( PDF ) Construção e analise de desempenho de um fogão solar a concentração utilizando dois focos para cozimento direto

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA

Dissertação submetida à

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

como parte dos requisitos para a obtenção do grau de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

CARLOS ALBERTO PEREIRA DE QUEIROZ LION FILHO

Natal RN

Maio de 2007

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA

CARLOS ALBERTO PEREIRA DE QUEIROZ LION FILHO

Orientador: Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade

Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), convênio

com o Centro Federal de Educação Tecnológica da

Bahia (CEFET-BA), como requisito para obtenção do

título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Orientador: Profº Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza

Natal RN

Maio de 2007

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM

ENGENHARIA MECÂNICA

CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM FOGÃO SOLAR À CONCENTRAÇÃO

UTILIZANDO DOIS FOCOS PARA COZIMENTO DIRETO

CARLOS ALBERTO PEREIRA DE QUEIROZ LION FILHO

Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título de

MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA

sendo aprovada em sua forma final.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________

Luiz Guilherme Meira de Souza

__________________________________

José Ubiragi de Lima Mendes

__________________________________

Caubi Ferreira de Souza Júnior

A minha esposa Luciene

e meu filho Pedro

dedico este trabalho

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Professor Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza pelo apoio dado às

idéias e pelo incentivo constante.

Ao Centro Federal de Educação Tecnológica da Bahia e a Universidade Federal do

Rio Grande do Norte pela oportunidade de realização do Mestrado.

Ao Aldo pela colaboração no desenvolvimento das idéias e pela participação em todas

as etapas de execução do protótipo.

A todos que direta ou indiretamente, perto ou distante, presentes ou ausentes,

contribuíram para a realização desta pesquisa.

SUMARIO

1 INTRODUÇÃO................................................................................................... .... 16

1.1 Apresentação do Trabalho........................................................................................ 17

1.2 Objetivos..................................................................................................................... 18

1.2.1 Objetivo Geral................................................................................................ .............18

1.2.2 Objetivos específicos..................................................................................... ..............18

2 ESTADO DA ARTE.................................................................................................. 20

2.1 A Energia Solar......................................................................................................... 20

2.2 Potencial Solar..........................................................................................................22

2.3 Processos de Aproveitamento................................................................................... 23

2.4 Os Coletores de Média Concentração...................................................................... 24

2.5 O Uso do Fogão Solar................................................................................................26

2.5.1 Histórico.......................................................................................................................27

2.5.2 Vantagens do uso dos fogões solares na zona rural......................................................28

2.5.3 Tipos de fogões solares.................................................................................................29

2.5.3.1 Fogão tipo caixa................................................................................... ......................30

2.5.3.2 Fogão concentrador....................................................................................................31

2.5.3.3 Cozinhas aquecidas por coletores de placa plana........................................................37

3 MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................................... 38

3.1 Processos de Fabricação e Montagem do Fogão Solar Proposto........................... 38

3.2 Metodologia dos Ensaios........................................................................................... 47

3.3 Fundamentação Teórica............................................................................................ 49

4 ANÁLISES DOS RESULTADOS............................................................................ 55

5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES............................................................................. 86

5.1 Conclusões.................................................................................................................. 86

5.2 Sugestões..................................................................................................................... 87

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................................. 88

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 Mapa da radiação global diária– (Brasil – 1998)... ......................................21

Figura 2.2 Focalização pontual em função da geometria da superfície refletora ..........24

Figura 2.3 Focalização linear em função da geometria da superfície refletora..............25

Figura 2.4 Fogão solar tipo caixa construído no LMHES – UFRN ............................. 31

Figura 2.5 Cozinha solar utilizando fogão concentrador Scheffler .............................. 32

Figura 2.6 Concentrador retangular (EUA)...................................................................32

Figura 2.7 Fogão solar à concentração construído no LES-UFPB............................... 33

Figura 2.8 Refletor parabólico com distância focal reduzida....................................... 33

Figura 2.9 Fogão solar à concentração com superfície refletora composta por 24

segmentos de alumínio polido Espanha.................................................................................. 33

Figura 2.10 Fogão solar esférico reflexivo.................................................................... 34

Figura 2.11 Fogão solar de geometria alternativa........................................................... 34

Figura 2.12 Fogão solar FRESNEL................................................................................ 34

Figura 2.13 Fogão solar à concentração construído a partir de uma antena parabólica...34

Figura 2.14 Fogão solar à concentração tipo borboleta – Quênia................................... 35

Figura 2.15 Cozinha Scheffler composta de 84 refletores de 10m

em um cetro de IOGA

na Índia..................................................................................................................................... 35

Figura 2.16 Fogão solar construído de estrume e barro com duas parábolas (Nepal).... 36

Figura 2.17 Vistas do fogão solar construído no LMHES – UFRN (a), (b) e (c)........... 36

Figura 2.18 Fogão solar construído na Universidade Federal do Ceará......................... 37

Figura 3.1 Raio da superfície de captação.....................................................................39

Figura 3.2 Traçado do perfil do parabolóide a partir do centro da circunferência ....... 39

Figura 3.3 Traçado do perfil do parabolóide ................................................................ 40

Figura 3.4 Perfil do parabolóide.................................................................................... 40

Figura 3.5 Vistas do perfil do parabolóide (a), (b) e (c).............................................. 41

Figura 3.6 Visualização funcional e posição de utilização do parabolóide ..................41

Figura 3.7 Perfil padrão para a construção do molde .................................................. 42

Figura 3.8 Estrutura de fixação do perfil padrão........................................................... 42

Figura 3.9 Molde de concreto utilizado para obtenção do parabolóide ........................43

Figura 3.10 Ferramenta para corte de espelhos ............................................................. 44

Figura 3.11 Superfície de espelho

...........................................................................

.................... 45

Figura 3.12 Detalhes da estrutura de barra chata do fogão (a) e (b)............................... 45

Figura 3.13 Detalhes do mecanismo de acompanhamento do movimento aparente do sol

(a), (b) e (c).............................................................................................................................. 46

Figura 3.14 Vistas do fogão solar construído no LMHES – UFRN (a), (b) e (c)........... 47

Figura 3.15 Curva de calibração do termopar utilizado ................................................. 48

Figura 3.16 Esquema global do processo de conversão da energia solar em energia

térmica .................................................................................................................................... 49

Figura 3.17 Fluxo de energia do sistema de captação-conversão de radiação solar em

energia térmica ........................................................................................................................ 50

Figura 4.1 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 1° dia de

ensaio com o fogão em estudo ................................................................................................ 60

Figura 4.2 Comportamento da radiação solar global média no 1° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 61

Figura 4.3 Comportamento da radiação solar direta média no 1° dia de ensaio com o

fogão em estudo...................................................................................................................... 61

Figura 4.4 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 2° dia de

ensaio com o fogão em estudo................................................................................................. 62

Figura 4.5 Comportamento da radiação solar direta média no 2° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 62

Figura 4.6 Comportamento da radiação solar global média no 2° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 63

Figura 4.7 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 3° dia de

ensaio com o fogão em estudo................................................................................................. 64

Figura 4.8 Comportamento da radiação solar global média no 3° dia de ensaio com o

fogão em estudo...................................................................................................................... 64

Figura 4.9 Comportamento da radiação solar direta média no 3° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 65

Figura 4.10 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 4° dia de

ensaio com o fogão em estudo................................................................................................. 66

Figura 4.11 Comportamento da radiação solar global média no 4° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 66

Figura 4.12 Comportamento da radiação solar direta média no 4° dia de ensaio com o

fogão em estudo....................................................................................................................... 67

Figura 4.13 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 5° dia de

ensaio com o fogão em estudo ................................................................................................ 68

Figura 4.14 Comportamento da radiação solar global média no 5° dia de ensaio com o

fogão em estudo ...................................................................................................................... 68

Figura 4.15 Comportamento da radiação solar direta média no 5° dia de ensaio com o

fogão em estudo ...................................................................................................................... 69

Figura 4.16 Comportamento das temperaturas médias nos focos obtidas no 6° dia de

ensaio com o fogão em estudo................................................................................................. 70

Figura 4.17 Comportamento da radiação solar global média no 6° dia de ensaio com o

fogão em estudo ...................................................................................................................... 70

Figura 4.18 Comportamento da radiação solar direta média no 6° dia de ensaio com o

fogão em estudo ...................................................................................................................... 71

Figura 4.19 Comportamento das temperaturas médias nos dois focos em todos os dias de

ensaio ...................................................................................................................................... 72

Figura 4.20 Comportamento da radiação global média em todos os dias de ensaio...... 72

Figura 4.21 Comportamento das temperaturas máximas atingidas nos dois focos durante

todos os dias de ensaio............................................................................................................ 73

Figura 4.22 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 08:00 às

09:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 76

Figura 4.23 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 09:00 às

10:00 em todos os dias de ensaio..............................................................................................76

Figura 4.24 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 10:00 às

11:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 77

Figura 4.25 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 11:00 às

12:00 em todos os dias de ensaio ............................................................................................ 77

Figura 4.26 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 12:00 às

13:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................ 78

Figura 4.27 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 13:00 às

14:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 78

Figura 4.28 Comportamento das temperaturas médias do foco1 no horário de 14:00 às

15:00 em todos os dias de ensaio..............................................................................................79

Figura 4.29 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 08:00 às

09:00 em todos os dias de ensaio sol....................................................................................... 79

Figura 4.30 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 09:00 às

10:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 80

Figura 4.31 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 10:00 às

11:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 80

Figura 4.32 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 11:00 às

12:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 81

Figura 4.33 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 12:00 às

13:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 81

Figura 4.34 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 13:00 às

14:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 82

Figura 4.35 Comportamento das temperaturas médias do foco2 no horário de 14:00 às

15:00 em todos os dias de ensaio............................................................................................. 82

Figura 4.36 Comportamento das temperaturas médias horárias por foco em função do

tempo durante os seis dias de ensaio........................................................................................ 83

Figura 4.37 Comportamento da radiação direta em função do tempo durante os seis dias

de ensaio................................................................................................................................... 83

Figura 4.38 Cozimento de alimentos no fogão em estudo.............................................. 84

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 Fatores de concentração e numero anual de ajustes do concentrador ................26

Tabela 4.1 Evolução da temperatura da água para o teste de ebulição de no dia 1

................

Tabela 4.2 Evolução da temperatura da água para o teste de ebulição de no dia 2..............58

Tabela 4.3 Evolução da temperatura da água para o teste de ebulição de no dia 3............. 58

Tabela 4.4 Evolução da temperatura da água para o teste de ebulição de no dia 4............. 58

Tabela 4.5 Tempo de ebulição da água em função das irradiações médias......................... 59

Tabela 4.6 Dados obtidos no 1º dia de ensaio com o fogão solar........................................ 60

Tabela 4.7 Dados obtidos no 2º dia de ensaio com o fogão solar........................................ 61

Tabela 4.8 Dados obtidos no 3º dia de ensaio com o fogão solar ....................................... 63

Tabela 4.9 Dados obtidos no 4º dia de ensaio com o fogão solar.........................................65

Tabela 4.10 Dados obtidos no 5º dia de ensaio com o fogão solar ....................................... 67

Tabela 4.11 Dados obtidos no 6º dia de ensaio com o fogão solar........................................ 69

Tabela 4.12 Dados médios gerais de todos os dias de ensaio................................................ 71

Tabela 4.13 Dados médios horários de temperatura obtidos no foco 1 durante a realização do

teste..................................................................................................................... 75

Tabela 4.14 Dados médios horários de temperatura obtidos no foco 2 durante a realização do

teste..................................................................................................................... 75

Tabela 4.15 Tempo de cozimento de alimentos em função do tipo de fogão solar............... 84

NOMENCLATURA

Eficiência ótica do sistema de captação da energia solar

Eficiência de conversão térmica

Eficiência útil de conversão

Eficiência global do sistema

ρ Refletividade do concentrador (%)

Absortividade da panela (%)

Absortividade do absorvedor (%)

ε Emissividade do absorvedor

σ Constante de Stefan-Boltzmann cujo valor é 5,67 x 10

-8

W/m

Radiação instantânea coletada pelo sistema de captação (W/m

)

área da superfície de coleção de energia solar (m

)

Área iluminada do absorvedor (m

)

Potencia térmica útil (W)

e T

Temperatura do fluido termodinâmico no absorvedor e no ambiente (K)

Área útil do concentrador (m

)

Fração da radiação refletida que é absorvida pela panela (%)

abs

Potencia máxima absorvida pela panela (W)

perdas

Potencia perdida, perda no sistema (W)

U Coeficiente de perdas (W/m

. K)

Temperatura externa da panela (K)

Raio externo da panela (m)

Raio interno da panela (m)

iso

Condutibilidade térmica do isolamento (W/m

. K)

Coeficiente de convecção entre a superfície externa da panela e o ar ambiente

(W/m

. K)

Condutividade térmica do ar (W/m

. K)

L Altura da panela (m)

Numero de Rayleigh

foco

Temperatura no foco (K)

T Temperatura teórica no foco do concentrador (K)

Temperatura no fundo da panela (K)

agua

Temperatura da água (K)

foco

Área do foco (m

)

C Fator de concentração solar

Calor entregue a panela (W)

p(dcr)

Calor perdido por condução, convecção e radiação (W)

Potência térmica útil (W)

abs

Potência absorvida pela panela (W)

RESUMO

Apresenta-se um modelo de fogão solar à concentração composto por dois segmentos

espelhados, constituindo duas semi-parábolas, obtidas através da utilização de fibra de vidro,

aplicada sobre um molde cerâmico, destinado ao cozimento de alimentos para fins

residenciais, urbanos e rurais. O espelhamento das semi-parábolas foi obtido através da

utilização de múltiplos segmentos planos de espelho de 2 mm de espessura. A estrutura das

semi-parábolas tem mobilidade de movimentos para a correção do movimento aparente do

sol. Serão apresentados detalhes técnicos dos processos de fabricação e montagem e uma

análise das viabilidades, térmica, econômica e de materiais de tal protótipo, que tem uma

conotação social importante e um aspecto primordial, que é o combate a danos ecológicos

proporcionados pela utilização, ainda em larga escala, da lenha para o cozimento dos

alimentos. Comprovou-se que é possível o cozimento simultâneo de alimentos de duas

refeições distintas para uma família de quatro pessoas.

Palavras-chave:

energia solar,

fogão solar, radiação solar, concentradores solares.

ABSTRACT

A model of a solar oven with a reflective surface composed of two mirror segments is

presented, constituting a two semi-parabolic surfaces made of fiberglass, applied on a ceramic

mold, intended to be used in residential and commercial cooking. The reflective surface of the

semi-parable is obtained with the use of multiple plain segments of 2 mm wide mirrors. The

semi-parabolic structure has visible movements that are comparable to that of the sun. The

technical details of the manufacturing and assembling processes will be presented with an

analysis of the viability of thermal, economic, and materials of such prototype. This prototype

has important social implications and primordial aspects, which combats the ecological

damages caused by the wide-scale use of firewood during cooking. It has been demonstrated

that the solar oven has the capacity to cook simultaneous two meals distinct for a family of

four.

Keywords:

solar energy, solar oven, solar radiation, solar concentrators.

1. INTRODUÇÃO

A energia, nas suas mais diversas formas, é indispensável à sobrevivência da espécie

humana. Mais do que sobreviver, o homem procurou sempre evoluir, descobrindo fontes e

formas alternativas de adaptação ao ambiente em que vive e de atendimento às suas

necessidades.

Não obstante, o aumento das necessidades energéticas da sociedade atual e a

importância do impacto da política adotada para a sociedade e o meio ambiente leva-nos a

optar por uma fonte de energia que possa suprir as necessidades da humanidade de forma

inesgotável e servir de base para um desenvolvimento sustentável.

Posto que a exaustão, escassez ou inconveniência de um dado recurso tende a ser

compensada pelo surgimento de outro, a busca de fontes de energia alternativas, em especial

renováveis e não-poluentes, como a solar e a eólica assume crucial importância.

Sendo assim, diversos países já investem na opção solar, investigando desde as

características do fluxo de radiação que chega a Terra até a tecnologia necessária para

viabilizar, em termos técnicos e econômicos, o aproveitamento dessa energia.

O Brasil também participa dessa 'corrida' para o futuro, com estudos como, por

exemplo, a avaliação da eficácia de pequenos módulos solares em regiões remotas e o

mapeamento do potencial energético solar existente no país, indispensável ao estabelecimento

de uma política nacional para o setor.

Nessa perspectiva,

uma aplicação térmica das mais simples é o fogão solar, usado na

cocção de alimentos. Seu emprego encontra aplicação na zona rural das regiões áridas e semi-

áridas do Brasil onde a extração de lenha para obtenção de energia térmica assume valores

significativos.

Considerando a população nordestina da zona rural estimada em 17.000.000 de

habitantes (IBGE, 2000), o emprego do fogão solar representaria uma redução significativa na

extração de lenha para a cocção de alimentos.

Vale ressaltar que se apenas 30% desta população empregasse o fogão solar, isto

significaria uma redução anual de 5.370.000 metros cúbicos de lenha das florestas tropicais

brasileiras.

Para que o fogão solar possa realmente ocupar o seu espaço na sociedade é necessário

antes de tudo difundir o seu uso, mostrando as vantagens e as desvantagens de sua utilização e

os cuidados que a ele devem ser dispensados para que possa realmente operar

satisfatoriamente.

Portanto, faz-se necessária a pesquisa e o desenvolvimento de métodos capazes de

estabelecer soluções técnicas e economicamente viáveis para o uso de recursos renováveis

pelos setores mais distantes dos grandes centros que, economicamente incapazes da aquisição

de equipamentos oferecidos pelo mercado formal, permanecem à margem do

desenvolvimento econômico e social.

1.1. Apresentação do trabalho

A presente dissertação visa demonstrar a viabilidade da utilização de fogões solares

à concentração compostos por dois focos, podendo ser caracterizado como pesquisa aplicada

em fontes de energias alternativas, em zona rural ou urbana.

Objetivando proporcionar o cozimento simultâneo em duas panelas, construiu-se um

modelo de fogão solar cuja principal característica é a utilização de dois focos,

proporcionando a obtenção do cozimento mais rápido de uma refeição, o que representa um

diferencial de inovação tecnológica em relação aos fogões a concentração convencionais que

têm apenas um foco, o que permite apenas o cozimento de um alimento de cada vez.

Outras características desse fogão projetado e construído são a facilidade de

fabricação e montagem, o baixo custo e a simplicidade no mecanismo de movimentação e

acompanhamento da luz solar direta. Apesar de apresentar uma área relativamente grande seu

peso não é significativo e os segmentos parabólicos e a estrutura podem ser desmontados para

facilitar seu transporte.

No que diz respeito a experiências locais já foram desenvolvidas, construídas e

testadas várias gerações de fogões solares ao longo dos últimos vinte anos, com várias

geometrias e utilizando-se diferentes tipos de materiais.

O principal foco do processo construtivo de tal protótipo consistiu na escolha da

curva do parabolóide, no traçado e nos métodos construtivos e de montagem do produto final

uma vez que o rendimento ótico é uma conseqüência direta da correta conjunção de tais

fatores.

Outro aspecto importante para a obtenção de um perfil otimizado do parabolóide

que mereceu atenção para a fabricação do parabolóide otimizado foi o desenho em tamanho

real da curva, ferramenta principal para a sua reprodução em uma peça metálica a ser utilizada

para a confecção do molde.

Outro fator que diferencia o presente projeto dos demais é a área de cada espelho

utilizado para a composição da superfície refletora e a sua geometria. Os fogões solares

concentradores apresentados pela literatura são compostos por segmentos de espelhos de

dimensões bem maiores que as utilizadas nesse trabalho. Isso permite a obtenção de uma área

focal menor, produzindo, por conseguinte, um maior fator de concentração e gerando maiores

temperaturas na região focal.

O projeto original, cujo desenho da parábola foi feito através do uso do AUTOCAD,

previa uma área de 1,2 m

, para cada segmento, foi mudado uma vez que constatou-se que as

dimensões finais de tal fogão exigiriam uma estrutura de grande porte e complexidade para a

garantia do acompanhamento do movimento aparente do sol. Diante de tal constatação foi

feita uma única parábola de 1,5m

e em seguida foi bipartida, ficando cada segmento de

parábola com área de 0,75m

1.2. Objetivos

1.2.1. Objetivo geral

Demonstrar as viabilidades térmicas, econômicas e de materiais do fogão solar bifocal

projetado para a amenização do problema gerado com a utilização massiva de lenha para a

cocção de alimentos, principalmente na zona rural, bem como, sua competitividade em

relação a outros fogões solares mostrados pela literatura.

1.2.2. Objetivos específicos

• Projetar um fogão solar com dois focos à concentração a partir do estudo de fogões

com apenas um foco;

• Construir um fogão solar com dois focos à concentração;

• Descrever e analisar todas as etapas do seu processo construtivo;

• Ensaiar tal protótipo para vários tipos de alimentos, comparando o tempo de

cozimento com os fogões descritos na literatura;

• Demonstrar as facilidades de montagem, desmontagem e transporte do protótipo

construído;

• Comparar resultados obtidos com fogão base unifocal construído no LES-UFRN.

2. ESTADO DA ARTE

Como o presente trabalho tem como objeto de estudo um fogão solar à concentração

compostos por dois focos, far-se-á agora uma revisão bibliográfica sobre a importância da

fonte energética solar, como também a respeito do uso de fogões solares como elemento de

promoção social e de combate ao desequilíbrio ecológico e, ainda, sobre os coletores de

média concentração, nos quais estão inseridos os fogões solares, mostrando exemplos de suas

aplicações em todo o mundo. (QUEIROZ, 2005; SOUZA, 2002; SOUZA, 2004; SOUZA,

2005; MELO, 2006).

2.1 A energia solar

O Sol é responsável pela origem de praticamente todas as outras fontes de energia. Em

outras palavras, as fontes de energia são, em última instância, derivadas da energia do Sol.

O aproveitamento dessa energia, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como

fonte de calor quanto de luz, é atualmente uma das alternativas energéticas mais promissoras

para enfrentarmos os novos desafios.

O Sol fornece anualmente 1,5 x 10

kWh de energia para a atmosfera terrestre,

correspondendo a 10000 vezes o consumo mundial de energia no mesmo período de tempo.

Os países tropicais, devido a suas posições geográficas, possuem grande potencial

energético, sendo, portanto, bastante favoráveis ao uso de equipamentos solares. O Brasil,

como mostra a figura 2.1, possui significativo potencial solar com disponibilidade equivalente

a 1,13 X 10

GWh, em quase todo o ano, como acontece no nordeste (QUEIROZ, 2005).

Figura 2.1 – Mapa da radiação global diária – media anual típica (Wh/m

.dia) - Atlas de Irradiação Solar no

Brasil. 1998 (adaptado).

A radiação solar constitui-se numa inesgotável fonte energética, esse fato indica que

além de ser responsável pela manutenção da vida terrestre, tem também um grande potencial

de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outras formas de energia.

Exemplo disso é a evaporação, processo que ocorre a partir da energia do Sol, e que

possibilita o represamento das águas e a conseqüente geração hidroelétrica. Assim como

também a energia eólica utiliza-se da radiação solar quando induz a circulação atmosférica em

larga escala, causando os ventos.

Resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao

seu desenvolvimento da radiação solar, possibilitaram o surgimento de petróleo, carvão e gás

natural.

Portanto, apesar da radiação solar ser convertida em diversos outros tipos de energia, o

termo "Energia Solar" muitas vezes é utilizado para expressar somente as formas de

aproveitamento da radiação solar direta.

O aproveitamento dessa radiação pode ser dividido, conforme a aplicação, segundo

quatro grupos distintos: aplicações térmicas em geral, obtenção de força motriz diversa,

obtenção de eletricidade e obtenção de energia química.

Aplicações térmicas são aquelas onde a forma de energia necessária ao processo final

é o calor, como aquecimento de água, destilação, secagem de frutas e grãos, refrigeração por

absorção e adsorção, calefação e o cozimento de alimentos através de fogões solares.

Para obter energia mecânica para tarefas específicas como bombeamento d’água,

irrigação, moagem de grãos, entre outras, as duas formas de obtenção mais comuns são a

obtenção de eletricidade por painéis fotovoltaicos e posterior alimentação de um motor

elétrico ou, através da conversão térmica e alimentação de um motor de ciclo térmico.

Na obtenção de eletricidade, os métodos de conversão mais utilizados são a conversão

termoelétrica indireta que utiliza o efeito da termoconversão para obtenção de calor e

acionamento de uma máquina térmica; conversão termoelétrica direta, onde vários fenômenos

conhecidos permitem que a energia solar seja convertida diretamente em eletricidade e a

conversão fotovoltaica cujos princípios da são conhecidos há bastante tempo embora seu uso

só se intensificou após 1958 com os programas espaciais, onde as fotocélulas obtiveram

bastante êxito como fonte de energia em satélites, dominando totalmente essa aplicação.

Instalações terrestres se seguiram e atualmente os painéis fotovoltaicos são bastante

difundidos, e as eficiências das células fotovoltaicas tem crescido significativamente nos

últimos anos, já atingindo 40% na Alemanha, o que viabiliza de sobremaneira tal aplicação.

Finalmente,

a energia solar pode ser aplicada a sistemas que produzam diretamente

energia química, o que representa um grande atrativo em função das vantagens inerentes aos

combustíveis como sua grande densidade energética, facilidade de distribuição e de

transporte, boa adequação à aplicação nos transportes e permitir armazenamento sem

degradação por longos períodos, compensando variações sazonais de produção.

2.2 Potencial solar

Cada metro quadrado da superfície do sol emite cerca de 62,8 MW de energia

eletromagnética, que são lançados no espaço. A origem desta energia está em um conjunto de

reações de fusão termonucleares que ocorrem no núcleo do Sol causando uma diminuição em

sua massa da ordem de 4,25 milhões de toneladas em cada segundo. Embora esse dado seja

avaliado como uma perda inimaginável, seriam necessários 147 bilhões de anos (a idade de

nosso sistema solar é estimada em 8 bilhões de anos) de atividade solar, neste mesmo ritmo,

para que a sua massa sofresse uma diminuição de um por cento (1%) (QUEIROZ, 2005). Para

se ter uma idéia de tal potencial basta que se faça a seguinte análise (QUEIROZ, 2005):

Considere-se que a Terra recebe do sol, ao nível do solo, no máximo 1kW/m

, de

radiação eletromagnética, embora possa atingir maiores picos em algumas localidades.

Excluídas as regiões Ártica e Antártica, ela recebe em média cerca de 3,6 kWh/m

. Dia. As

massas continentais, excluídas as regiões Ártica e Antártica, possuem uma área em torno de

132,5 x 10

. Portanto, a incidência solar sobre essas massas continentais é 4,77 x 10

GWh/dia. Logo, a incidência em um ano é de 1,74 X 10

GWh.

Considerando-se que o consumo energético anual atual corresponde a 1,5 x 10

GWh,

conclui-se que a energia solar disponível nas massas continentais representa mais de 1.000

vezes o consumo de energia da humanidade. Isso equivale a dizer que menos de 1% da

energia solar disponível nas massas continentais seria suficiente para suprir de energia a

humanidade. Considerando-se toda a área da Terra, a disponibilidade aumenta para 1,02 X

GWh.

2.3 Processos de aproveitamento

Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são

o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o primeiro é

mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas, e o segundo,

nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica.

A geração fotovoltaica tem um grande potencial e parece ser um dos mais atrativos

modos de obtenção de energia no futuro. Os sistemas fotovoltaicos são atualmente mais

confiáveis e econômicos que muitas outras tecnologias energéticas por serem independentes,

descentralizados e pelas alternativas de aplicabilidade, gerando uma gama de produtos para

consumo.

Os métodos para a geração de potência térmica solar são essencialmente os mesmos

das tecnologias convencionais, porém o combustível usado é a energia térmica. Ao invés do

combustível fóssil, usa-se a radiação eletromagnética produzida pelo sol. A faixa de

temperatura requerida para aplicações domésticas e comerciais pode ser coberta com as

tecnologias disponíveis de conversão da energia solar em energia térmica.

2.4 Os coletores solares de média concentração

Os coletores de média concentração permitem obter uma zona fortemente iluminada

denominada de foco, na qual estão posicionados os absorvedores. As superfícies cilíndricas

ou cilíndrico-parabólicas permitem obter foco linear e as superfícies esféricas, semi-esféricas

e parabolóides produzem focos pontuais. As superfícies cônicas dão também origem a focos

lineares, assim como as superfícies parabólicas formadas por segmentos de espelhos planos

tencionados, permitem a obtenção de focos pontuais (QUEIROZ, 2005) As Figuras 2.2 e 2.3,

apresentam, respectivamente e esquematicamente, o principio de focalização pontual e linear

em função da geometria do coletor.

Figura 2.2 – Focalização pontual em função da geometria da superfície refletora. Dissertação de

mestrado de Queiroz, 2005.

Radiação incidente

Figura 2.3 – Focalização linear em função da geometria da superfície refletora. Dissertação de mestrado de

Queiroz, 2005.

Na realidade, a focalização linear como pontual, é um conceito estritamente

teórico, uma vez que na prática, por mais bem construídos que sejam dificilmente

serão eliminados todas as imperfeições e desvios óticos decorrentes dos processos

construtivos. Deste modo, o coletor de focalização linear apresenta efetivamente

uma área focal retangular e o de focalização pontual uma área focal circular ou

elipsoidal. As geometrias mais empregadas nesses tipos de coletores são:

GRUPO I

a) CILÍNDRICA;

b) CILINDRO-PARABÓLICA;

c) TRONCO-CÔNICA;

d) TRONCO-CÔNICA SUCESSIVAS;

e) ENVOLVENTE DE CÍRCULO.

GRUPO II

a) SEMI-ESFÉRICA;

b) PARABÓLICA;

Radiação incidente

As geometrias do grupo I são coletores de focalização linear. O grupo II define os

coletores de focalização pontual.

O princípio de funcionamento destes coletores é o de concentrar radiação solar

mediante procedimentos ópticos, antes de sua transformação em calor. Dessa forma, a

radiação solar incidente no concentrador através de uma superfície é refletida, sendo refratada

ou absorvida por uma superfície menor, para em seguida ser transformada em energia térmica.

Os coletores concentradores podem ser classificados em função do fator de

concentração solar, definido pela relação mostrada a seguir.

absorvedor

iluminada

Área

éticaeletromagn energia da captação de Área

C =

De acordo com esse parâmetro os concentradores dividem-se em

De alta concentração (C > 10)

São os que mediante dispositivos especiais e precisos de foco e seguimento da trajetória solar,

alcançam no receptor uma alta densidade de energia.

De média e baixa concentração (2 < C ≤ 10)

São os que não requerem dispositivos especiais de focalização e seguimento permanente da

trajetória do sol. Exigem apenas a modificação de seu posicionamento em relação ao sol

algumas vezes por ano, função de C, como mostrado na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 - Fatores de concentração e numero anual de ajustes do concentrador. Dissertação de mestrado

de Queiroz, 2005.

Fator de concentração Ajustes

C = 2 a 3 4 vezes por ano

C > 3 a 6 8 vezes por ano

C = 10 80 vezes por ano.

Os coletores concentradores parabólicos por reflexão são formados por uma superfície

parabólica refletora (espelho, alumínio anodizado, etc.) que capta a radiação solar e a

concentra no foco. Os raios refletidos são enviados a um elemento receptor, que os absorve,

transformando em calor, que em seguida é transferido a um fluido de trabalho.

2.5 O uso do fogão solar

2.5.1

Histórico

Desde a mais remota antiguidade os povos utilizam a energia do sol para aquecer água

, secar frutas e cozer vegetais.

A primeira cozinha solar com tecnologia moderna se atribui ao franco-suíço Horace de

Suassure, que construiu uma pequena caixa solar, entre outros inventos relacionados com esta

fonte de energia. A cozinha solar de Horace constava de duas caixas de madeira de pinho,

uma dentro da outra, isoladas com lã e tinha três coberturas de vidro.

O astrônomo britânico John Herschel utilizou uma cozinha solar de sua invenção

durante sua viagem ao sul da África, em 1830.

Também no século XIX, Adams experimentou na Índia diversos artefatos solares com

bastante êxito. Até o ano de 1860 , Mouchot, na Argélia, cozinhou com um refletor curvado,

concentrando os raios solares sobre uma pequena panela.

Em 1881 Samuel P.Langley utilizou uma cozinha solar durante a subida ao monte

Whitney nos Estados Unidos.

Charles Abbot desenhou um espelho concentrador e conseguiu alcançar com a mesma

temperatura em torno de 200°C. Esquentava azeite, retendo parte do calor por várias horas

após o por do sol, conseguindo cozinhar alguns alimentos durante a noite.

Com a chegada do século XX, a utilização massiva pelos combustíveis fósseis, como

também a possibilidade de obtenção de energia abundante e relativamente barata em quase

todas as camadas da população, o mundo industrializado esqueceu as antigas e simples

técnicas naturais e somente no último terço desse século quando começaram a surgir os

problemas resultantes da distribuição dos produtos petrolíferos e pela crescente contaminação

dos seus derivados, a energia solar voltou a ser a ser usada ainda que de forma incipiente.

Em 1960 um estudo da ONU foi publicado para avaliar as reais possibilidades de

implantação e desenvolvimento das cozinhas solares nos países subdesenvolvidos e em

desenvolvimento. A conclusão dessa publicação foi que as cozinhas eram viáveis e que era

preciso apenas uma mudança nos costumes para uma adaptação a sua utilização em grande

escala.

Nessa busca de fazer do fogão solar uma opção real para uma utilização massiva para

a cocção de alimentos não se pode deixar de citar os esforços da engenheira Maria Telkes

(1900-1995) que criou inúmeros desenhos de cozinhas solares, que se caracterizavam pela

fácil construção e baixo custo, viáveis, portanto, para serem utilizadas em países pobres.

A China e posteriormente a Índia já nessa época fizeram enormes esforços para

distribuírem um número elevado de cozinhas solares para a população.

Em 1970 Sherry Cole e Bárbara Kerr desenvolveram no Arizona vários modelos de

fogões solares que receberam grande aceitação em função de seus baixos preços.

Simultaneamente,Dan Halacy, um pioneiro no campo da energia solar, fabricou e 1968 a

cozinha solar 30-60, chamada assim porque sua construção se baseava em ângulos cujas

medidas em graus eram essas.

Nos anos 80 houve a popularização do

solar chef

, de Sam Erwin. Era o mais eficiente

forno solar doméstico. Mais simples era o

Sunspot

de Bud Clevette, juntamente com o

Sun

Oven

, que alcançou uma maior difusão.

Em 1992 a associação

Solar Cookers International

promoveu a Primeira Conferência

Mundial sobre a Cozinha Solar, um acontecimento histórico que reuniu pesquisadores e

entusiastas de 18 países. Essa Conferência repetiu-se em 1995, 1997 e recentemente em 2006,

na Espanha.

No Brasil o estudo de fogões solares teve pioneirismo no Laboratório de Energia Solar

da Universidade Federal da Paraíba, na década de 80, através do Prof. Arnaldo Moura

Bezerra, que construiu vários tipos de Fogões à Concentração, utilizando materiais diversos

para a superfície refletora dos parabolóides.

No LES/UFRN essa linha de pesquisa tem merecido destaque já tendo sido objeto de

uma dissertação de mestrado, vários trabalhos científicos e em andamento duas outras

dissertações de mestrado. Já foram construídas várias versões de fogões a concentração e do

tipo caixa.

2.5.2 Vantagens do uso dos fogões solares na zona rural

No sertão nordestino assolado pelas secas, o sertanejo sofre com a fome e a sede

devido à inclemência do sol sobre suas terras áridas. O uso de fogões solares na caatinga

promete reverter ou ao menos amenizar essa situação possibilitando ao sertanejo uma melhor

condição de vida.

Aproveitando a energia que vem do sol, o fogão transforma a irradiação solar em

calor para o preparo de alimentos, reduzindo o esforço do sertanejo na busca de lenha para o

preparo de seu alimento e, ainda, contribuindo para a preservação da natureza, possibilitando

o aumento da capacidade de remoção do dióxido de carbono da atmosfera e a redução das

concentrações deste gás de estufa na atmosfera.

Segundo o engenheiro Arnaldo Moura Bezerra (2001), 30% da madeira retirada da

caatinga do nordeste brasileiro transformam-se em lenha para cozimento de alimentos. Com a

utilização dos fogões solares será possível economizar até 55% dessa lenha evitando o

desmatamento.

Esse mesmo autor informa que a principal vantagem do uso do fogão solar é a

disponibilidade de energia gratuita e abundante, além da ausência de chamas, fumaça, perigo

de explosão e incêndios.

Atualmente, a maioria dos fogões solares possui concentradores que são normalmente

constituídos de captadores de forma parabólica, semi-esférica, cilindro-parabólica, cônica e

tronco-cônica, onde a energia calorífica é concentrada na zona focal sendo suficiente para

fornecer as calorias necessárias à ebulição da água, cozinhar, assar, fritar e aquecer alimentos.

Para que possam ter bom desempenho, estes sistemas necessitam de radiação direta, céu claro

e sem nebulosidades.

Existem, contudo, estudos de cozinhas solares conhecidas como "cozinhas

energizadas" onde não se faz necessariamente preciso a utilização do brilho solar.

Estes estudos, no entanto, conduzem ainda a projetos dispendiosos, o que não nos

anima a desenvolvê-los por se encontrarem de encontro à filosofia adotada, qual seja

a de projetar e desenvolver fogões robustos, simples, de baixo custo e eficientes,

mais especificamente destinados à prática do "camping" e com maiores

simplificações, para serem utilizados e até mesmo construídos pelas populações

rurais de baixa renda. (BEZERRA,2000)

Portanto, a utilização sistemática do fogão solar beneficiará seus usuários, sobretudo,

os de baixa renda que vivem nas zonas rurais. Assim como o seu uso freqüente representará

uma valiosa contribuição à flora e fauna brasileiras, tão comprometidas pelo desmatamento na

busca de lenha, gravetos e outros materiais destinados à produção de energia térmica.

2.5.3 Tipos de fogões solares

Os fogões solares são dispositivos especiais que por intermédio da luz solar serve para

o cozimento de alimentos e outras utilidades. Classificam-se em três tipos básicos; cozinhas

do tipo caixa, cozinhas concentradoras e cozinhas aquecidas por meio de coletores de placa

plana (SOUZA,

et al

., 2005)

2.5.3.1

Fogão tipo caixa

Esse tipo de fogão pode ter distintos números de refletores externos, planos ou

levemente côncavos. Caracteriza-se por permitir a obtenção de temperaturas em torno de

150°C. Demora a aquecer e sua operacionalidade não é muito simples. Tem a vantagem de

poder funcionar praticamente sem a intervenção do usuário, mantendo o alimento aquecido

durante um tempo prolongado. Não produz efeitos danosos ao usuário nem por contemplação

nem por reflexão. São estáveis e não apresentam riscos pela produção de chamas, não

gerando, portanto, susceptibilidade a queimaduras.

São construídos com materiais de baixo custo, ainda que seja improvável seu uso para

todos os dias do ano. Pode-se construir modelos de fácil transporte, leves e dobráveis.

É possível estar acoplado a um sistema auxiliar que utiliza gás como combustível.

Pode-se retirar a comida e completar o seu cozimento por via tradicional no caso do céu estar

nublado. Algumas experiências têm demonstrado que muitos processos de cocção podem

realizar-se a 75°C, durante mais de duas horas (www.solarcooking.org).

Esse tipo de fogão encontra ampla aplicação em todo o mundo, principalmente na Ásia

e África, destacando-se a Índia e a China, como sendo os países que mais têm investido em

programas sociais que viabilizam a construção de fogões solares a baixo custo, para uma

utilização significativa por parte de seu povo.

Uma vantagem, está no fato de que as pessoas ao adquirirem o produto depois de um

curto período aprendem como fazer suas próprias cozinhas. Elas atingem diversos níveis de

temperatura podendo até ultrapassar os 150

C dependendo do projeto e podem ser utilizadas

não só para cozinhar como para pasteurizar água potável e esterilizar equipamentos médicos

(

http://www.solare-bruecke.org/info_s.htm),

No LMHES da UFRN, já foram construídos e testados três modelos de fogões do tipo

caixa estando um deles mostrado na (figura 2.4).

Figura 2.4 - Fogão solar tipo caixa construído no LMHES – UFRN, utilizando material compósito.

2.5.3.2

Fogão concentrador

São dispositivos que captam a radiação solar e a concentram numa região focal, onde

se posiciona o absorvedor ou panela, onde se realiza a cocção dos alimentos.

Têm como desvantagens a necessidade de luz solar direta; mecanismo de

acompanhamento da trajetória do sol com reorientação a cada 30 minutos; esfriamento rápido

do alimento se há desvio de foco ou nebulosidade acentuada; instável a ventos; risco de fogo

ou queimaduras; danos aos usuários por raios refletidos e o fato de ficar exposto ao tempo.

Em contrapartida têm a possibilidade de alcançar altas temperaturas, o que permite realizar

frituras ou assados.

Nas figuras de 2.5 a 2.16 são mostrados alguns tipos de fogões concentradores que são

usados em todo o mundo, destacando-se na figura 2.17 o fogão solar, construído no (LHMES)

Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar da UFRN, objeto de Dissertação de

Mestrado no PPGEM/UFRN, que serviu como base de comparação ao fogão proposto. (www.

solarcooking.org, 2004).

Figura 2.5 - Cozinha solar utilizando fogão concentrador Scheffler.

Figura 2.6 – Concentrador retangular (EUA).

Figura 2.7 – Fogão solar à concentração Figura 2.8 – Refletor parabólico com

construído no LES da UFPB. distância focal reduzida (EUA).

.Figura 2.9 – Fogão solar à concentração com superfície refletora composta por 24 segmentos de alumínio

polido.

Figura 2.10 - O Fogão solar Figura 2.11 – Fogão solar de geometria alternativa.

esférico reflexivo.

Figura 2.12 - Fogão solar FRESNEL.

Figura 2.13 – Fogão solar à concentração

construído a partir de uma antena parabólica.

Figura 2.14 – Fogão solar à concentração tipo borboleta – Quênia.

Figura 2.15 – Cozinha Scheffler composta de 84 refletores de 10m

em um cetro de IOGA na Índia.

Figura 2.16 - Fogão solar construído de estrume e barro com duas parábolas (Nepal).

(a) (b)

(c)

Figura 2.17 – Vistas do fogão solar construído no LMHES – UFRN.

2.5.3.3

Cozinhas aquecidas por coletores de placa plana

Os fornos equipados com coletores de placa plana são cozinhas aquecidas por meio de

coletores desse tipo. Existem modelos que têm dois ou três refletores planos, podem operar

com óleo ou ar como fluido de trabalho e podem ter até duas panelas cada uma. Podem contar

com sistema acumulador de calor.

Suas desvantagens estão relacionadas à necessidade de utilização de uma grande

estrutura, seu peso, dificuldade de transporte e maior custo que os outros tipos, principalmente

nos modelos que usam fluido de trabalho e placa de armazenamento de calor importado como

é o caso do modelo em estudo na UFCE, mostrado na Fig. 2.18.

Suas vantagens residem no fato da facilidade de uso e a possibilidade de poder

cozinhar na sombra. Não é necessária sua reorientação; funcionam sem a intervenção do

usuário, mantendo quente o alimento durante longo tempo; não produzem chama; são estáveis

e não oferecem riscos de fogo ou queimaduras. Podem ser feitas de grandes tamanhos, para

atender até as instituições, hotéis, hospitais entre outros (SILVA, 2002).

Figura 2.18 – Fogão solar construído na Universidade Federal do Ceará.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Um aspecto que mereceu atenção para a fabricação do parabolóide foi o desenho em

tamanho real da curva parabólica, ferramenta principal para a reprodução dessa curva em uma

peça metálica a ser utilizada para a confecção do molde. Para essa etapa, se fez necessário à

construção de um dispositivo semelhante a um compasso, que possibilitou a moldagem e

acabamento preciso, do parabolóide, em concreto. Isso representou uma importante etapa na

fabricação do parabolóide.

Outro fator que diferencia o presente projeto dos demais é a área de cada espelho

utilizado para a composição da superfície refletora e a sua geometria, cuja área é menor que as

mostradas pela literatura.

Procurou-se dar simplicidade ao mecanismo de acompanhamento da radiação direta do

sol, que é feito através de simples regulagem manual.

3.1 Processos de fabricação e montagem do fogão solar proposto

Para a construção do fogão solar proposto utilizaram-se os seguintes procedimentos:

•

Projeto das dimensões do parabolóide

As dimensões do fogão foram definidas com a finalidade de obter-se uma parábola

com área de reflexão igual a 1,5 m

: diâmetro igual a 1,5 m e distância focal igual a 0,75 m,

posteriormente dividida em duas partes iguais.

•

Desenho da parábola refletora usando a ferramenta Autocad

De acordo com a seqüência apresentada através da Figura 3.1, inicia-se com o desenho

de um circulo de raio igual ao raio da superfície de captação de radiação do parabolóide.

Figura 3.1 – Raio da superfície de captação

Dividindo-se o segmento mostrado, que é igual ao raio do parabolóide, em partes

iguais, traçam-se segmentos de retas unindo os pontos ao foco e em seguida desenha-se retas

perpendiculares a cada extremidade das retas que unem ao foco, obtendo-se, dessa forma, o

perfil do parabolóide, como mostrado na figura 3.2.

Somente nos casos em que o projeto do parabolóide prevê uma distancia focal igual ao

raio da superfície de captação de energia solar pode ser utilizado um método auxiliar para a

determinação do perfil da curva geratriz do parabolóide e procede-se da seguinte forma:

tomando-se os pontos (AOB), Figura 3.3, e traçando-se uma circunferência passando pelos

referidos pontos chega-se ao perfil desejado com uma boa margem de precisão, Figura 3.4.

Figura 3.2 – Traçado do perfil do parabolóide a partir do centro da circunferência

Figura 3.3 – Traçado do perfil do parabolóide

Figura 3.4 – Perfil do parabolóide

Nas figuras 3.5 (a), (b) e (c) são apresentadas vistas do parabolóide construído através

de comandos do Programa AUTOCAD.

(a)

(b) (c)

Figura 3.5 – Vistas do perfil do parabolóide

Nas figuras 3.6 (a), (b) e (c) são apresentadas vistas das radiações incidentes do

parabolóide.

(a) (b) (c)

Figura 3.6 – Visualização funcional e posição de utilização do parabolóide.

•

Fabricação do perfil padrão para a construção do molde

A Figura 3.7 mostra o perfil da parábola reproduzido em uma chapa de aço para a

construção do molde visando à otimização de seu processo de obtenção.

Figura 3.7 – Perfil padrão para a construção do molde.

•

Confecção da estrutura de fixação do perfil padrão

Foi construída uma estrutura para a fixação do perfil padrão, em aço 1020, que

permitia seu giro em 360°, mostrado na Fig. 3.8.

Figura 3.8 – Estrutura de fixação do perfil padrão.

•

Confecção da estrutura de fixação para cada parte do parabolóide

•

Construção do Molde

O molde foi confeccionado em concreto e recebeu cobertura de massa corrida e tinta

impermeabilizante. A estrutura do perfil padrão fixava-se ao molde através de um orifício no

centro do mesmo. A Figura 3.9 mostra o molde de concreto obtido acoplado à estrutura de

fixação.

Figura 3.9 – Molde de concreto utilizado para obtenção do parabolóide.

•

Utilização de fibra de vidro e resina ortoftálica para construção do

parabolóide

Colocando-se uma camada de tecido de fibra sobre o molde; posicionando-se a

estrutura da parábola; colocando-se outra camada de fibra recobrindo a estrutura e em seguida

aplicando-se resina ortoftálica sobre o tecido de fibra, obteve-se uma peça em fibra com

elevado grau de perfeição. Antes de iniciar o processo de confecção da parábola o molde foi

recoberto com cera para facilitar o desmoldamento da estrutura de fibra construída. Após esta

fase cortou-se a parábola em duas partes iguais.

•

Corte dos espelhos

Os pedaços de espelhos foram obtidos através do corte de uma lâmina medindo 2 mm

de espessura, utilizando-se uma ferramenta de corte diamantada, e seguindo o traçado

seqüenciado obtido com o auxilio da ferramenta computacional AUTOCAD. Os espelhos

foram cortados de modo a se adaptarem perfeitamente ao perfil curvo da parábola.

Para proporcionar uma melhor estética ä superfície espelhada das semi-parábolas

idealizou-se e construiu-se uma ferramenta para obterem-se cortes curvos, Tal ferramenta,

construída em material metálico encontra-se mostrada na figura 3.10, operacionalizando o

processo de corte dos segmentos de espelhos planos utilizados para a obtenção do perfil curvo

da parábola.

Para a uniformidade dos vários espelhos utilizados, estabeleceu-se uma superfície de

espelho, num total de 12 gomos. Esses gomos são constituídos por 41 segmentos.

A figura 3.10 mostra a ferramenta utilizada no corte dos espelhos do fogão solar.

Figura 3.10 – Ferramenta para corte de espelhos.

A figura 3.11 mostra a superfície de espelho de uma semi-parábola com seus gomos e

segmentos.

Figura 3.11 – Superfície de espelho .

•

Fixação dos espelhos

Utilizou-se cola de contato para madeira e outros materiais (cola fórmica), para a

fixação dos pedaços de espelho na superfície da parábola.

•

Confecção da estrutura

A estrutura do fogão solar projetado foi confeccionada a partir de uma sucata de um

beaureot

, que consiste na parte central, tubos de aço e barras chatas. Tem movimentos que

permitem o acompanhamento do movimento aparente do sol e tem como principal

característica a facilidade de construção e montagem. A figura 3.12 (a) e (b) mostra os

detalhes construtivos da estrutura idealizada e construída.

(a) (b)

Figura 3.12 – Detalhes da estrutura de barra chata do fogão.

Na Figura 3.13 (a), (b) e (c) são mostrados detalhes do mecanismo para o

acompanhamento aparente do sol

(a) (b)

(c)

Figura 3.13 – Detalhes do mecanismo de acompanhamento do movimento aparente do sol

•

Pintura da estrutura

Toda a estrutura do fogão solar recebeu uma pintura para protegê-la das intempéries e

desta forma minimizar os efeitos da degradação de sua exposição aos fenômenos naturais.

A Figura 3.14, a seguir, mostra várias vistas do fogão solar construído no LMHES

situado no Núcleo de Tecnologia Industrial da UFRN.

(a) (b)

(c)

Figura 3.14 – Vistas do fogão solar construído no LMHES – UFRN.

3.2 Metodologia dos ensaios

Realizaram-se ensaios com o protótipo construído para a determinação da temperatura

máxima alcançada em cada foco, onde as panelas ficavam situadas na região focal, após

orientá-lo com relação ao movimento aparente do sol. Os dados de temperatura foram

medidos para seis dias de ensaio, com baixos índices de nebulosidade, a cada dez minutos.

Tais dados foram medidos através do uso de um par termoelétrico de cromel-alumel acoplado

a um termômetro digital. As variações de posição do fogão para que as panelas estivessem

sempre nos focos do sistema, com área a de sombra no centro da parabolóide, deu-se a cada 1

hora.

O primeiro teste realizado para aferir a capacidade de cozimento do fogão em estudo

consistiu em determinar-se o tempo necessário para a ebulição de 1,0 litro de água. Neste teste

mediu-se a evolução de temperatura na água a cada cinco minutos, até atingir o ponto de

ebulição.

Uma característica importante do fogão diz respeito ao posicionamento operacional

das panelas absorvedoras as quais permanecem estáticas o tempo todo devido a um detalhe de

projeto cujo critério adotado é que o centro de rotação do parabolóide coincida com a

superfície iluminada do absorvedor “fundo da panela” enquanto esta é posicionada

perpendicularmente aos raios solares.

As perdas térmicas do absorvedor (panela) para o ambiente foram avaliadas através da

medição de temperatura da superfície externa da panela e da temperatura ambiente, ambas

medidas com o mesmo par termoelétrico utilizado para a medida da temperatura de foco.

Os dados de radiação solar global foram medidos e aferidos com a utilização de um

radiômetro construído no LMHES da UFRN, acoplado a um multímetro digital.

A curva de calibração do termopar utilizado para as medições de temperaturas

encontra-se mostrada na Figura 3.15.

200

400

600

800

1000

200

400

600

800

1000

Ttermopar(ºC)

Tpadrão(°C)

Tcurva de calibração

Figura 3.15 – Curva de calibração do termopar utilizado

3.3 Fundamentação teórica

De acordo com a

Figura 3.16, o processo de conversão da energia solar em energia

térmica, para se concretizar, passa por alguns estágios, (FRAIDENRAICH, 1995), como

segue:

No primeiro estagio a radiação solar é captada através de uma superfície de

coleção e refletida até o estagio de absorção e conversão da radiação solar em energia

térmica.

No segundo estagio a radiação solar é absorvida e transferida ao fluido de

trabalho que pode ser água, óleo, sais etc. que circula através de tubulações apropriadas, ou

simplesmente um elemento absorvedor cujo rendimento térmico dependerá do formato e das

propriedades do material empregado como, por exemplo, a emissividade (ε) e a absortividade

(α) que são parâmetros de projeto que assumem papel limitante.

Esquematicamente, o ciclo de conversão global do sistema pode ser representado de

acordo com o diagrama da figura 3.16.

Captação e reflexão

Energia solar

Absorção e

conversão da

Radiação solar em

energia térmica

Figura 3.16 – Esquema global do processo de conversão da energia solar em energia térmica.

Conforme indicado no diagrama mostrado na figura 3.16, nota -se que a

primeira fase do processo depende de um fator importante, a eficiência ótica,

(

ηη

Dependendo do material e do grau de precisão que é construído a superfície de captação do

sistema a eficiência ótica representa uma variável com características limitadoras no

resultado global do sistema juntamente com a eficiência térmica,

(

ηη

)

na segunda fase do

processo. Outro fator importante deve ser considerado em qualquer projeto de conversão de

energia radiante em outra forma de energia diz respeito à variação da intensidade de radiação

em função da localização geográfica e de outros fatores associados a clima, época do ano e

poluição atmosférica.

Contudo a eficiência útil do ciclo pode ser representada através da relação, equação

(3.1):

tou

ηηη ×=

(3.1)

De acordo com a configuração deste modelo, a Figura 3.17 apresenta uma

exemplificação mais detalhada no sentido de explicar com maior clareza o que ocorre

nos sistemas que operam segundo a concentração da radiação e eficiência de conversão

da energia radiante em energia térmica. Como primeira hipótese sugere-se que as

perdas térmicas no elemento de absorção são apenas de natureza radiativa, assim a

Figura 3.17 representa o ciclo completo e a partir do mesmo procede-se a um balanço

energético do sistema.

U A

– T

)

Radiação solar

FASE I

FASE

ηη

Figura 3.17 – Fluxo de energia do sistema de captação-conversão de radiação solar em

energia térmica.

Onde:

Potência térmica útil (W)

Área da superfície de captação de energia solar do parabolóide (m

)

Radiação instantânea coletada pelo sistema de captação de energia

solar (W/m

)

ηη

Eficiência ótica do sistema de captação da energia solar

ηη

Eficiência de conversão térmica

U Coeficiente de perdas globais (W/m

. K)

Área iluminada do absorvedor (m

)

e T

Temperatura do fluido no absorvedor e no ambiente (K)

ηη

Eficiência útil de conversão

εε

Emissividade do absorvedor

σ Constante de Stefan-Boltzmann

Assim, de acordo com o esquema da (figura 3.13), a potência útil do sistema, em

(W), é dada pela diferença entre a potência absorvida e potência perdida, de acordo com a

equação:

perdasabsútil

PPP

−

(3.2)

A potência absorvida pela panela é dada pela equação:

prduc abs

.αρ.k.AIP =

(3.3)

Onde:

- Radiação instantânea coletada pelo sistema de captação de energia solar

W/m

- Área útil do concentrador (m

)

ρρ

- Refletividade do concentrador (%)

- Fração da radiação refletida que é absorvida pela panela (%)

αα

– Absortividade da panela (%)

abs

– Potência máxima absorvida pela panela (W)

Considerando-se que perda radiativa da panela para o meio é desprezível, a perda total é

convectiva e dada pela equação (3.4):

(

)

aeplpceperdas

TTAhP −⋅⋅=

(3.4)

Onde:

– coeficiente de convecção entre a superfície externa da panela e o ar ambiente. (W/m

– Área lateral da panela (m

)

– Temperatura externa da panela (K)

– Temperatura ambiente (K)

O coeficiente de convecção pode ser dado pela equação (3.5), mostrado a seguir.

h ⋅⋅=

(3.5)

Onde:

–

Condutividade térmica do ar (W/m

. K).

L –

Altura da panela

- Numero de Rayleigh

O coeficiente

e o expoente

, dependem do intervalo do numero de Rayleigh,

sendo que: para n = ¼ o escoamento é laminar e para n = 1/3 o escoamento é turbulento.

Para encontrar os valores de eficiências térmica, ótica e útil (total),utilizam-se as

equações 3.7 e 3.9:

(

)

TT A h η I A P

ap pceoccu

−

⋅

−

⋅

(3.6)

A eficiência óptica, (η

ηη

) do sistema, é dada pela seguinte equação:

prdo

.αρ.kη =

(3.7)

A eficiência térmica, (η

ηη

) do sistema, é dada pela relação entre a energia útil (Q

) e o

fluxo líquido de energia coletada,

ηη

Assim:

occ

ηAI

⋅⋅

(3.8)

Com relação ao rendimento final, denominado de eficiência de conversão

(

ηη

)

, que

é dada pela relação entre a energia útil

)

e o fluxo de energia coletada

, (A

)

, representa-

se assim:

(

)

η −⋅−==

(3.9)

Logo, sabendo-se que o fator de concentração

( C ),

é definido como sendo a relação

entre

( A

)

- área da superfície de coleção de energia solar e

)

- área iluminada do

absorvedor, temos:

C =

(3.10)

Portanto a equação (3.11) após as substituições, pode ser escrita como:

(

)

ηη −⋅−=

(3.11)

A equação (3.11) tem um campo de validade, que exige algumas condições que

estão descritas abaixo.



Um fator de concentração com valor elevado,



Índice de radiação com valor elevado,



Baixo coeficiente de perdas,



Eficiência ótica com valor elevado.

É possível estabelecer uma relação entre a concentração, a temperatura e a energia

dissipada pela radiação no foco de um concentrador.

A temperatura de um corpo situado no foco de um concentrador depende da densidade

de fluxo na imagem de Gauss sendo, portanto governado pela lei de Stefan-Boltzmann

Uma

vez que (C) representa o fator de concentração então a energia em função de (C) pode ser

dada pela equação (3.12), como segue:

abs

ε.σ.TC.PE ==

(3.12)

Onde:

- Constante de Stefan-Boltzmann, (5,67 x 10

-8

W/m

. K

)

- Emissividade do absorvedor

- Temperatura absoluta no foco (K)

– Fator de concentração solar

O valor teórico da temperatura pode ser calculado por meio da equação (3.13), como

segue.

abs

ε.σ

C.P













(3.13)

4. ANÁLISES DOS RESULTADOS

Usando o equacionamento descrito no capítulo anterior calcularam-se os parâmetros que

diagnosticam a eficiência de um fogão solar, conforme o procedimento a seguir.

•

Cálculo da máxima potência térmica absorvida pela panela.

Por intermédio da eq. (3.3) encontra-se a máxima potência que é absorvida pela panela a

partir dos seguintes dados (QUEIROZ, 2005):

•

= 600 W/m

– valor da irradiação média

•

= 0,75 m

– área da semi-parábola

•

= 0.95 – refletividade média em concentradores de espelhos

•

= 0.90 – fração da radiação refletida média em concentradores de espelhos

•

= 0.90 – absorvidade média em concentradores de espelhos

Substituindo-se os valores na equação (3.3), abaixo, encontra-se que:

prducabs

α . k . ρ . A . I P =

abs

= 346,27 W

•

Cálculo da potência útil:

A potência útil pode ser calculada pela equação (3.2), onde o valor das perdas é

calculado conforme a eq. (3.4) apresentada que após efetuarem-se as substituições devidas

obtêm-se o resultado:

(

)

aeplpceperdas

TTAhP −⋅⋅=

onde:

= 26,54 W/m

.ºC - calculado da equação 3.5

= 0,04 m

= 60 ºC – medida de 12:00 às 12:30

= 33 ºC

perdas

= 28,67 Watts.

(

)

perdasabsútil

PPP −=

útil

= 346,27 W – 28,67 W = 317,6 Watts

•

Cálculo do fator de concentração.

O cálculo do fator de concentração é obtido por meio da eq. (3.10), que ao substituírem-

se os dados em:

foco

Onde

= 0,75 m

foco

= 0,011m

Resulta em

C = 68,18

A seguir serão calculadas as eficiências envolvidas no processo de transformação da

energia eletromagnética em energia térmica, quais sejam, eficiência ótica, térmica e útil

(global ou total).

•

Cálculo da eficiência ótica.

70,70,9 . 0,9 . 0,95ρ.k.αη

•

Cálculo da eficiência térmica

917,0

27,346

6,317

⋅⋅

occ

•

Cálculo da eficiência útil

706,0917,0.77,0

tou

Os valores calculados traduzem uma boa eficiência óptica, uma elevada eficiência

térmica e uma significativa eficiência global, dos segmentos de espelho de pequena área que

produziram uma superfície espelhada uniforme, adaptando-se ao perfil parabólico, mesmo

sendo planos e da utilização do isolamento térmico na panela absorvedora.

•

Cálculo da temperatura teórica no foco do concentrador.

O cálculo da temperatura teórica no foco do concentrador é obtido através

da eq. (7), como segue:

abs

°==

























−

73,55173,824

10.67,5.9,0

27,346.18,68

4/1

σε

A temperatura teórica máxima obtida para o cada parábola que compõe o fogão solar

bifocal proposto foi praticamente igual a temperatura máxima real medida no foco 1, em torno

de 550°C e um pouco superior a temperatura máxima atingida pelo foco 2, em torno de

518°C, conforme mostrarão os dados de ensaios apresentados a seguir. No que diz respeitos às

temperaturas médias obtidas com os dois focos do fogão proposto, percebe-se que são

inferiores a temperatura teórica máxima prevista.

A primeira experiência realizada com o fogão proposto foi medir o tempo necessário

para a ebulição de um litro de água colocado em uma panela sem isolamento térmico. Mediu-

se a evolução na temperatura da água colocada na panela a cada cinco minutos para os dois

focos utilizando-se um termopar. Esse teste foi realizado em vários dias para condições

solarimétricas variáveis. Os dados desses testes encontram-se mostrados nas Tabelas 4.1, 4.2.,

4.3 e 4.4. A Tabela 4.5 mostra os dados médios obtidos no ensaio.

Tabela 4.1. Evolução da temperatura da água para o teste de ebulição de no dia 1.

TEMPO

(HORA)

água panela 1

(°C)

água panela 2

(°C)

DIRETA

(W/m²)