Forno Solar
Forno Solar
Forno Solar
Aracruz-ES
Novembro de 2008
EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO
VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA
Aracruz-ES
Novembro de 2008
EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO
VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA
Aprovado em____________de_______
Comissão examinadora
________________________________________
_______________________________________
________________________________________
RESUMO
ABSTRACT
The sun energy cover the Earth with an energetic power equivalent to almost four
thousand times all the energy consumed from another sources. Before this reality
and the quantity of knowledge developed by all the science and human creativity,
some alternative proposals have been developed to get a better use of the solar
energy available. Show below a place potential of solar energy application in Brazil
and the utilization of solar oven household applications, with the objective to
sensetize of the local community of the viability of the use of solar energy.
DEDICATÓRIA
In memorian:
AGRADECIMENTOS
ÍNDICE
RESUMO I
ABSTRACT II
DEDICATÓRIA III
AGRADECIMENTOS IV
LISTA DE FIGURAS VII
LISTA DE TABELAS VIII
Capítulo 1 – Introdução 01
1.1.Contextualização 02
1.2.Justificativa 03
1.3.Objetivos 03
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica 04
2.1. A Energia Solar 05
2.2. Aplicações da Energia Solar 06
2.2.1. Energia Solar Fototérmica 06
2.2.2. Energia Fotovoltaica 07
2.2.3. Energia Bioclimática 07
2.3. Viabilidade do Uso de Energia Solar no Brasil 07
2.3.1. Disponibilidade Solar no Estado do Espírito Santo 09
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Radiação solar global diária- média anual típica (MJ/m2. Dia). 08
(TIBA, 2000).
Figura 2.2. Insolação média anual diária (h) no território brasileiro (TIBA,2000). 09
Figura 3.1. Forno solar com e sem refletor.
11
Fonte: http://www.energyquest.ca.gov/projects/index.html#solar
Figura 3.2. A radiação sobre diferentes superfícies.
11
Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm)
Figura 3.3. Forno Tipo Olla.
12
Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm)
Figura 3.4. Fornos Tipo Painéis Solares.
12
Fonte: http://solarcooking.org/solar-l.htm
Figura 3.5. Cozinha solar comunitária Scheffler, a primeira desse tipo no
13
México. Fonte:http://www.sunoven.de/Scheffler-Jiutepec.html
Figura 3.6. Fogões parabólicos e semi-parabólicos.
13
Fonte: http://solarcooking.org/images/scr/nov04/photou.jpg
Figura 3.7. Estrutura básica de um forno solar tipo caixa
14
Fonte: Pedro Horta (Guia da Energia Solar, 2004)
Figura 3.8. Influencia da geometria da área coletora na captação da energia
15
solar. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm
Figura 3.9. Refletores laterais.
15
Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm
Figura 3.10(a). Incidência típica no verão
16
Figura 3.10(b). Espelho auxiliar para o inverno
Figura 3.11. Espelhos refletores com ângulo de 90º na vertical. 16
Figura 3.12. Espelhos refletores aplicados á caixa inclinada.
17
Fonte: (JOHNSON, 2007)
Figura 3.13. Arranjo utilizando dois espelhos refletores. 17
Figura 3.14. Materiais construtivos.
18
Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm
Fig. 3.15. Tipos de ondas eletromagnéticas utilizadas no cotidiano.
22
Fonte: (JOHNSON, 200)
Figura 3.16. A curva de radiação para diferentes temperaturas. 23
Figura 3.17. Efeito da convecção entre o ar uma parede plana. 25
LISTA DE FIGURAS
Figura 4.1. Materiais coletados para construção do forno solar. Fonte própria. 29
LISTA DE TABELAS
Capítulo 1
SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008
IX
Introdução
1. Introdução
1.1. Contextualização
Experimentos com fogões solares segundo Beyer et al. (2004) remontam a mais de
230 anos atrás, quando Horace de Saussure utilizou os conhecimentos da Física em
sua época (por volta de 1776) para a construção de uma caixa preta retangular com
a parte superior composta de um tampo de vidro, com três lâminas afastadas umas
das outras e uma tampa refletora como concentrador de radiação solar no interior
dessa caixa, batizada de “caixa quente”. Tal equipamento obteve temperaturas em
torno de 118 ºC.
Outro experimento clássico que foi realizado pelo astrônomo inglês John Herschel
(1837) também consistia de uma caixa de interior enegrecido, inserida na areia
como isolante térmico e seu tampo possuía camada dupla de vidro. O conceito
comum nesses casos é a absorção da radiação solar para o interior do dispositivo.
1.2. Justificativa
Este trabalho busca avaliar o uso da Energia Solar como fonte alternativa e
auxiliadora ao gás de cozinha (GLP - Gás Liquefeito de Petróleo) e á eletricidade
(Forno de micro-ondas, fornos elétricos, etc) no preparo de alimentação doméstica.
1.3. Objetivos
Construir um forno solar utilizando materiais de baixo custo que possa ser utilizado
na cozinha doméstica, auxiliando outros métodos de cocção de alimentos.
Capítulo 2
Fundamentação Teórica
4
2. Fundamentação Teórica
De acordo com Duffie e Beckman (1991, p. 4): a radiação solar que atinge o topo da
atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar com aproximadamente 300
km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800 K (aproximadamente
5.527 ºC).
Segundo artigo divulgado pelo CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar
e Eólica Sérgio de Salvo Brito – Energia Solar Princípios e Aplicações, pg. 7), dados
recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de
1.367 W/m2 para a radiação extraterrestre. Fórmulas matemáticas permitem o
cálculo, a partir da “Constante Solar”, da radiação extraterrestre ao longo do ano,
fazendo a correção pela órbita elíptica. A radiação solar é radiação eletromagnética
que se propaga a uma velocidade de 300.000 km/s.
De acordo com Oliveira Filho e Saraiva (2005), “a constante solar varia, dependendo
da época no ciclo de 11 anos, de 1.364,55 a 1.367,86 W/m”. O valor adotado para
verificação do rendimento de coletores solares planos é de 1353 W/m.
Segundo ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica - 2005, p. 29), quase todas
as fontes de energia – hidráulicas, biomassas, eólicas, combustíveis fósseis e
5
energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar que vão desde a
realização da fotossíntese até a evaporação das águas criando energia potencial.
A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, O
aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores
ou concentradores solares. Os coletores solares são classificados como
Concentradores e Planos, sendo mais usados em aplicações residenciais e
comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água
(higiene pessoal e para lavar utensílios e ambientes) proporcionando redução no
consumo de energia elétrica (CRESESB, 2003).
FIGURA 2.1 - Radiação solar global diária- média anual típica (MJ/m2. Dia) (tiba, 2000)
Figura 2.2 - Insolação média anual diária [h] no território Brasileiro (Tiba, 2000)
O Espírito Santo figura entre os estados onde a insolação diária está na faixa de 6 h
diárias com irradiância da ordem de 16 MJ/m2. dia (Fig. 2.2 e 2.3). Apesar dessa
condição o uso da energia solar limita-se a sistemas de aquecimento direto de água
para uso doméstico. A ausência estatística desse setor no Estado demonstra pouca
9
difusão dessa tecnologia, cabendo assim iniciativas que o insiram nessa realidade
energética crescente no Brasil, que segundo Alessandra Batista (Apud FARIA, 2004)
até o ano de 2004 registrava entre 650.000 e 700.000 m2 instalados por todo o país.
Capítulo 3
Estado da Arte
10
3. Estado da Arte
Os fornos solares são utilizados na conversão térmica da radiação solar para cozer
alimentos ou para produzir água destilada, através do “efeito estufa”. Dentre os tipos
mais utilizados atualmente, este trabalho apresenta quatro tipos, a saber:
De construção simples e fácil manuseio; pode ser dotado de espelho refletor auxiliar
(Fig. 3.1). Sua operação não oferece riscos de segurança ao usuário. Tem como
principal atrativo o fato de poder ser construído com material de fácil aquisição e
abundante em cada região onde pretende ser utilizado. Pode ser dimensionado para
atender famílias de quatro ou mais pessoas.
Difere do forno tipo caixa basicamente por não necessitar de estrutura de apoio, os
alimentos são depositados numa panela ou utensílio de cor preta envoltos por uma
superfície transparente tal como sacos plásticos ou recipientes de vidro. Como
mostra a figura 3, a superfície transparente promove o “efeito estufa” (TEIXEIRA et
al., 2007).
Trata-se de uma variação do forno tipo Olla, com diferença de estar situado no
centro de um “painel” com superfície interna refletora. O material refletor em geral é
composto de folhas de alumínio ou espelhos quando houver disponibilidade, na
figura abaixo (Fig. 3.4) visualiza-se alguns modelos.
12
sasasasas
Figura 3.5 - Cozinha solar comunitária Scheffler, a primeira desse tipo no México.
Requer mão de obra um pouco mais especializada para construção e operação, por
se tratar de um equipamento onde se obtêm temperaturas muito altas, da ordem de
340 á 465 º C (http://digilander.iol.it/giannicrovatto). Como mostra a figura 3.6
13
As relações entre ganho e perda de calor são fatores determinantes para o bom
funcionamento dos fornos solares. Torna-se necessário então conhecer e aplicar de
maneira adequada conceitos da Física e da Engenharia como parâmetros para se
obter melhores resultados possíveis. Relaciona-se a seguir:
• Efeito estufa:
Esse efeito resulta do aquecimento em espaços fechados nos quais a luz solar
atravessa um material transparente tal como vidro ou plástico. A luz visível
facilmente passa através do vidro (figura 3.7) onde é absorvida e refletida por
materiais dentro do espaço fechado.
Quanto mais diretamente o vidro estiver voltado para o sol (figura 3.8), maior será o
ganho de calor solar. Embora o vidro seja o mesmo na caixa 1 e 2, mais luz solar
passa pelo vidro na caixa 2, porque ele está voltado mais diretamente para o sol.
Porém, a caixa 2 também tem uma maior área de parede através da qual o calor é
perdido.
Figura 3.10(a) – Incidência típica no verão e 3.10(b) – Espelho auxiliar para o inverno
Fonte: (JOHNSON, 2007)
Apesar de oferecer maior captação da radiação, o sistema perde eficiência por não
acompanhar a inclinação solar,
17
De acordo com HORTA (2004, pg. 7), a relação entre a radiação disponível em um
dado intervalo de tempo e o aumento da temperatura da água de um certo volume
no interior de um recipiente de cocção, fornece o rendimento, ou, a eficiência de um
forno solar e calcula-se segundo a equação dada:
m.c p (Tf − Ti )
η= (1)
I.AC .dt
Onde:
Por experiência, sabe-se que a transferência de energia sob a forma de calor ocorre
da diferença de temperatura entre um sistema e sua vizinhança, e somente na
direção decrescente de temperatura (Moran e Shapiro, Princípios de
Termodinâmica Para Engenharia, pág. 34, 2002). Logo, para um sistema onde se
pretende absorver calor e utilizá-lo durante o maior tempo possível, necessita-se
19
O ar e a maior parte dos líquidos e gases não são bons condutores de calor e são
chamados de isolantes. O ar principalmente, devido ao fato de que as moléculas dos
gases que o compõe não apresentarem contato entre si. Os materiais isolantes
como o Poliestireno expandido ou “isopor®” (nome comercial), lãs e etc., devem sua
boa propriedade entre outras coisas a seus espaços “vazios” onde contêm ar.
Os metais por sua vez possuem seus elétrons externos mais “fracamente” ligados
tornando-os livres para o transporte de energia por meio de colisões, por essa razão
são melhores condutores de eletricidade e calor.
dT Τ2 − Τ1
= (3)
dx L
Onde:
T1 = Temperatura da superfície externa
T2 = Temperatura da superfície interna
L = Espessura da placa plana ou parede
Que nos leva a equação da taxa de transferência de calor por condução, onde o
sinal negativo indica decréscimo da temperatura:
Τ2 − Τ1
Q( x ) = −kA [ J] (4)
L
A energia vinda do Sol atravessa o espaço, depois a atmosfera terrestre para então,
aquecer a superfície da Terra. Essa energia não é transferida por condução, uma vez
21
4
Q (e ) = ε σ A Τ S (5)
Onde:
TS = Temperatura da superfície
Sendo assim pode ser gerada, obtida e retida conforme as descrições que se aborda a
seguir.
Quando essa energia radiante encontra um objeto, parte dela é absorvida e parte é
refletida. A parte que é absorvida aumenta a energia térmica do objeto. Se esse objeto
é a sua própria pele, você sente a radiação como calor. Quando um objeto está
bastante quente, certa parte da energia radiante emitida está na faixa da luz visível.
Bons emissores de energia radiante são também bons absorvedores dela; maus
emissores são maus absorvedores. Toda superfície, quente ou fria, tanto absorve
como emite energia radiante.
23
Se a superfície absorve mais do que emite, como é o caso das roupas de cores
escuras, ela é predominantemente um absorvedor e sua temperatura se eleva.
De modo que um bom absorvedor parece escuro e um absorvedor perfeito não reflete
qualquer energia radiante e parece completamente negro.
A absorção e a reflexão são processos que se opõem. Bons refletores são maus
absorvedores. Roupas e ambientes de cores mais claras são mais confortáveis sob
condições de temperatura elevada justamente por refletirem a radiação solar.
Portanto, uma superfície que reflete muito pouco ou nada de energia radiante aparece
como escura.
Existem corpos que irradiam mais energia do que recebem e tornam-se mais frios.
Isso acontece à noite, quando a radiação solar está ausente. Um objeto que é deixado
fora de casa durante a noite irradia energia para o espaço e, devido à ausência de
quaisquer corpos quentes em sua vizinhança, recebe muito pouca energia de volta.
Quando esses corpos perdem mais energia do que ganham, tornam-se mais frios.
Mas se o objeto for um bom condutor de calor haverá condução de calor para ele
vindo do solo, o que às vezes estabiliza sua temperatura.
Quando se coloca uma superfície plana, por exemplo, uma parede como na figura
3.17, em contacto com um fluído a diferentes temperaturas (supondo o ar) o fluxo de
energia térmica ou calor transmitido por unidade de tempo, é dado pela lei de
Newton para o arrefecimento, descrita a seguir.
A parede (Fig. 3.17) de uma casa aquecida perderá calor para o exterior frio a uma
taxa maior quando existir uma grande diferença entre as temperaturas do interior da
casa e do exterior. Manter o interior de sua casa a uma temperatura alta em um dia
frio custa mais caro do que mantê-la a uma temperatura mais baixa.
Onde:
h = é o coeficiente de transferência de calor por convecção e não é uma
propriedade termodinâmica, é um parâmetro empírico relacionado com
a natureza do escoamento, propriedades do fluido e a geometria. Sua
unidade é dada por: W
2 no SI
m K
A = é a área da superfície da parede;
Sendo:
q
Q= (7)
A
•
Q = h (TS − T∞ )
(8)
Se um objeto está mais frio do que sua vizinhança, sua taxa de aquecimento será
também proporcional a ∆T.
No Brasil utiliza-se ainda muito pouco a energia solar para cocção de alimentos,
considerando o grande potencial solar disponível. Sua aplicação nos dias modernos
possui limitações tais como a impossibilidade de utilizá-la em períodos chuvosos e o
tempo relativamente longo gasto na cocção dos alimentos.
Capítulo 4
Materiais e Métodos
28
4. Materiais e Métodos
4.1. Materiais
4.1.2 Ferramentas
O modelo escolhido para construção foi o forno solar tipo caixa. O critério foi
baseado na facilidade de aquisição de material, de construção e manuseio pelo
usuário final. Consiste em uma “gaveta” de madeira revestida de tinta preta e
encaixada numa estrutura metálica de uma “carteira” escolar de formato retangular
com pintura em branco, como mostra a figura 4.3
4.2.2. Refletores
O teste do forno solar proposto (Fig. 4.8) foi realizado durante vários dias dos meses
de Novembro e Dezembro do ano corrente. Apesar do período ter sido marcado por
chuvas intensas, os teste foram conduzidos de maneira satisfatória.
Foi considerado:
A unidade de força com que maioria das pessoas é familiar é o Watt. A influência das
condições do teste nos resultados pode ser minimizada se as variáveis não
controláveis estiverem no alcance certo. Segundo o comitê (JOHNSON, Apud) para
condições experimentais mais condizentes é importante observar:
• Vento – Os testes do forno solar proposto foi conduzidos quando o vento estava
a a velocidades variando entre mínima de 0 m/s e máxima de 6,1 m/s, o que deu
35
- Termômetros;
- Cronômetro;
37
- Trena;
- Fôrma de vidro.
Restrições:
Capítulo 5
Para efeito de avaliação da eficiência do forno solar proposto HORTA (2004, pg. 7),
foram realizados teste com evaporação de água á um volume inicial conhecido. As
medições de temperatura forar realizadas com intervalo de 10 minutos, mas, foram
extraídos os valores horários médios para cálculo do rendimento, uma vez que, não
se dispunha de recurso para aquisição dos valores da radiação solar com intervalo
menor de tempo.
Local:
Aracruz-ES, Brasil.
Latitude: -19° 49' 13''
Longitude: 40° 16' 24''
Altitude: 60 metros
Temperaturas (ºC):
10/12/2008 Min. 25.4 – Máx. 29,9
11/12/2008 Min. 27,2 – Máx. 30,8
12/12/2008 Min. 28,4 – Máx. 32,8
Uma vez que o objetivo principal desse trabalho de conclusão de curso é oferecer
uma alternativa de cozimento utilizando o forno solar proposto, uma bateria de testes
foi efetuada com alimentos comuns como se descreve abaixo.
Dados:
O primeiro experimento foi realizado utilizando bananas (Fig. 5.1) do cultivar prata,
que é um fruto comestível muito apreciado pelas famílias brasileiras. A temperatura
Tc no interior do fruto (Tabela 5.2) foi tomada utilizando um termômetro próprio para
alimentos.
T (horas) TC (°C)
10:45 42,0
11:00 48,0
11:15 55,0
11:30 58,0
Dados:
T (horas) TC (°C)
10:00 33,0
10:15 38,0
10:30 41,0
10:35 55,0
10:50 58
Torradas prontas
Como observa-se na figura 5.1 abaixo, apesar do tempo gasto, pode-se preparar
torradas sem a necessidade do consumo de GLP ou energia elétrica.
Dados:
Observação:
Dados:
Observação:
• O bolo foi assado com a fôrma fechada, nos dias que se seguiram
outros testes foram realizados, e, descobriu-se que melhor
resultado para bolos se obtém com a fôrma aberta.
10/12/2008
11/12/2008
12/12/2008
T2 = Temperatura final
T1 = Temperatura inicial
m.c p (Tf − T i )
η = Eficiência do forno solar proposto =
Hi.AC .dt
Onde:
Seguem abaixo os resultados da radiaçao média horária (Tabela 5.5) obtidos nos
período de testes.
Tabela 5.5 – Radiação média horária dos dias 10, 11 e 12 de Dezembro de 2008.
Segue também abaixo as temperaturas médias da água em teste (Tabela 5.6 e Fig.
5.6) compreendidos no perído de 10 á 12 de Dezembro do corrente ano para cálculo
do rendimento do Forno Solar proposto.
Tabela 5.6 – Temperaturas médias horária dos dias 10,11 e 12 de Dezembro de 2008.
η=
t Himédia m Tf Ti m.c p (Tf − Ti )
x100
Hi.AC .dt
[h] [W.m-2] [kg] [K] [K]
[%]
9:00 663,6 3,0 326,65 300,75 67,75
10:00 904,6 3,0 332,98 316,01 32,00
11:00 922,7 2,90 338,31 326,63 21,90
12:00 832,2 2,970 333,48 332,53 0,95
O tempo em que foi assado o bolo nos experimentos deste trabalho (Capítulo 5,
Tabela 5.1) que foi de 2 h e 40 min contra 50 minutos do protótipo do LMHES/UFRN
auxiliado por três espelhos refletores (JOHNSON, 2007) pode ser melhorado em se
considerando a baixa insolação incidente do período de testes conforme o gráfico da
Figura 5.6.
Capítulo 6
Conclusão
49
6. Conclusão
O forno solar proposto confirmou ser uma boa alternativa na cocção de alimentos
para os quais fora utilizado neste trabalho. Apesar de exigir um tempo longo para
seu funcionamento, a questão financeira e a qualidade de vida em relação ao uso de
fogões á lenha superam esses obstáculos.
50
Apêndice
51
APÊNDICE I
Centro, externo
52
APÊNDICE II
APÊNDICE III
Centro, externo
54
Referências
55
BEYER, H. G., PEREIRA, E. B., MARTINS,F. R., ABREU, S. L., COLLE, S.,
56
CLARK, J., 1996. Solar powered/multiple fuel cooking device. Solar Energy 57
(3).
http://www.apolo11.com/latlon.php?uf=es&cityid=830
www.abrava.com.br
<a rel="license"
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