Uma família precisa aquecer diariamente 80 L de água de 20 °C a 50 °C (use c = 4180 J/kg·K). A irradiância…

Questão

Uma família precisa aquecer diariamente 80 L de água de 20 °C a 50 °C (use c = 4180 J/kg·K). A irradiância média disponível é 700 W/m² por 5,0 h/dia. Calcule e compare: (a) área A_ térmica de um coletor solar com eficiência 50%; (b) área A_PV de painéis fotovoltaicos (eficiência 18%) cuja eletricidade, convertida em calor por resistência com eficiência 95%, atende a mesma demanda. Apresente cálculos e discuta vantagens físicas e práticas de cada solução.

✍️ Questão dissertativa: veja abaixo a resposta esperada e a explicação.

Resposta esperada

Cálculo da demanda: m = 80 kg; ?T = 30 K. Q = m·c·?T = 80·4180·30 = 10 032 000 J = 2,788 kWh. Coletor térmico (?=0,50): energia por m² = I·t·? = 700 W/m²·5 h·0,50 = 700·5·0,50 Wh/m² = 1750 Wh/m² = 1,75 kWh/m². A_térmica = 2,788/1,75 ˜ 1,59 m². PV (?_PV=0,18, resistência 95%): energia por m² = 700·5·0,18·0,95 Wh/m² = 700·5·0,171 Wh/m² = 598,5 Wh/m² = 0,5985 kWh/m². A_PV = 2,788/0,5985 ˜ 4,66 m². Discussão sucinta: o coletor térmico exige menor área e converte solar diretamente em calor (maior eficiência para aquecimento), mas precisa de sistema de armazenamento térmico e bom isolamento; PV é mais versátil (fornece eletricidade para outros usos), facilita acoplamento com bombas/controles e armazenamento elétrico, porém requer maior área e pode ser mais caro por m² útil no aquecimento direto.

Explicação

Os cálculos realizados demonstram a comparação entre as áreas necessárias para um coletor solar térmico e painéis fotovoltaicos, considerando suas respectivas eficiências na conversão de energia solar em calor. A análise destaca que, embora o coletor térmico seja mais eficiente para aquecimento direto, os painéis fotovoltaicos oferecem maior versatilidade e a possibilidade de uso em diversas aplicações elétricas. Essa comparação é crucial para a escolha da tecnologia mais adequada, levando em conta fatores práticos como espaço disponível e custos.

Raio-X da questão

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