tubos, vamos proceder a um teste de vazamento para

termos certeza de que as soldas forem bem executadas pois qualquer vazamento existente (uma vez que a água a ser aquecida irá circular pelo interior desta grade de tubos), ira prejudicar o isolamento térmico do coletor solar.

Para proceder o teste de vazamento faça uma vedação em três das extremidades do tubo de 1 polegada de diâmetro e pela extremidade não vedada introduza água sob pressão ou ar comprimido. Utilizando ar

comprimido coloque espuma de sabão nas soldas dos tubos e veja se aparecem bolhas de ar o que é sinal de vazamento. Utilizando no teste água sob pressão, examine para ver se não existe vazamento nas soldas entre os tubos de 1 e 3/8 de polegada de diâmetro.

Muito bem! Você acabou de concluir um dos componente do coletor plano que é a grade de tubos. A próxima etapa será fazer a chapa plana que ira captar a radiação solar e transforma-la em energia térmica, a qual será transferida à grade de tubos e daí para a água que irá circular em seu interior.

Mas antes de começar a trabalhar na chapa plana proceda uma limpeza na grade de tubos, eliminando toda a gordura ou sujeira por acaso existente.

 A chapa plana é geralmente do mesmo material dos tubos. Como nós estamos usando cobre, este deverá ser o material da chapa. Existe no entanto coletores fabricados com tubos de cobre e chapa de alumínio e neste caso a chapa de alumínio será fixada à grade de tubos por pressão ou por braçadeiras.

Eu particularmente utilizaria chapa de cobre ou em último caso chapa de ferro galvanizado para formar a chapa de captação da radiação solar e a fixação desta na grade de tubos seria feita com solda branca corrida ao longo dos tubos de 3/8 de polegada de diâmetro e em ambos os lados, pois isto garantiria um contato perfeito entre a grade e a respectiva chapa. É possível que em uma fabricação em escala industrial o contato chapa/grade seja por pressão pois a indústria disporá de meios para que este contato seja o mais perfeito possível, além de reduzir custos.

 A chapa de absorção da radiação solar irá cobrir toda a grade de tubos. Isto poderá ser feito de duas maneiras!

1 – Cortar a chapa plana nas dimensões de 1,94 metro comprimento por 1 metro de largura, coloca-la sobre a grade de tubos fixando-a à referida grade por meio de braçadeiras, à razão de 5 braçadeiras por metro linear o que no total representaria umas 70 braçadeiras fixadas por meio de rebite pop. Este procedimento não é contudo o ideal pois por melhor que seja esta fixação haverá sempre a possibilidade de um mal contado em determinadas áreas prejudicando a transferência de energia térmica para a água, o que não significa dizer que não haja aquecimento. Ver desenho 4.

 2 – Preparar a referida chapa de absorção da radiação solar em forma de canaletas com abas laterais. Este procedimento é no entanto impraticável de fazer de forma artesanal com a chapa em seu comprimento total, o que não significa dizer que não possamos executa-lo por etapas. 

O procedimento é o seguinte:

Divida a chapa em quatro segmentos de 49 centímetros de altura . Em seguida divida agora cada segmentos em pedaços de 17 centímetros de largura, o que significa dizer que ficaremos com retângulos de 17 cm de largura por 49 centímetros de altura. Se você verificar que 17 centímetros é pouco, aumente mais meio centímetro. O objetivo é fazer com que não fique espaço entre as chapas depois de colocadas sobre a grade de tubos.

Agora pegue cada segmento de 17 cm x 49 cm de chapa e dê a forma mostrada no desenho número 5.

E agora? Como é que vamos fazer isto de forma artesanal? Mãos à obra! Ative a sua imaginação que logo você encontrará a solução. Não vale desanimar e nem se render diante do primeiro obstáculo que surgir. Coragem pois sem trabalho não se faz nada !

Dê uma olhada no desenho 6 e logo você verá que não é tão difícil dar à chapa a forma mostrada no desenho 5. Entendeu? Se não entendeu eu vou explicar! Pegue um pedaço de tábua de 20 mm de espessura por 60 cm de comprimento e 20 cm de largura, cuja tábua irá servir de base para construir o gabarito. Agora prenda nesta tábua dois sarrafos de madeira pesada tipo sucupira, com 5 mm de espessura e aproximadamente 10 centímetros de largura por 60 cm de comprimento e distantes um do outro de exatamente o diâmetro externo do tubo de 3/8 de polegada de diâmetro mais duas vezes a espessura da

chapa número 28.

Agora pegue cada retângulo de 17 cm de largura por 49 cm de comprimento e coloque-o, de um a um, centrado sobre os dois sarrafos de sucupira. Utilize agora um pedaço de tubo de 3/8 de polegada de diâmetro com 60 cm de comprimento ou um pedaço de varão de ferro de mesmo diâmetro e coloque-o sobre o retângulo de chapa já posicionado sobre os

sarrafos de sucupira de tal modo que o tubo fique exatamente entre os dois sarrafos ao longo de seu comprimento. Agora é só exercer uma pressão sobre o tubo e você verá que a chapa vai tomando a forma desejada. Não esqueça de horizontalizar as duas abas fazendo uma pressão nelas de cima para baixo! Deu para entender?

Com os segmentos de chapa na forma desejada vamos agora solda-los com solda branca na proporção de 50% de estanho e 50% de chumbo à grade de tubos, até que toda a grade esteja por eles recoberta, ver desenho 7.

Feito isto a próxima etapa será pintar de preto fosco esta chapa porém antes faça uma limpeza rigorosa para eliminar sujeiras e gorduras por acaso aderidas à chapa.

Use, de preferência uma pintura com pistola em camada fina. Se não dispor de uma pistola de pintura use o pincel porém tendo o cuidado de depositar sobre a chapa uma camada fina de tinta pois a tinta em camada muito grossa funciona como mau condutor de calor.

Bom! Chegando neste estágio do trabalho você construiu o elemento mais importante de um sistema solar de aquecimento de água que é o que se chama de placa plana, exatamente onde se dá a conversão da energia luminosa do sol em energia térmica. 

Agora preste bem atenção! Se você vai usar apenas uma placa plana, uma das extremidades diametralmente opostas de cada tubo de 1 polegada de diâmetro será vedada. Para concluir o coletor plano propriamente dito nos falta fazer a estrutura onde a palca plana será colocada, isto é a caixa do coletor.  

CAIXA DO COLETOR

 Esta caixa poderá ser feita em perfíl de alumínio em forma de “U” de aproximadamente 9 centímetros de altura empregado pelas industrias de coletores solares, ou poderá ser feito em madeira, de preferência madeira de lei, conforme mostra o desenho número 8.

O fundo da caixa poderá ser feito em chapa de ferro galvanizado ou compensado naval de madeira de 4 mm de espessura. As laterais da caixa serão furadas com um furo de diâmetro igual ao diâmetro externo do tubo de 1 polegada de diâmetro cujos furos servirão de apoio para a grade de tubos.

 A próxima etapa será a preparação do isolamento térmico. O isolamento térmico poderá ser de fibra de vidro ou ainda de raspa de madeira bem seca, ambos com 5 centímetros de espessura. Usando raspa de madeira esta deverá ser acondicionada em saco plástico de 100 litros, desses que usamos para colocar lixo. Um outro isolante térmico que está sendo bastante usado é o poliuretano expandido.

 Para concluir o nosso trabalho do coletor plano resta apenas a cobertura transparente. Esta cobertura é feita com uma lâmina de vidro plano transparente de 4 mm de espessura, de preferência vidro antí-refletivo.

A fixação da lâmina de vidro será feita com silicone em pasta, tendo-se o cuidado de eliminar toda e qualquer brecha para que a água de chuva não entre na caixa.

Fazendo a caixa do coletor em madeira, deve-se proceder uma pintura externa com tinta a óleo (esmalte sintético), na cor branca ou alumínio, para proteção da citada caixa.

 Puxa! Eu pensei que a descrição de como construir um coletor plano não fosse tão cansativa... quanto mais construi-lo! Mas é assim mesmo, nada se faz sem trabalho. O importante é que depois de tudo concluído e o coletor instalado fornecendo água quente, certamente iremos nos orgulhar do nosso trabalho e incentivar os nossos amigos a fazer o que nós fizemos!

Mas somente a placa plana ou o coletor de placa plana não é suficiente para que tenhamos água quente em nossa casa. Precisamos ainda de um tanque para acumular a água aquecida para podermos usa-la na falta do sol.

 RESERVATÓRIO TERMICAMENTE ISOLADO 

Este tanque é o que chamamos de reservatório termicamente isolado e a sua capacidade de acumulação de água depende do número de usuários e dos pontos de utilização de água. Se a água quente é para o asseio corporal e também para a cozinha o volume do tanque seria maior do que se a água fosse apenas utilizada no asseio corporal, o que em última análise significa também um aumento da área de captação da radiação solar.

 Como fazer então este reservatório térmico? Este reservatório pode ser feito com os seguintes materiais:

1 – Aço inox

2 - Ferro galvanizado

3 – Cobre

4 – Fibra de vidro

 Dos materiais acima relacionados o aço inox é o mais empregado muito embora seja o mais caro de todos.

Estes reservatórios assim como a placa coletora já referida, podem ser encontrados no comercio porém o preço é bastante alto. Na verdade o nosso objetivo é mostrar como construir artesanalmente um sistema solar de aquecimento de água razão pela qual estamos descrevendo o processo de construção.

Uma solução econômica seria utilizar um tambor de 200 litros, desses usados para transportar óleo lubrificante, para constituir o reservatório térmico. Claro que esta alternativa é uma tentativa de obter o reservatório termicamente isolado a baixo custo, porém a sua durabilidade dificilmente será superior a 10 anos. 

A construção do reservatório térmico obedece o desenho 9, cujo reservatório tem capacidade para 200 litros.

De acordo com o desenho podemos observar que na verdade o reservatório térmico é formado por dois cilindros concêntricos sendo o de menor diâmetro (que pode ser de aço

inox, ferro galvanizado, cobre etc), o que armazenará a água aquecida e o de maior diâmetro (que pode ser construído em chapa fina de alumínio), tem por finalidade proteger o isolamento térmico de 5 cm de espessura, existente entre as laterais dos dois cilindros concêntricos e nos tôpos.

 Observe que sendo a água que irá ser aquecida pelo coletor solar alimentada pela água da caixa de água da residência, deve-se ter o cuidado de dotar o reservatório termicamente isolado de um tubo de equilíbrio o qual tem a finalidade de evitar o transbordamento e manter o sistema de aquecimento na pressão atmosférica.

 Construído o reservatório térmico a próxima etapa será montar o sistema e proceder as ligações entre o coletor plano e o reservatório térmico, isto é, ligar as tubulações e leva-las até os pontos de utilização de água quente.

 Estas ligações entre o coletor plano e o reservatório térmico podem ser feitas com solda branca, no caso das tubulações de cobre, ou podem ser feitas com o emprego de mangotes de borracha lonada e braçadeiras.

   MONTAGEM DO SISTEMA SOLAR DE AQUECIMENTO 

O sistema solar de aquecimento de água será montado segundo a direção Norte Sul e voltado para o Norte verdadeiro, inclinado de um ângulo igual ao da latitude do lugar onde será instalado, acrescido de 10o, isto é, (ângulo da latitude +10o S). Se o ângulo da latitude do lugar for por exemplo 12oS, o angulo de inclinação do coletor será de 22oS.

Este acrescímo no ângulo da latitude tem por objetivo fazer com que a incidência solar sobre o coletor seja a mais perpendicular possível durante todo o ano pois como sabemos, o sol está sempre mudando de posição em função da declinação solar.

Geralmente o coletor solar e o respectivo tanque ficam instalados sobre o

telhado da residência no entanto, se o telhado tem inclinação suficiente e estrutura arquitetônica que permita posicionar o reservatório de modo que ele não fique aparente, nada impede de faze-lo. Quer o reservatório seja ou não aparente, ele deve estar sempre em uma cota superior ao coletor (desenho 10) uma vez que estamos tratando de convecção natural. A cota entre o reservatório e o coletor deverá ser de no mínimo 30 centímetros muito embora eu recomende um mínimo de 60 centímetros pois sendo o sistema em convecção natural, a coluna de água existente entre o tanque e a entrada de água no coletor,

irá facilitar o movimento convectivo, isto é a circulação da água em termosifão entre a placa coletora e o reservatório térmico.

No caso da impossibilidade de instalação do reservatório em cota superior em relação à placa plana, o sistema será em circulação forçada o que exigirá uma bomba para fazer circular a água dentro do circuito de aquecimento.

 De um modo geral o sistema solar de aquecimento de água ( coletor e reservatório térmico) é instalado sobre o telhado da residência onde se encontra também a caixa de água fria que recebe a água diretamente da rede público.

Em algumas casos, quando a caixa de água fria se encontra instalado abaixo do telhado da residência, nada impede que o reservatório termicamente isolado seja também instalado sob o telhado pois isto facilitará a alimentação do sistema solar além de ser mais esteticamente recomendável, ficando apenas sobre o telhado o coletor plano.

 Esta instalação, para que o sistema possa trabalhar em termosifão, exige que o reservatório termicamente isolado fique a uma cota superior a extremidade superior da placa plana de no mínimo 30 cm, ou se preferir 60 cm, conforme mostrado no desenho 10.

O desenho 11 e é uma representação esquemática de uma instalação solar onde o reservatório térmico e a caixa de água fria se encontram abaixo do telhado.

O desenho 12 a seguir é uma representação esquemática de uma instalação de um

sistema solar de aquecimento de água de uma residência .

  Observe que as linhas em azul representam as tubulações de água fria, as linhas em vermelho as tubulações de água quente e as linhas vermelho e azul as tubulações de água morna, ou somente fria, ou somente quente, o que ocorre nas tubulações que vão ter ao chuveiro.

Partindo do reservatório termicamente isolado verificamos que a tubulação de saída de água quente ( em vermelho), vai alimentar a pia da sozinha e por meio de uma derivação vai também até o chuveiro. Nesta derivação encontra-se um pequeno circulo preto cortado por uma reta e ao lado dele na tubulação em azul (água fria), outro ponto semelhante os quais representam as respectivamente as torneiras ou registros que permitirão dosar os volumes de água quente e fria para que tenhamos a água a uma temperatura agradável para o banho.

  Com base no que dissemos e mostramos aquí de forma esquemática por meio dos desenhos, acreditamos que seja possível construir um sistema solar domiciliar de aquecimento de água, de forma artesanal.

  É evidente que tal construção exige uma certa habilidade manual, um pouco de criatividade e acima de tudo algum trabalho, trabalho este que será compensado com o resultado obtido.

Para aqueles que, por não terem habilidade manual ou mesmo alguma criatividade ou mesmo por serem comodistas, só resta comprar um sistema já industrializado e mandar instala-lo. De qualquer modo, quer fazendo ou comprando o tal sistema, deve-se ter o cuidado de posicionar corretamente o coletor de modo que o ganho energético durante o ano seja o maior possível. 

O dimensionamento do sistema de aquecimento solar isto é o cálculo baseado no número de usuários, incidência solar, rendimento térmico, volume de água a ser aquecido, ângulo de inclinação do coletor, finalidade do aquecimento etc, será objeto de um trabalho futuro.