UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA 4ª Semana do Servidor e 5ª Semana Acadêmica 2008 UFU 30 anos FOGÃO SOLAR Neiton Carlos da Silva 1 Faculdade de Engenharia Química Universidade Federal de Uberlândia Avenida João Naves de Ávila, 2121 Uberlândia MG CEP 38400-902. neitoncsilva@yahoo.com.br Roberto Ney Gomes de Oliveira 1 João Jorge Ribeiro Damasceno 2 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 Km 2. 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: Fogão solar, energia solar. 1. 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 Km 2. 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, a um potencial de 1 kw/m 2. 1.1 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. 1 Acadêmico(s) do curso Engenharia Química; 2 Orientador
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. 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. 1.2 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 1: Mapa com as 25 melhores regiões para a utilização do fogão solar. 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 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 diretamente para aquecimento de água ou ainda como elétrica ou mecânica. No seu movimento de translação ao redor do Sol, a Terra recebe em média 1410 W/m 2 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. 2.2 Métodos de captura da energia solar 2.2.1 Direto Figura 2: Painel Solar. 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. 2.2.2 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. 2.3 Vantagens e desvantagens do uso da energia solar 2.3.1 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; 3
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. 2.3.2 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). 2.4 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.. 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. 3 - MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 Materiais Fogão previamente construído pelo ex-aluno 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. 4
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. 3.2 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. 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 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 Tabela 1: Resultados Temperaturas x Tempo de Exposição Temperaturas x Tempo de Exposição Horário do dia 09h00min às 10h00min 10h00min às 11h00min 11h00min às 12h00min 12h00min às 13h00min 13h00min às 14h00min 14h00min às 15h00min 15h00min às 16h00min 0 min. 10 min. 20 min. 30 min. 40 min. 24ºC 44ºC 57ºC 62ºC 65ºC 24,5ºC 45ºC 55ºC 60ºC 61ºC 24,5ºC 49ºC 55,5ºC 58ºC 59ºC 23,5ºC 49ºC 56,5ºC 60ºC 61ºC 24ºC 45ºC 55ºC 59ºC 63ºC 24ºC 43ºC 54ºC 59ºC 65ºC 24ºC 35ºC 40ºC 52ºC 60ºC 5
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. 4.2 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 2: Resultados Temperaturas x Tempo de Exposição Horário do dia 09h00min às 10h00min 10h00min às 11h00min 11h00min às 12h00min 12h00min às 13h00min 13h00min às 14h00min Temperaturas x Tempo de Exposição 0 min 10 min 20 min 30 min 40 min 26ºC 52ºC 63ºC 69,5ºC 71ºC 26ºC 55ºC 66,5ºC 74ºC 78ºC 26ºC 56,5ºC 74ºC 78ºC 85ºC 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. 5 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. 6 AGRADECIMENTOS Ao professor e meu grande mestre João Jorge Ribeiro Damasceno. 6
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SILVA, M. R. M. Projeto e Construção de um Fogão Solar, Projeto de Graduação do Curso de Engenharia Química da UFU, 2007. 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/ecologiasolar.htm. SOLAR COOKER Neiton Carlos da Silva School of Chemical Engineering Federal University of Uberlandia 2121 João Naves de Avila avenue Zip code: 38400-902 Uberlândia MG Brazil neitoncsilva@yahoo.com.br Roberto Ney Gomes de Oliveira João Jorge Ribeiro Damasceno Abstract: The study of technologies related to solar energy has increased considerably in recent years because of greater concern, environmental mainly in the use of alternative energies. Thus the analysis of a solar cooker as an alternative energy in cooking food is now an alternative ecologically important and correct, since polls show that about 2 billion people worldwide depend on firewood for daily satisfaction of its energy needs directed for household use (cooking of food and heating), representing an annual deforestation of tropical forests in the order of 20,000 to 25,000 km2. Thus, the purpose of this study was to analyze the performance of a solar cooker built in 2007 by Marcelo Ramos Marques student's course of Chemical Engineering, Federal University of Uberlandia. As the same materials used very cheap, an optimization of the stove means that we can make it accessible to people of low income a very useful technology both environmentally and economically. Several tests were made and improvements are being proposed based on the results obtained. Keywords: Solar cooker, solar energy. 7