ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UM FOGÃO SOLAR
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Roberto Ney Gomes de Oliveira, 2 João Jorge Ribeiro Damasceno
Bolsista do PET/MEC-SESu/UFU, discente do curso de Engenharia Química
Professor da Faculdade de Engenharia Química da UFU/MG
1,2
Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Av João Naves de Ávila, 2121, Bloco
1K, Campus Santa Mônica, Uberlândia - MG, CEP 38408-100
e-mail: [email protected]
RESUMO - O estudo de tecnologias relacionadas com a energia solar vem aumentando consideravelmente nos últimos anos devido à maior preocupação, principalmente ambiental, no uso
de energias alternativas. Desta forma, a análise de um fogão solar como uma alternativa energética na cocção dos alimentos é atualmente uma alternativa ecologicamente importante e correta. Pesquisas mostram que cerca de 2 bilhões de pessoas no mundo todo dependem diariamente de lenha para satisfação de suas necessidades energéticas direcionadas para a utilização domiciliar (cocção de alimentos e aquecimento). Isso representa um desmatamento anual
das florestas tropicais da ordem de 20.000 a 25.000 Km2. Desta forma, o objetivo desse trabalho foi analisar o desempenho de um fogão solar construído em 2007 pelo aluno Marcelo Ramos Marques, do curso de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia. Como
o mesmo utilizou materiais muito baratos, uma otimização desse fogão faz com que possamos
tornar acessível a população de baixa renda uma tecnologia bastante útil tanto ambientalmente
quanto economicamente. Vários testes foram realizados e melhorias vêm sendo propostas com
base nos resultados obtidos.
Palavras-Chave: energias alternativas, energia solar, fogão solar
INTRODUÇÃO
O emprego do fogão solar como uma alternativa energética na cocção dos alimentos e atualmente uma alternativa ecologicamente importante e correta, quando se sabe que de acordo
com o Manual for Solar Box Cooker´s , publicado
por Technology for Life, da Finlândia, cerca de um
terço da população mundial (2 bilhões de pessoas), dependem diariamente de lenha para satisfação de suas necessidades energéticas direcionadas para a utilização domiciliar (cocção de alimentos e aquecimento). Isto representa nos dias atuais um desmatamento anual das florestas tropicais da ordem de 20.000 a 25.000 Km2.
Esta ocorrência se dá exatamente entre as
populações que habitam as regiões tropicais, portanto em áreas propícias ao uso da energia solar
aonde a incidência solar chega, em alguns casos,
2
a um potencial de 1 kW/m .
Breve Histórico do Uso da Energia Solar
O Sol está entre uma das primeiras tentativas engendradas pelo homem na procura de desvendar os mistérios que se encontravam no mundo. Nas civilizações antigas, o Sol era culturalmente e religiosamente o corpo celeste mais cultuado.
De Temperamentis é a mais antiga obra
que menciona a primeira façanha científica utilizando energia solar, realizada pelo grego Arquimedes por volta de 212 a.C.. Utilizando um enorme jogo de espelhos planos, formados pelos escudos de bronze dos soldados gregos após o polimento, Arquimedes conseguiu direcionar a luz do
Sol para um mesmo ponto de um navio por vez,
incendiando a frota inimiga em Siracusa. Os historiadores Lívio e Plutarco não se reportaram a esta
aplicação da energia solar, embora houvessem se
referido à outras armas bem mas complexas, imaginadas por Arquimedes para combater Marcelo. O romano, infelizmente, sitiou Siracusa, que
terminou capturada, e fez matar Arquimedes.
Ao final do século XVIII o cientista francês
Lavoisier, usando uma lente grande de 52 polegadas, e outra acessória de 8 polegadas, conseguiu atingir temperaturas próximas de 1.750ºC,
por pouco não conseguindo fundir a platina. Foi,
indubitavelmente, a maior temperatura atingida
naquela época pelo homem.
Lavoisier ajudou também a evolução da
fornalha solar quando provocou combustões no
vácuo e em atmosferas controladas empregando
recipientes de quartzo. Observou também que o
fogo das fornalhas comuns parece menos puro
que o das solares uma importante consideração
como mais tarde evidenciariam os pesquisadores.
VIII Congresso Brasileiro de Engenharia Química em Iniciação Científica
27 a 30 de julho de 2009
Uberlândia, Minas Gerais, Brasil
Diversos inventores começaram a trabalhar
com máquinas solares quase ao mesmo tempo.
Com o apoio de Napoleão III, August Moucht arquitetou entre 1866 e 1872 uma máquina a vapor
movida pelo Sol. Seu trabalho foi exibido em
Tours e testado mais tarde na Argélia em bombeamento de água.
Por volta de 1875, o sueco John Ericsson
havia construído oito modelos diferentes de seus
engenhos solares, mas, ainda que para eles reivindicassem uma elevada eficiência, nenhum era
prático. Em 1883 fez uma última tentativa, criando
a que era segunda máquina solar da época, em
tamanho. Continha um coletor retangular parabólico de 11 por 16 pés, que movimentava um pistão
de 6 polegadas de calibre e 8 de percurso. Projetado para operar a vapor ou a ar, a máquina foi
conectada a uma bomba de 5 polegadas, produzindo, de acordo com Ericsson 1 CV por pés de
coletor que ele empregará.
diretamente para aquecimento de água ou ainda
como elétrica ou mecânica.
No seu movimento de translação ao redor
2
do Sol, a Terra recebe em média 1410 W/m de
energia, medição feita numa superfície normal
(em ângulo reto) com o Sol. Disso, aproximadamente 19% é absorvido pela atmosfera e 35% é
refletido pelas nuvens. Ao passar pela atmosfera
terrestre, a maior parte da energia solar está na
forma de luz visível ou luz ultravioleta.
As plantas utilizam diretamente essa energia no processo de fotossíntese. Nós usamos essa energia quando queimamos lenha ou combustíveis minerais. Existem técnicas experimentais
para criar combustível a partir da absorção da luz
solar em uma reação química de modo similar à
fotossíntese vegetal - mas sem a presença destes
organismos.
Regiões Propícias
O uso dos fogões solares está diretamente
associado a incidência solar e ao clima. Embora
seja possível o uso de fogões solares em todo o
globo, nos países de clima tropical e equatorial,
nas regiões de até 40º de latitude se mostram as
melhores regiões para o uso do fogão solar, possível seu uso até mesmo no inverno.
O mapa abaixo mostra as regiões de maior
potencial em todo o planeta. Estima-se que só na
Índia e China existam mais de 100.000 fogões
solares instalados.
Figura 2 – Painel Solar
Métodos de Captura da Energia Solar
Direto: Significa que há apenas uma
transformação para fazer da energia solar um tipo
de energia utilizável pelo homem. Exemplos: energia solar que atinge uma célula fotovoltaica
criando eletricidade, a energia solar que atinge
uma superfície escura e é transformada em calor,
que aquecerá uma quantidade de água, por exemplo - princípio muito utilizado em aquecedores
solares.
Figura 1 – Mapa com as 25 melhores regiões
para a utilização do fogão solar
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Indireto: Significa que precisará haver
mais de uma transformação para que surja energia utilizável. Exemplo: Sistemas que controlam
automaticamente cortinas, de acordo com a disponibilidade de luz do Sol.
Vantagens e Desvantagens do Uso da Energia
Solar
Energia Solar
Energia solar é a designação dada a qualquer tipo de captação de energia luminosa (e, em
certo sentido, da energia térmica) proveniente do
Sol, e posterior transformação dessa energia captada em alguma forma utilizável pelo homem, seja
Vantagens: A energia solar não polui durante seu uso. A poluição decorrente da fabricação
dos equipamentos necessários para a construção
dos painéis solares é totalmente controlável utilizando as formas de controles existentes atualmente;
As centrais necessitam de manutenção mínima;
Os painéis solares são a cada dia mais potentes ao mesmo tempo em que seu custo vem
decaindo. Isso torna cada vez mais a energia solar uma solução economicamente viável;
A energia solar é excelente em lugares remotos ou de difícil acesso, pois sua instalação em
pequena escala não obriga a enormes investimentos em linhas de transmissão;
Em países tropicais, como o Brasil, a utilização da energia solar é viável em praticamente
todo o território, e, em locais longe dos centros de
produção energética, sua utilização ajuda a diminuir a demanda energética nestes e conseqüentemente a perda de energia que ocorreria na
transmissão.
Desvantagens: Existem variações nas quantidades produzidas de acordo com a situação climática (chuvas, neve), além de que durante a noite
não existe produção alguma. Isso obriga a existência de meios de armazenamento da energia
produzida durante o dia em locais onde os painéis
solares não estejam ligados à rede de transmissão de energia;
Locais em latitudes médias e altas (Ex: Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e Sul da Argentina
e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. Locais com freqüente cobertura de nuvens (Curitiba e Londres,
por exemplo), tendem a ter variações diárias de
produção de acordo com o grau de nebulosidade;
As formas de armazenamento da energia
solar são pouco eficientes quando comparadas,
por exemplo, aos combustíveis fósseis (carvão,
petróleo e gás), a energia hidroelétrica (água) e a
biomassa (bagaço da cana ou bagaço da laranja).
Muito mais ambicioso é o projeto australiano de uma central de 154 MW, capaz de satisfazer o consumo de 45 000 casas. Esta se situará
em Victoria e prevê-se que entre em funcionamento em 2013, com o primeiro estágio pronto
em 2010. A redução de emissão de gases de estufa conseguida por esta fonte de energia limpa
será de 400.000 toneladas por ano.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais
Fogão previamente construído pelo exaluno Marcelo Ramos Marques da Silva e apresentado como projeto de graduação no ano de
2007.
Consiste em um fogão solar que funciona
segundo os princípios dos fogões parabólicos,
recebendo a radiação solar de forma direta e a
convertendo em um único ponto onde será realizada a cocção dos alimentos.
Seu diferencial está em ser semelhante a
um tabuleiro onde foram fixados 81 espelhos de
lado 5 cm, inclinados de modo a gerar um foco
único, reproduzindo a estrutura de um espelho
côncavo, base dos fogões solares parabólicos.
Construído com materiais baratos sua otimização se torna totalmente importante, devido
ao fato de poder gerar uma forma barata de uso
de energia solar, reduzindo o impacto ambiental
do uso de lenha em regiões pobres, como descrito na revisão bibliográfica.
Segundo Marcelo, utilizando-se uma caçarola de alumínio pintada de preto seria possível
obter, para 400 mL de água, uma temperatura de
100ºC em apenas 15 min.
Energia Solar no Mundo
Em 2004 a capacidade instalada mundial
de energia solar era de 2,6 GW, cerca de 18% da
capacidade instalada da usina hidrelétrica de Itaipu. Os principais países produtores, curiosamente, estão situados em latitudes médias e altas. O
maior produtor mundial era o Japão (com 1,13
GW instalados), seguido da Alemanha (com 794
MW) e Estados Unidos (365 MW)
Entrou em funcionamento em 27 de Março
de 2007 a Central Solar Fotovoltaica de Serpa
(CSFS), a maior unidade do gênero do Mundo.
Fica situado na freguesia de Brinches, Alentejo,
Portugal, numa das áreas de maior exposição
solar da Europa. Tem capacidade instalada de 11
MW, suficiente para abastecer cerca de oito mil
habitações.
Entretanto está projetada e já em fase de
construção outra central com cerca de seis vezes
a capacidade de produção desta, também no Alentejo, em Amareleja, conselho de Moura..
Figura 3 – Fogão Solar utilizado
Métodos
Buscou-se primeiramente um aprendizado
prévio de utilização do fogão, assim como a colagem de espelhos que devido ao tempo, haviam se
desprendido do painel principal.
Feito isso, buscou-se como ponto de partida determinar quais condições seriam testadas.
Optou-se por realizar o aquecimento de um volume constante de água por um tempo máximo de
40 minutos, o qual por julgamento pessoal será
máximo aceitável para que o fogão possa ser utilizado de modo eficiente. O volume de água adotado foi 400 mL.
Ficou determinado que a análise do fogão
ocorresse entre o período de 8 às 16hs, a fim de
poder se determinar o horário ótimo para utilização do mesmo.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Teste 01
Os primeiros testes realizados tiveram como objetivo analisar o comportamento do fogão
solar nas piores condições possíveis, ou seja, nas
condições que houvesse maior perda de calor
para o ambiente e/ou absorção incompleta da
radiação solar.
Utilizou-se uma leiteira de teflon, sem tampa sujeita a perdas de calor ao ambiente (sem
isolamento). O material escolhido para a panela
foi devido principalmente a sua cor, tornando desnecessária a pintura de uma panela, como foi realizado por Marcelo, 2007.
O foco foi concentrado lateralmente à panela, pois tal condição permitia um posicionamento
do fogão que ofereceria menos riscos para que a
leiteira fizesse sombra nos espelhos ou caísse
sobre o tabuleiro.
Figura 4 – Fogão Solar com foco lateral
às
15h00min
15h00min
às
16h00min
24ºC
35ºC
40ºC
52ºC
60ºC
Concluiu-se que a cada 20 min. se tornava
necessário o deslocamento do fogão a fim de se
acertar o foco. Os testes foram realizados nos
meses de junho e julho.
A temperatura máxima obtida foi de 65ºC e
seguiu o comportamento teoricamente aceitável,
atingindo maiores temperaturas em menor tempo
entre as 11 e 13 h. Não houve diferenças consideráveis no aquecimento ao longo do dia, o que pode ser justificado pelas perdas decorrentes da
troca de calor com o ambiente.
Teste 02
Efetuaram-se mudanças a fim de se obter
um melhor desempenho do fogão:
•
Mudança do material da panela:
substitui-se a leiteira de teflon por uma panela
pequena de alumínio pintada de preto fosco. Os
testes foram realizados com a panela tampada;
•
Mudança do foco: O foco nesse
teste foi concentrado no fundo da panela, visando
gerar um aquecimento uniforme e mais continuo
que quando o mesmo se encontrava lateralmente.
Um maior cuidado no manuseio do fogão foi necessário pois a panela ficou mais suscetível a cair
sobre o tabuleiro ou gerar sombra sobre os espelhos.
Tabela 1 – Resultados Temperaturas x Tempo
de Exposição
Temperaturas x Tempo de Exposição
Horário do
0 min.
dia
09h00min
às
24ºC
10h00min
10h00min
às
24,5ºC
11h00min
11h00min
às
24,5ºC
12h00min
12h00min
às
23,5ºC
13h00min
13h00min
às
24ºC
14h00min
14h00min
24ºC
10
min.
20 min.
30
min.
40
min.
44ºC
57ºC
62ºC
65ºC
45ºC
55ºC
60ºC
61ºC
49ºC
55,5ºC
58ºC
59ºC
49ºC
56,5ºC
60ºC
61ºC
45ºC
55ºC
59ºC
63ºC
43ºC
54ºC
59ºC
65ºC
Figura 5 – Fogão Solar com foco ao fundo da
panela
Tabela 2 – Resultados Temperaturas x Tempo
de Exposição
Temperaturas x Tempo de Exposição
Horário
40
0 min 10 min 20 min 30 min
do dia
min
09h00min
às
26ºC
52ºC
63ºC
69,5ºC 71ºC
10h00min
10h00min
às
26ºC
55ºC
66,5ºC
74ºC
78ºC
11h00min
11h00min 26ºC 56,5ºC
74ºC
78ºC
85ºC
às
12h00min
12h00min
às
13h00min
13h00min
às
14h00min
26ºC
60ºC
76ºC
83ºC
85ºC
26ºC
56ºC
73ºC
77ºC
80ºC
Assim como no teste 01, a cada 20 min. se
tornava necessário o deslocamento do fogão a
fim de se acertar o foco. Os testes foram realizados nos meses de agosto e setembro.
A temperatura máxima obtida foi de 85ºC,
obtendo um desempenho muito melhor que o do
teste anterior, mesmo em meses onde o vento
sempre ocorre. Seguiu o comportamento teórico,
obtendo-se maiores temperaturas e de forma
mais rápida entre as 11 e 13 horas.
CONCLUSÃO
Projeto viável desde que feita as alterações
necessárias, sendo possível obter altas temperaturas praticamente durante o dia todo. A melhor
hora de trabalho deu-se das 09h00min às
16h00min com um período intenso entre 11 e 13
horas.
A cada 20 minutos torna-se necessário um
reposicionamento do foco sobre a panela.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
SILVA, M. R. M., 2007. “Projeto e Construção de
um Fogão Solar”, Projeto de Graduação do
Curso de Engenharia Química da UFU.
www.solarcooking.org
www.solarcookers.org
Wikipedia, a Enciclopédia Livre – pt.wikipedia.org
http://www.cepa.if.usp.br/energia
http://www.aondevamos.eng.br/textos/texto03.htm
http://g1.globo.com/Noticias/Tecnologia
http://www.pime.org.br/mundoemissao/ecologiasol
ar.htm
AGRADECIMENTOS
Ao professor e meu grande mestre João
Jorge Ribeiro Damasceno.