Projete um protótipo de coletor solar passivo para aquecer 50 L de água de 15 °C até 60 °C durante o dia…

Questão

Projete um protótipo de coletor solar passivo para aquecer 50 L de água de 15 °C até 60 °C durante o dia. Indique: (a) equações e cálculos para estimar a área coletora necessária dado irradiância média de 800 W·m?² e eficiência óptica de 60%; (b) variáveis termodinâmicas a monitorar; (c) sensores e um fluxo de controle digital para evitar superaquecimento; (d) avaliação de sustentabilidade (materiais, perdas e segurança).

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

Resposta esperada

Resposta modelo (resuma os passos e cálculos): 1) Energia necessária: Q = m·c·?T = 50 kg·4200 J·kg?¹·K?¹·(60-15) K = 50·4200·45 = 9,45×10^6 J. 2) Energia disponível por m² em 1 h: E_m = irradiância·tempo·eficiência = 800 W·m?²·3600 s·0,60 = 1,728×10^6 J·m?²·h?¹. Se o dia útil for ~5 h, energia por m² ˜ 8,64×10^6 J·m?². Área ˜ Q / (energia por m²) ˜ 9,45×10^6 / 8,64×10^6 ˜ 1,09 m² ? adotar área prática ˜1,2 m². 3) Variáveis a monitorar: temperatura do coletor, temperatura do reservatório, vazão (se houver circulação), irradiância solar, perdas térmicas. Fórmulas úteis: Q = m c ?T, P_abs = A·G·?, perdas por condução Q?_cond = kA?T/d, por radiação Q?_rad ˜ esA(T^4-T_env^4). 4) Sensores/controle digital: termistores/RTDs nos pontos de entrada/saída e no reservatório; sensor de irradiância; controlador que aciona circulação (bomba) quando T_coletor > T_reservatório + ?T seguro; válvula de alívio e cutoff se T > limite; registro de dados para estimativas e otimização. 5) Avaliação de sustentabilidade: escolher materiais com baixo impacto (alumínio reciclável, vidro temperado, isolamento localmente disponível), minimizar perdas usando isolamento adequado (reduz Q?_cond), projetar para manutenção e segurança (proteção contra sobrepressão e sobretemperatura). Fazer análise de ciclo de vida e estimativa de tempo de retorno energético com base na economia de combustível/eletricidade. Observações: justificar cada escolha com cálculo de energia e comparações de perdas; documentar incertezas e usar ferramentas digitais (planilhas ou software de simulação) para ajustar área, inclinação e controle.

Explicação

A solução apresentada fornece um cálculo detalhado da energia necessária para aquecer a água, considerando a eficiência do coletor e a irradiância solar disponível, o que é fundamental para dimensionar a área coletora. Além disso, aborda a importância de monitorar variáveis termodinâmicas e implementar um sistema de controle para evitar superaquecimento, garantindo a segurança e eficiência do sistema. Por fim, a avaliação de sustentabilidade destaca a escolha de materiais e estratégias para minimizar perdas, reforçando a viabilidade ambiental do projeto.

Raio-X da questão

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