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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO CAMPUS ANGICOS DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS, TECNOLÓGICAS E HUMANAS - (DCETH) FRANCISCO KLEBER REGIS CASTRO CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM FOGÃO SOLAR À CONCENTRAÇÃO DESENVOLVIDO A PARTIR DE MATERIAIS RECICLÁVEIS - INSTRUMENTO PARA PROMOVER UMA POLÍTICA SOCIAL E SUSTENTÁVEL PARA A CIDADE DE ANGICOS/RN ANGICOS 2012
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO
CAMPUS ANGICOS
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS,
TECNOLÓGICAS E HUMANAS - (DCETH)
FRANCISCO KLEBER REGIS CASTRO
CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM FOGÃO SOLAR À
CONCENTRAÇÃO DESENVOLVIDO A PARTIR DE MATERIAIS
RECICLÁVEIS - INSTRUMENTO PARA PROMOVER UMA POLÍTICA
SOCIAL E SUSTENTÁVEL PARA A CIDADE DE ANGICOS/RN
ANGICOS
2012
FRANCISCO KLEBER REGIS CASTRO
CONSTRUÇÃO E ANÁLISE DE DESEMPENHO DE UM FOGÃO SOLAR À
CONCENTRAÇÃO DESENVOLVIDO A PARTIR DE MATERIAIS
RECICLÁVEIS - INSTRUMENTO PARA PROMOVER UMA POLÍTICA
SOCIAL E SUSTENTÁVEL PARA A CIDADE DE ANGICOS/RN
Monografia apresentada a Universidade
Federal Rural do Semi-Árido - UFERSA
Campus Angicos, para a obtenção do
título de Bacharel em Ciências e
Tecnologia.
Orientador: Profº. M. Sc. Márcio
Furukava - UFERSA.
Co-orientadora: Profª. Dra. Maria das
Neves Pereira - UFERSA.
ANGICOS
2012
A Maria Consuêlo Moura (in
memoriam), minha avó, uma grande
lutadora para que seus netos fossem
criados com princípios de integridade e
honestidade.
A José Soares de Castro (in
memoriam), meu avô, um grande
incentivador da educação para seus
filhos, e que obviamente transmitiu essa
inspiração para seus netos.
A José Wilson da Costa Regis (in
memoriam), meu primo, um exemplo de
vida a ser seguido, pois foi uma pessoa
simples e íntegro em tudo que fazia
Dedico a “Deus” primeiramente, por ser
a razão de minha existência.
A Maria Rocivalda Regis de Castro,
minha mãe, um exemplo de mulher
guerreira, batalhadora e vitoriosa, a
quem devo muito esse momento de
minha vida.
A Raimundo Valmir de Castro, meu
pai, a base, coluna e conselheiro para
que eu pudesse alcançar mais uma etapa
de minha vida.
A Rosiane Patrícia da Silva Castro,
minha digníssima esposa, pela sua
delicadeza e compreensão durante essa
fase de minha vida, tornando-se uma
grande colaboradora para a efetivação
deste trabalho.
AGRADECIMENTOS
A Deus, pelo seu extraordinário amor, pelo qual me concedeu sabedoria, fé e coragem
para continuar neste curso e, por fim, desenvolver este trabalho de conclusão, pois nada
disso seria possível sem a sua mão poderosa;
Aos meus pais, Seu Raimundo Valmir de Castro e Dona Maria Rocivalda Regis de
Castro, duas pessoas maravilhosas e enviadas por Deus para minha vida, as quais eu
devo tudo que já conquistei, pois eles conseguiram me mostrar que devemos ser pessoas
integras, humildes, simples, e temente a Deus;
A minha digníssima esposa, Rosiane Patrícia da Silva Castro, um exemplo de mulher
companheira e de fé, que me incentivou a não desistir dessa caminhada;
A meus irmãos, Cristiane, Marcos e Márcio, pelo incentivo e carinho, que transmitiram
durante esse período de minha vida;
A meu orientador e a minha co-orientadora, Marcio Furukava e Maria das Neves
Pereira, por terem sido exímios profissionais e colaboradores, para a realização deste
trabalho de conclusão de curso, pois foram pessoas que tiveram muita paciência,
sinceridade e competência na elaboração do projeto;
A todos os meus professores da UFERSA/Angicos que contribuíram direta ou
indiretamente para o meu desempenho acadêmico que ora se consolida;
Aos amigos que fiz durante o curso, Rodrigo, Edézio, Thiago, Tialisom, César,
Josimário e Rosane, por terem me apoiado e ajudado de alguma forma nos momentos
mais difíceis que passei na cidade de Angicos;
Aos vizinhos que conheci logo que cheguei a Angicos: Dona Joana, Núbia, Maria e
Tereza, pois creio eu que Deus as colocou no meu caminho para que viessem fazer parte
da minha história.
"As características do mercado sempre
foram coroar com o reconhecimento aqueles
que inovam, criam ou provocam situações
que chamem a atenção. O segredo do
sucesso está na criatividade. Criar significa
pôr em prática alguma coisa que não existe.
Arriscar significa correr o risco de perdas.
Isto é fato, mas como se poderá saber o final
da história se não se caminhar até o fim?”
(Autor Desconhecido)
RESUMO
Neste trabalho serão apresentados os procedimentos de construção e análise de
desempenho de um fogão solar à concentração, que tem por objetivo o cozimento e
fritura de alimentos, além de ser usado também para aquecer água através da energia
solar. Em virtude dos graves problemas ambientais, como a poluição e a escassez de
alguns combustíveis, a energia solar apresenta-se como uma excelente alternativa com
grande potencial de exploração, podendo substituir de forma parcial e até mesmo de
forma integral as energias não-renováveis. Das formas de captação da energia solar, o
fogão solar é uma ótima opção, podendo contribuir tanto na preservação do meio
ambiente, por ser uma fonte limpa, como diversificar a Matriz Energética Brasileira. O
desenvolvimento do fogão solar partiu do pressuposto de utilizar materiais recicláveis
para a construção. Nesse sentido, a partir de um molde padrão, foi construída uma
parábola de fibra de vidro e resina; em uma segunda etapa foi elaborada a estrutura de
sustentação. Dentre os materiais usados na construção da superfície refletora e da
estrutura de sustentação, foram reciclados fragmentos de espelhos e duas cadeiras sem
utilidade doméstica. Os ensaios para avaliar o desempenho do fogão solar foram
realizados em três etapas e os resultados alcançados foram bastantes significativos. Por
fim, ficou constatado que o instrumento solar construído é uma opção viável de
utilização, principalmente para famílias de baixa renda e da zona rural.
Palavras-Chave: Matriz Energética Brasileira. Fogão solar. Materiais recicláveis.
LISTAS DE FIGURAS
Figura 1 - Mapa representativo da escassez da água no planeta Terra............................20
Figura 2 - Ilustração indicando em quanto tempo reservas de petróleo de alguns países
podem se esgotar.............................................................................................................21
Figura 3 - Fluxograma das tecnologias e aplicações da energia solar.............................24
Figura 4 - Ilustração esquemática indicando os componentes da radiação solar ao nível
do solo..............................................................................................................................25
Figura 5 - Média anual de insolação diária no Brasil em horas......................................26
Figura 6 - Mapa da radiação solar global média anual típica (Wh/m2.dia).....................27
Figura 7 - Mapa Mundial da distribuição diária da energia solar ao redor do Mundo....29
Figura 8 - Análise comparativa do potencial de radiação solar entre o Brasil e a
Alemanha.........................................................................................................................30
Figura 9 - Mapa com as 25 melhores regiões para a utilização do fogão solar...............32
Figura 10 - Imagem ilustrativa da 1ª aplicação da energia solar.....................................32
Figura 11 (a) - Fogão construído a partir de pneu...........................................................35
Figura 11 (b) - Forno solar Sun Cook 200.......................................................................35
Figura 12 (a) - Fogão solar tipo funil..............................................................................35
Figura 12 (b) - Amendoim sendo torrado no fogão.........................................................35
Figura 13 (a) - Fogão construído em Natal/RN...............................................................36
Figura 13 (b) - Fogão tipo painel Hot Pot.......................................................................36
Figura 14 - Fogão solar de placa plana construído na Universidade Federal do Ceará..37
Figura 15 (a) - Fogão solar construído a partir de sucatas de antenas de TV..................37
Figura 15 (b) - Churrasco solar feito de carne, frango e linguiça....................................37
Figura 16 - Esquema de um fogão solar a concentração.................................................38
Figura 17 - Esquema de como funciona um fogão solar tipo concentrador....................39
Figura 18 - Molde padrão de concreto utilizado para a construção da parábola.............42
Figura 19 - Aplicação da resina sobre a fibra de vidro....................................................42
Figura 20 - Estrutura da parábola depois de construída..................................................43
Figura 21 - Processo de colocação da massa...................................................................44
Figura 22 - Polimento da massa plástica.........................................................................44
Figura 23 - Marcação do centro.......................................................................................44
Figura 24 - Parábola com as divisões definidas..............................................................44
Figura 25 - Fragmentos de espelhos utilizados de forma reciclável................................45
Figura 26 - Processo de corte e colagem dos espelhos....................................................45
Figura 27- Superfície refletora confeccionada (Parábola com espelhos)........................46
Figura 28 - Cadeiras usadas de forma reciclável na construção estrutura de
sustentação.......................................................................................................................47
Figura 29 - Procedimento de soldagem...........................................................................48
Figura 30 - Cadeiras depois da solda...............................................................................48
Figura 31 - Parafuso sendo colado..................................................................................48
Figura 32- Etapa final desse processo.............................................................................48
Figura 33 - Parte após retirada da tinta............................................................................49
Figura 34 - Parte da estrutura depois da pintura..............................................................49
Figura 35 - Parte final da estrutura de sustentação..........................................................50
Figura 36 (a) - Estrutura base..........................................................................................51
Figura 36 (b) - Estrutura de rotação.................................................................................51
Figura 36 (c) - Superfície refletora..................................................................................51
Figura 36 (d) - Travas laterais.........................................................................................51
Figura 36 (e) - Suporte da panela....................................................................................51
Figura 36 (f) - Panela.......................................................................................................51
Figura 37 (a) - Panela......................................................................................................52
Figura 37 (b) - Suporte da panela....................................................................................52
Figura 37 (c) - Travas laterais..........................................................................................52
Figura 37 (d) - Superfície refletora..................................................................................52
Figura 38 (a) - Vista de frente do fogão solar..................................................................53
Figura 38 (b) - Vista de topo...........................................................................................53
Figura 38 (c) - Vista lateral do fogão solar......................................................................53
Figura 38 (d) - Instrumento solar sustentável..................................................................53
Figura 39 (a) - Intensidade no foco.................................................................................54
Figura 39 (b) - Absorção intensa do sol..........................................................................54
Figura 39 (c) - Intensidade vista lateral...........................................................................54
Figura 39 (d) - Intensidade vista de baixo.......................................................................54
Figura 40 - Parábola com vértice na origem e foco no eixo das ordenadas....................55
Figura 41 - Ilustração da distância do vértice da parábola em relação ao foco...............56
Figura 42- Estação meteorológica da UFERSA Angicos................................................57
Figura 43 - Termômetro digital.......................................................................................58
Figura 44 - Multímetro multifuncional............................................................................58
Figura 45 - Água utilizada no ensaio...............................................................................59
Figura 46 - Processo de ebulição.....................................................................................59
Figura 47 (a) - Arroz antes de ser cozido........................................................................60
Figura 47 (b) - Panela usada para o cozimento...............................................................60
Figura 47 (c) - Arroz em processo de cozimento............................................................60
Figura 47 (d) - Arroz cozido............................................................................................60
Figura 48 (a) – Macarrão utilizado no ensaio..................................................................61
Figura 48 (b) - Início do cozimento.................................................................................61
Figura 48 (c) - Macarrão em processo de cozimento......................................................61
Figura 48 (d) - Macarrão cozido......................................................................................61
Figura 49 (a) - Início do cozimento do frango.................................................................62
Figura 49 (b) - Frango cozido..........................................................................................62
Figura 50 (a) - Momento da fritura do ovo......................................................................62
Figura 50 (b) - Ovo frito..................................................................................................62
Figura 51 (a) - Inicio da fritura do peixe.........................................................................63
Figura 51 (b) - Peixe frito................................................................................................63
Figura 52 (b) - Refeição feita no fogão solar...................................................................64
Figura 53 - Procedimento de marcação...........................................................................64
Figura 54 - Marcação da temperatura..............................................................................64
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Resultados do ensaio de ebulição de água......................................................59
Tabela 2 - Parâmetros e resultados do ensaio de cozimento e fritura dos alimentos......63
Tabela 3 - Resultados do ensaio de evolução da temperatura no foco............................65
Tabela 4 - Planilha do custo de fabricação do fogão solar proposto...............................66
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica
BEN Balanço Energético Nacional
DCETH Departamento de Ciências Exatas, Tecnológicas e Humanas
EUA Estados Unidos da América
INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
LMHES Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar
OMS Organização Mundial da Saúde
ONU Organização das Nações Unidas
PUC Pontifícia Universidade Católica
RN Rio Grande do Norte
UFERSA Universidade Federal Rural do Semi-Árido
UFRN Universidade Federal do Rio Grande do Norte
USP Universidade de São Paulo
BDTD Biblioteca Digital Brasileira de Teses e Dissertações
LISTA DE SÍMBOLOS
ºC Grau Celsius
EJ Energia Joule
ºF Graus Fahrenheit
g Gramas
cm Centímetros
GW Gigawatt
GWh Gigawatt hora
h Horas
l Litro
Km2
Quilômetros quadrado
kW Quilowatt
kWh Quilowatt hora
kWh/m2.dia Quilowatt hora por metro quadrado ao dia
m2 Metro quadrado
min Minutos
ml Mililitro
MW Megawatt
R$ Reais
TWh/ano Terawatt hora por ano
W/m2
Watt por metro quadrado
% Porcentagem
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA.............................................................................19
2.1 POLUIÇÃO E ESCASSEZ PROVOCADAS POR FONTES DE ENERGIAS.......19
2.2 ENERGIA SOLAR COMO FONTE DE ENERGIA SUSTENTÁVEL...................22
2.3 CONCEITOS DA RADIAÇÃO SOLAR..................................................................25
2.4 POTENCIAL DE ENERGIA SOLAR......................................................................28
2.5 FOGÕES SOLARES.................................................................................................31
2.5.1 Histórico dos Fogões Solares...............................................................................32
2.5.2 Tipos de Fogões Solares.......................................................................................34
2.5.2.1 Fogão Solar Tipo Caixa.......................................................................................34
2.5.2.2 Fogão Solar Tipo Funil........................................................................................35
2.5.2.3 Fogão Solar Tipo Painel......................................................................................36
2.5.2.4 Fogão Solar Tipo Placa Plana..............................................................................36
2.5.2.5 Fogão Solar a Concentração................................................................................37
2.5.3 Processos de Funcionamento de um Fogão Solar à Concentração..................38
2.5.4 Vantagens da utilização dos Fogões Solares.......................................................39
3 MATERIAIS E METODOLOGIA DE TRABALHO............................................42
3.1 PROCESSOS UTILIZADOS PARA A CONSTRUÇÃO DO FOGÃO
SOLAR............................................................................................................................42
3.1.1 Construção da Superfície Refletora....................................................................42
3.1.1.1 Construção da Parábola a partir do Molde Padrão..............................................42
3.1.1.2 Colocação e Polimento da Massa Plástica...........................................................43
3.1.1.3 Marcação do Centro e Divisão da Parábola.........................................................44
3.1.1.4 Corte e Colagem dos Espelhos............................................................................45
3.1.1.5 Parte Final da Superfície Refletora......................................................................46
3.1.2 Construção da Estrutura de Sustentação...........................................................47
3.1.2.1 Construção da Estrutura de Sustentação a partir de duas Cadeiras.....................47
3.1.2.2 Processos de Soldagem da Estrutura de Sustentação..........................................47
3.1.2.3 Colagem do Parafuso da Estrutura de Rotação...................................................48
3.1.2.4 Retirada da Tinta e Pintura das Partes da Estrutura de Sustentação....................49
3.1.2.5 Parte Final da Estrutura de Sustentação..............................................................49
3.2 PROCESSOS DE MONTAGEM/DESMONTAGEM E PARTE FINAL DO
FOGÃO SOLAR PROPOSTO........................................................................................50
3.2.1 Processos de Montagem do Fogão Solar.............................................................51
3.2.2 Processos de Desmontagem do Fogão Solar.......................................................52
3.2.3 Parte Final do Fogão Solar..................................................................................53
3.3 DIAGNÓSTICO DA INTENSIDADE DE CALOR NO FOCO DO FOGÃO
SOLAR............................................................................................................................53
3.4 CÁLCULO DO FOCO DA SUPERFÍCIE REFLETORA........................................54
3.5 METODOLOGIA APLICADA NOS ENSAIOS......................................................57
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................59
4.1 ANÁLISES E RESULTADOS DO ENSAIO DE EBULIÇÃO DE ÁGUA.............59
4.2 ANÁLISES E RESULTADOS DOS ENSAIOS COM ALIMENTOS....................60
4.3 ANÁLISES E RESULTADOS DO ENSAIO DA TEMPERATURA NO
FOCO...............................................................................................................................64
4.4 ANÁLISES DO CUSTO DE FABRICAÇÃO DO FOGÃO SOLAR......................65
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS.....................................................................................67
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS....................................................69
REFERÊNCIAS.............................................................................................................70
16
1 INTRODUÇÃO
A origem da palavra energia provém do grego, e é definida como a capacidade
para a realização de trabalho. Toda e qualquer atividade só se torna possível de ser
realizada com o uso de uma ou mais fontes de energia. Seja no simples ato de abrir e
fechar os olhos, ou em algo mais complexo como a construção de um alto edifício, ela é
à base da vida de todos os seres humanos.
As energias não-renováveis, atualmente são as mais utilizadas para abastecerem
o sistema energético mundial, e ao mesmo tempo, são as que mais geram problemas
ambientais, como por exemplos: o aquecimento global e a chuva ácida. Correspondem
aos combustíveis fósseis, carvão mineral, petróleo e gás natural, e aos combustíveis
nucleares. São fontes energéticas que além de emitir gases poluentes, possuem o tempo
de reposição muito superior ao seu tempo de uso, ou seja, os recursos são limitados e
podem se esgotar. Assim, a possibilidade desses recursos serem repostos em tempo
hábil para uma nova utilização, é inexistente (SILVA et al., 2009).
Ao invés das energias não-renováveis, nos últimos anos, os recursos naturais ou
renováveis têm sido o foco de inúmeras pesquisas, impulsionadas pelo aumento das
preocupações com o meio ambiente, muito por causa de problemas ecológicos, gerados
principalmente pela utilização de combustíveis fósseis. O aproveitamento correto das
fontes renováveis é um excelente modo de substituir às não sustentáveis e evitar danos
que as mesmas causam ao planeta, contribuindo assim para a sustentabilidade do
homem na terra (NICHELLE JUNIOR, 2010).
Como tentativa de reverter à situação, da escassez dos compostos fósseis como
também dar ênfase à questão ambiental, o mundo desenvolvido prioriza a utilização das
energias limpas e renováveis. Nesse contexto, a energia solar tem merecido destaque
especial, pois vários países estão criando programas de incentivo a sua utilização,
abrindo linhas de financiamento com baixas taxas de juros e subsidiando os preços de
aquisição de equipamentos que venham ser úteis na propagação dessa fonte de energia
(YAKOV, 2000; TRENDS IN RENEWABLE ENERGIES, 2005 apud MACEDO NETO
et al., 2011).
A incidência de radiação solar sobre as massas continentais em um ano
corresponde a 1,74x1011
GWh e o consumo energético anual atual corresponde a 1,5x
108 GWh. A energia solar disponível nas massas continentais representa mais de 1.000
17
vezes o consumo de energia da humanidade. Portanto, 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 1,02x1013
GWh
(LION FILHO, 2007).
O Brasil é um país privilegiado em relação ao potencial de energia solar
disponível e a região nordeste apresenta um potencial médio em torno de 600 W/m²,
chegando a picos em torno de 1000 W/m². Esses potenciais colocam o nordeste
brasileiro como uma região extremamente viável para a implantação de quaisquer
instalações solares, podendo ser utilizadas para as mais diversas aplicações (REIS,
2009).
As tecnologias usadas para a captação e aproveitamento dos raios solares
existem das formas mais simples a mais complexas, dentre elas, as mais utilizadas e
conhecidas são: as placas fotovoltaicas, coletores solares e os fogões solares. Porém
com o avanço tecnológico e as pesquisas que têm sido desenvolvidas na área de energia
solar, tem se destacado outras formas de captação (BEZERRA, 2004; MELO, 2008).
Das tecnologias existentes, o fogão solar já é um fato comprovado, e tem sido
objeto de estudo de vários pesquisadores no âmbito nacional e internacional. A maioria
dos fogões solares existentes funciona à concentração, muito embora existam outros
tipos que aproveitam o efeito estufa. Também existem modelos que se diferenciam pela
a utilização de diferentes materiais na sua fabricação (MOURA, 2007).
Esse tipo de tecnologia, fogão solar, além de não poluir o meio ambiente,
evitando a poluição de gases gerada pela queima da lenha, evita também a disputa pela
extração de lenha pelos moradores locais, a desertificação ocasionada da extração em
excesso e os riscos que podem trazer à saúde e ainda pode ser amplamente utilizada pela
população de baixa renda que não tem condições de utilizar as novas tecnologias a
preço de mercado (RAMOS FILHO, 2011).
O presente trabalho visa construir e analisar o desempenho de um fogão solar á
concentração, fabricado a partir de materiais recicláveis, de fácil desmontagem, com
condições favoráveis de transporte, resistência ao sol e chuva, e custo de fabricação
acessível. Com isso o trabalho tem por objetivo despertar a comunidade acadêmica
local, a Cidade de Angicos e os Municípios circunvizinhos para o uso, estudo e
desenvolvimento do fogão solar e por fim promover uma política de sustentabilidade e
conscientização, principalmente pelas famílias oriundas das zonas rurais, contribuindo
18
socialmente para a permanência do homem do campo, e ao mesmo tempo preservando o
meio ambiente.
O presente estudo está composto de cinco capítulos: um introdutório, a
fundamentação teórica que aborda a energia solar no contexto global, com destaque
para o fogão solar, objeto de estudo desse trabalho; no terceiro capítulo serão abordados
os materiais e a metodologia de trabalho aplicada, com os processos de construção e
montagem do fogão solar proposto e os procedimentos experimentais aplicados nos
ensaios. No quarto capítulo apresenta o método de trabalho aplicado na investigação dos
dados, com a obtenção dos resultados e discussões dos ensaios realizados. E por fim, o
capítulo cinco apresenta as considerações finais.
19
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 POLUIÇÃO E ESCASSEZ PROVOCADAS POR FONTES DE ENERGIAS
As questões relativas ao meio ambiente estão sendo amplamente discutidas nos
dias de hoje tanto na área de preservação ambiental como no controle de emissão de
gases e implantação de novas tecnologias. Problemas como poluição nas águas, efeito
estufa, chuva ácida, aumento do buraco da camada de ozônio e o próprio aquecimento
global têm tomado as páginas dos noticiários, cada vez mais, juntamente com
fenômenos catastróficos, muitos deles provocados por essas mudanças climáticas no
planeta Terra (RAMOS FILHO, 2011).
Algumas fontes de energia e suas reservas tem se transformado em séries
preocupações da humanidade, principalmente no que se refere ao declínio energético
que se tem verificado ultimamente. Trata-se em sua maioria de fontes geradoras
convencionais que abastecem uma demanda cada vez maior. Essas utilizam meios os
quais provocam um verdadeiro desequilíbrio ecológico, ocasionados por substâncias
agressivas lançadas ao meio ambiente (ISERHARD, 2000).
O extraordinário aumento do consumo de energia verificado nas três últimas
décadas tem chamado à atenção para o seu impacto provocado sobre os recursos
ecológicos, principalmente nos países altamente industrializados. O desenvolvimento
econômico e social de qualquer país deve ser acompanhado com a preservação
ambiental, sendo fator essencial para a permanência do homem na Terra (SOUZA
FILHO, 2008).
Atualmente, da oferta de energia elétrica no Brasil, 75% advém de hidrelétricas.
Sendo a usina hidrelétrica uma fonte renovável de energia, o Brasil desponta como um
dos principais colaboradores na luta contra o aquecimento global; porém é preocupante:
o consumo excessivo da água, as formas inadequadas de uso, as construções exageradas
de usinas hidrelétricas e a falta de conscientização de prevenção com os rios, lagos e
mares. A escassez da água, já é uma realidade em várias partes do mundo, e na (Figura
1), observam-se regiões com pouca ou nenhuma escassez de água, escassez física de
água, escassez econômica de água e próximas da escassez física de água (POZZEBON,
2009).
20
Figura 1 - Mapa representativo da escassez da água no planeta Terra.
Fonte: DAVID, (2010).
Outra fonte de energia preocupante é a energia proveniente das usinas nucleares,
pois se constituem em outro tipo de ameaça à ecologia. Apesar de haver certa
abundância natural por parte dos seus principais combustíveis, o lixo atômico radioativo
gerado pelas usinas nucleares é na verdade um problema que transcende todas as
diferenças nacionais e culturais e que se estenderá por séculos afora, proporcionando
um enorme perigo tanto para o meio ambiente, como para os seres humanos. Além
disso, o urânio, combustível nuclear, pode ser utilizado para fabricação de bombas
atômicas, representando uma constante ameaça para o planeta (SOUZA FILHO, 2008).
A natureza está dando sinais de que não mais suporta a utilização intensa de
fontes a base de petróleo e de seus derivados. O avanço das marés, a alteração do
calendário das chuvas, a diminuição da espessura da camada de gelo nos polos e o
aumento perceptível da temperatura ambiente, em todas as partes do mundo são marcas
indeléveis que traduzem a reação do planeta à agressão massiva do ser humano a sua
sustentabilidade (REIS, 2009).
Além desses preocupantes fatores provocados pelo uso do petróleo e seus
derivados, já se comprova também que reservas de petróleo de alguns países podem se
esgotar, (Figura 2). A ciência calcula que haja petróleo suficiente apenas para mais um
século de consumo. Em longo prazo a gasolina, o gás natural e o óleo diesel e outros
21
combustíveis serão, inevitavelmente, substituídos parcialmente por fontes alternativas
de energias (RAMOS FILHO, 2011).
Figura 2 - Ilustração indicando em quanto tempo reservas de petróleo de alguns países
podem se esgotar.
Fonte: PORTILHO, (2008).
A lenha é provavelmente o energético mais antigo usado pelo homem e continua
tendo grande importância na Matriz Energética Brasileira, participando com cerca de
10% da produção de energia primária. Apesar de ser bastante útil a queima da lenha
também é bastante ofensiva, tanto ao ser humano quanto ao meio ambiente. O uso da
lenha para cozinhar dentro de casa leva a morte de 1,6 milhões de pessoas devido á
poluição em ambientes internos; já para meio ambiente o uso da lenha provoca: a
extinção de matas nativas e animais silvestres e a desertificação, além de gerar gases
que contribuem para o aquecimento global (Organização Mundial de Saúde, 2005;
Balanço Energético Nacional, 2006 apud GOMES, 2009).
É notório que num futuro bem próximo o custo da energia tenderá a ser sempre
maior provocado pela grande demanda e consequentemente se acontecer à escassez de
alguns combustíveis, como: água, petróleo, os quais a população mundial tem alto poder
de consumo. As formas de utilização de energia determinarão o curso dos
desenvolvimentos social e econômico mundial, onde o suprimento ecologicamente
correto de energia será a base para um elevado e sustentável nível de segurança e
22
conforto. Em função dessas percepções, o direcionamento às fontes renováveis de
energia é essencialmente inevitável. Dentre as energias renováveis que podem ser
desenvolvidas, a energia solar é uma opção extremamente viável, tendo como principais
vantagens: o potencial que o sol pode gerar de energia e as formas práticas de captação
da radiação solar (SOUZA FILHO, 2008).
2.2 ENERGIA SOLAR COMO FONTE DE ENERGIA SUSTENTÁVEL
A energia solar gera processos naturais, como a fotossíntese que combina a
energia luminosa do sol com o dióxido de carbono da atmosfera para armazenar energia
nas plantas em forma de hidrocarbonos. Na realidade, a maior parte da energia que
utilizamos na Terra vem do Sol. Os ventos, biomassa, origem dos hidrocarbonetos,
quedas d’água, são todas fontes de energia resultado da radiação luminosa emitida pelo
Sol (SOUZA FILHO, 2008).
O aproveitamento da energia solar, 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, como por exemplos: a grande
demanda pelo consumo da água, escassez dos combustíveis fósseis, e o crescimento
expressivo da população mundial (MELO, 2008).
A Centrotherm Photovoltaics AG, uma das maiores fornecedoras de
equipamentos para a produção de energia solar fotovoltaica do mundo, chegou a
afirmar, em audiência pública, realizada no ano passado (2011) em Natal, que os preços
da energia solar haviam caído mais de 30% nos últimos dois anos. Mas desonerar a
geração de energia não basta. Além de reduzir o preço, o Brasil precisa investir em
linhas de transmissão, aprimorar a infraestrutura e facilitar à logística. Apesar das
barreiras, a energia solar é a fonte de energia que mais cresce no mundo. A taxa de
crescimento anual chega a 30,89% (MENDES, 2012).
Das energias alternativas, a energia solar é do tipo que possui grandes
potenciais, ecologicamente correta, e que pode garantir um desenvolvimento sustentável
para o homem. Esse é um conceito que traduz a importância dessa fonte, renovável,
limpa, e que pode trazer como diferencial a socialização do bem; energia que não é
exclusiva, apenas, dos detentores de riquezas materiais, mas possível de ser utilizadas
por pessoas de classes menos favorecidas (REIS, 2009).
23
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, sendo esses indispensáveis para o estabelecimento de uma política
nacional para esse setor (LION FILHO, 2007).
A energia solar é uma fonte ecologicamente correta, pois trabalhando como um
imenso reator à fusão, o sol irradia na terra todos os dias, um potencial energético
extremamente elevado, incomparável a qualquer outro sistema de energia. O Sol irradia
anualmente o equivalente a 10 mil vezes a energia consumida pela população mundial
neste mesmo período. Apesar do seu grande potencial para gerar energia, o sol ainda
não é referência no contexto elétrico brasileiro, devido aos altos custos, o Brasil pouco
utiliza essa alternativa energética (RAMOS FILHO, 2011).
Atualmente através da energia solar, se utiliza diferentes opções de tecnologias
para gerar calor, frio, energia elétrica, etc. Existem basicamente quatro formas de captar
os raios solares: a arquitetura solar ou bioclimática, energia química solar (fotossíntese),
energia solar fotovoltaico-elétrica e a energia solar térmica. A arquitetura bioclimática e
a energia solar química são formas passiva e se apresentam de forma natural no meio
ambiente, no entanto, não há formas práticas de tecnologias. Já as formas ativas: energia
solar fotovoltaico-elétrica e a energia solar térmica possuem uma diversidade de
tecnologias, possibilitando inúmeras aplicações, por exemplos: geração de eletricidade,
carregamento de baterias e eletrônicos, dessanilização de água, esfriamento ou
aquecimento de água, secagem de grãos, desidratação de frutas, cozimento e fritura de
alimentos e aquecimento de água através dos fogões solares (BRASÍLIA, 2010);
FARIA, [2012?]).
A energia solar fotovoltaico-elétrica, através das placas fotovoltaicas tem sida
amplamente usada em várias lugares do mundo. E a energia solar térmica que consiste
na transformação de calor para alguma aplicação, possui uma grande variedade de
tecnologias, das quais o fogão solar se enquadra. Para se compreender melhor, as
formas de captação e aproveitamento da energia solar, na (Figura 3), segue um
fluxograma indicando as tecnologias seguido das aplicações.
24
Figura 3 - Fluxograma das tecnologias e aplicações da energia solar.
Fonte: Adaptado de POZZEBON, 2009; BRASÍLIA, 2010; RAMOS FIHO, 2011.
Eletrificação
: fazendas e
zona rural
Iluminação
Aquecimento
de água
Telecomunicações
Equipamentos
meteorológicos
e ambientais
Sinalização
Proteção
catódica em
Sistemas de
segurança e de
emergência
Equipamentos
eletrônicos
Estufas
Satélites de todos
os tipos
Boias de navegação
Balizas de navegação
Luzes de navegação
Calculadoras
Carregadores de
baterias para
veículos elétricos
Telefones
celulares
ENERGIA SOLAR
Arquitetura
Bioclimática
Energia Solar
Química
Energia
Elétrica/Fotovoltáica
Energia Solar
Térmica
Iluminação natural
Ventilação
Geração de energia
elétrica
Químico
Bioquímico
Fotólise
Fotossíntese
Dentro de
edificações
Redução de
gastos com
energia
Dessalinização
solar
Sistema
fotovoltaico de
geração
descentralizada
Sistema
fotovoltaico
conectado a
rede elétrica
Sistema
agregado
fotovoltaico
e térmico
Refrigeração
Eliminação do sal da
água: processo conhecido
por osmose reversa
Bombeamento de água
Semáforos
Painéis de outdoor De alimentos
De remédios
Oleodutos
Gasodutos
Coletores solares:
aquecimento de ar
em prédios por
meio da calefação
Torre
solar
Concentradores
parabólicos
Chaminé
solar
Climatização
ou
refrigeração
solar
Calefação
solar
Estufa
solar
Plantas de
dessanilização
Coletores
planos
simples
Cozinhas
ou fogões
solares
Geração de
energia
elétrica
Geração
de energia
elétrica
Geração de
energia
elétrica
Aquecer
residências
Aquecer
residências
Secar e
desidratar
alimentos
Aquecimento
de água e ar
Coletores
tubulares
com
vácuo
Calor
industrial
Aquecimento
de água
Coletores
concentradores
(cilindro-parabólico)
Aquecimento de água
Calor industrial
Eletricidade
Refrigeração (absorção
ou adsorção)
Temperaturas médias e elevadas
Cozinhar
e assar
alimentos
Temperaturas baixas
Geração de vapor
25
Citar a energia solar como solução para todos os problemas energéticos da
humanidade representa desconhecer as limitações técnicas de tal alternativa. Porém o
imenso potencial energético de tal fonte não pode ser desprezado por nenhum país do
mundo, em tempos de economia de combustíveis convencionais. O Brasil é um país que
pode desfrutar bem do potencial energético que o sol proporciona, pois por ser um país
de clima tropical, recebe abundantemente radiação solar, que se for bem aproveitada
pode representar, no entanto, uma alternativa bastante significativa para a composição
da matriz energética e até mesmo a substituição de forma integral por fontes de energias
não-renováveis (SOUZA FILHO, 2008).
2.3 CONCEITOS DA RADIAÇÃO SOLAR
A radiação solar, ao atravessar a atmosfera do planeta, começa a diminuir de
intensidade, atingindo valores próximos a 1000 W/m² na superfície do planeta. Esse
valor, conhecido por radiação global, é composto por uma fração solar direta e outra
difusa. A fração solar direta é definida como a fração da radiação solar que atravessa a
atmosfera terrestre sem sofrer qualquer alteração em sua direção original e a fração
solar difusa refere-se à componente da radiação solar que ao atravessar a atmosfera, é
espalhada pelos gases componentes, aerossóis e poeira. A (Figura 4), ilustra a radiação
global e seus componentes (BRASÍLIA, 2010).
Figura 4 - Ilustração esquemática indicando os componentes da radiação solar ao nível
do solo.
Fonte: Portal São Francisco apud CRAVEIRO, [2012?].
26
O sol é uma fonte de energia perene, silenciosa, abundante e não poluente, sendo
responsável por todas as formas de vida no nosso Planeta. Diariamente o sol libera uma
grande quantidade de energia através de ondas eletromagnéticas e uma parcela dessa
energia que incide sobre a Terra, sofre uma pequena atenuação quando interage com os
gases atmosféricos (SOUZA FILHO, 2008).
A média anual de insolação diária no território brasileiro apresenta uma variação
em horas de um estado para outro, e é por isso que o país possui uma diversidade de
condições climáticas em função de sua posição geográfica e de sua localização no
hemisfério. Como se observa na (Figura 5) percebe-se que grande parte do País
apresenta uma insolação diária em torno de 6 a 7 horas, identificada pelas regiões
Sudeste e Centro-oeste. Já os maiores índices são observados na região Nordeste, com 8
horas de insolação diária (ALONSO, 2009).
Figura 5 - Média anual de insolação diária no Brasil em horas.
Fonte: Adaptado de PEREIRA et al., (2006) apud ALONSO, (2009).
27
Para ter uma idéia ainda mais ampla da quantidade de energia solar disponível
no território nacional, ao longo de 280 dias de insolação por ano, a menor média anual
de radiação solar no Brasil, a de Santa Catarina, é cerca de 30% superior à da maior
média de radiação anual da Alemanha, um dos países lideres em utilização da energia
solar (BRASÍLIA, 2010).
No território brasileiro, como se observa a (Figura 6), em que se destacam as
regiões mais claras e com maiores índices de radiação solar, possui significativo
potencial solar com disponibilidade equivalente a 1,13 x 1010
GWh, em quase todo o
ano, como acontece na região nordeste (ALDABÓ, 2002 apud RAMOS FILHO, 2011).
Figura 6 - Mapa da radiação solar global média anual típica (Wh/m2.dia).
Fonte: PEREIRA et al., (2006).
Sabe-se que a radiação sofre flutuações por dois motivos principais, à medida
que muda o ponto de referência, latitude e a época do ano. No Brasil em cada metro
quadrado de solo terra, irradia em um ano aproximadamente 1500 kWh/m² em média de
28
energia. Esta energia pode ser transformada em outras formas úteis como, por exemplo,
em eletricidade, aquecimento de água e cozimento de alimentos (BEZERRA, 2004).
Se apenas 0,1% da energia solar pudesse ser convertida com uma eficiência de
10%, este tipo de energia gerada seria quatro vezes maior que a capacidade mundial
total de geração de energia, que é de 3000 GW. A radiação solar que atinge anualmente
a superfície da Terra, representa um valor de 3,4x106 EJ, uma ordem de grandeza maior
que a soma de todas as fontes de energias não-renováveis, provadas e estimadas,
incluindo os combustíveis fósseis e nucleares (VICHI; MANSOR, 2009).
2.4 POTENCIAL DE ENERGIA SOLAR
A energia que é irradiada pelo sol, para a atmosfera terrestre é, praticamente,
constante. Até hoje, estudiosos e pesquisadores buscam compreender com mais
exatidão o tamanho potencial que os raios solares podem gerar (GREENPRO, 2004
apud REIS, 2009).
A potência máxima da radiação solar que atinge a atmosfera terrestre é cerca de
1,7x1014
KW. No entanto, mesmo com esta pequena porção, estima-se que em 84
minutos de radiação solar incidindo sobre a superfície terrestre seja suficiente para
atender a demanda energética mundial por um ano, cerca de 900 EJ. Este valor também
representa mais de 13 milhões de vezes a potência elétrica instalada da usina de Itaipu
(Brasil), a maior do mundo. Apesar da indiscutível potência da energia solar a nível
mundial, o desenvolvimento de tecnologias através dessa fonte ainda está muito restrita
a alguns países, principalmente em decorrência de questões sociais e econômicas (REIS,
2009; LODI, 2011).
A potência e demanda a nível mundial de energia solar deve-se bastante a
demanda por painéis fotovoltaicos, que tem crescido a uma taxa de 35% ao ano. A
produção anual de painéis fotovoltaicos atingiu 1700 MW em 2005, sendo o Japão, a
União Européia e os Estados Unidos os principais produtores. Já a demanda da energia
solar térmica, terá uma capacidade instalada no mundo e deverá atingir 3000 MW nos
próximos anos (VICHI; MANSOR, 2009).
Os países de clima tropical devido a suas posições geográficas recebem as
maiores quantidades de radiação solar no planeta, possuindo assim mais dias de sol do
que as regiões ou países de clima subtropicais e temperados. Logo possuem grande
29
potencial energético para o uso de equipamentos e/ou instalações solares. Na (Figura 7),
observa-se o mapa mundial da distribuição diária da energia solar recebida pela Terra ao
redor do Mundo, em (W/m2) (RAMOS FILHO, 2011).
Figura 7 - Mapa Mundial da distribuição diária da energia solar ao redor do Mundo.
Fonte: Loster, (2006) apud ALONSO, (2009).
Os círculos pretos demarcam as áreas necessárias que podem suprir toda a
demanda de energia do planeta Terra, comprovando assim a veracidade das regiões
tropicais, as quais possuem os maiores índices de radiação solar. Um desses países de
clima tropical é o Brasil, território que possui significativo potencial solar com
disponibilidade em quase todo o ano (RAMOS FILHO, 2011).
De uma forma mais minuciosa para se entender o potencial do Brasil em relação
a outros países, a (Figura 8), apresenta os mapas da comparação da radiação solar
incidente entre o Brasil e um país europeu. Neste caso, faz-se a análise comparativa
entre o Brasil e a Alemanha, compreendendo que a radiação solar na região mais
ensolarada da Alemanha, é 40% menor do que a região menos ensolarada do Brasil
(RUTHER, 2009).
30
Figura 8 - Análise comparativa do potencial de radiação solar entre o Brasil e a
Alemanha.
Fonte: RUTHER, (2009).
Feita a análise da (Figura 8), compreende-se que o Brasil tem um imenso
potencial se comparado com o da Alemanha e de outros países, porém, apesar do grande
potencial, o Brasil é um país que não investe e nem incentiva a implantação de
instalações solares, ao contrário de muitos países Europeus, Japão e Países árabes, que
têm políticas voltadas para exploração da energia solar de forma consistente.
A usina hidrelétrica de ITAIPU cuja área é de 1350 km2, gera 14 GW, o que
equivale 80 a 90 TWh/ano, que representa 25% da energia elétrica consumida no
Brasil. Se essa área fosse coberta com placas fotovoltaicas “com gerador solar
fotovoltaico”, representaria 50% da energia elétrica consumida no Brasil (RUTHER,
2009).
No Brasil, os maiores índices de radiação solar estão presentes na região
Nordeste, onde a média anual é de aproximadamente 6 kWh/m2.dia. O Rio Grande do
Norte está entre os três estados do Brasil com maior incidência de radiação solar. O
potencial de radiação solar do Estado é de 780 a 800 W/m2, sendo esse valor cinco
vezes maior que o da Alemanha, um dos países que mais produzem energia solar no
mundo. Para especialistas, o Rio Grande do Norte pode se destacar em relação à geração
de energia solar, a exemplo do que vem ocorrendo com a implantação de outras fontes
31
de energia renováveis, como por exemplo, a energia eólica (SOUZA FILHO, 2008;
MENDES, 2012).
Alguns municípios do Nordeste, como Petrolina (PE), Floriano (PI) e Bom Jesus
da Lapa (BA), são exemplos evidentes de locais que recebem intensidade de luz solar
comparável à registrada em Dongola no Sudão, o ponto do planeta onde o Sol incide
com maior potência. Com isso comprova-se que a implantação de instalações solares no
território nordestino é uma opção extremamente viável (BEZERRA, 2004).
A Bioenergy, empresa que trabalha no ramo de energias renováveis, eólica e
solar, já mede a radiação solar em dois municípios potiguares. Grandes projetos de
energia solar, em breve irão ser implantados no Estado e seus investimentos totais
chegarão a R$ 600 milhões. Juntas as centrais, que serão conectadas às redes, poderão
gerar até 100 MW de energia, o que equivale a 100 vezes mais do que é gerado pela
única usina de energia solar conectada à rede do país, instalada no Ceará. Quatrocentos
milhões é o valor total dos investimentos previstos no Programa da Agência Nacional
de Energia Elétrica (ANEEL), deste total R$ 21,2 milhões serão investidos no Rio
Grande do Norte. Caicó, Currais Novos e Mossoró são os municípios mais promissores
para a energia solar no estado do Rio Grande do Norte (MENDES, 2012).
2.5 FOGÕES SOLARES
Diante da perspectiva social e ambiental, uma aplicação térmica das mais
simples, é o fogão solar, usado no preparo de alimentos e aquecimento de água. Seu
emprego encontra aplicação em varias partes do mundo e no Brasil na zona rural das
regiões áridas e semi-áridas, em virtude da substituição do uso e extração de lenha. O
fogão solar é bastante útil para o cozimento de alimentos, principalmente em camping e
em locais onde o acesso ao fogão ao gás é dificultoso (LION FILHO, 2007).
O uso dos fogões solares está diretamente associado à incidência de radiação
solar e ao clima. Embora seja possível o uso de fogões solares em todo o planeta, os
países de clima tropical e equatorial e as regiões de até 40º de latitude, se mostram
como as melhores regiões para o uso do fogão solar, como se observa na (Figura 9),
sendo possível seu uso até mesmo no inverno. As regiões em destaque são as que
apresentam os maiores potenciais para utilização do fogão solar em todo o planeta, das
32
quais está incluído o Brasil. Estima-se que só na Índia e China existam mais de 100.000
fogões solares instalados (OLIVEIRA; DAMASCENO, 2009).
Figura 9 - Mapa com as 25 melhores regiões para a utilização do fogão solar.
Fonte: Adaptado de OLIVEIRA; DAMASCENO, (2009).
2.5.1 Histórico dos Fogões Solares
A primeira aplicação da energia solar de que se tem notícia, aconteceu em
virtude de uma guerra entre os gregos e romanos. Esta façanha atribui-se a Arquimedes
de Siracusa, físico, matemático, astrônomo e inventor, por ter construído um conjunto
de espelhos parabólicos que foi usado para direcionar a radiação solar e incendiar as
velas dos navios romanos, conforme ilustra e se observa a (Figura 10) (CRAVEIRO,
[2012?]).
Figura 10 - Imagem ilustrativa da 1ª aplicação da energia solar.
Fonte: Arquimedes, o gênio das invenções, (2007) apud CRAVEIRO, [2012?].
33
Passado um longo período de anos, no final do século XVIII o cientista francês
Lavoisier, em seus experimentos usando uma lente grande de 52 polegadas, e outra de
8, conseguiu atingir temperaturas próximas de 1.750 ºC, por pouco não conseguindo
fundir a platina. Foi, indubitavelmente, a maior temperatura atingida naquela época pelo
homem (OLIVEIRA; DAMASCENO, 2009).
Desde a mais remota antiguidade os povos já utilizavam a energia do sol para
aquecer água, secar frutas e cozinhar vegetais, porém a primeira cozinha solar e/ou
fogão solar com tecnologia moderna se atribui ao franco-suíço Horace de Saussure,
considerado o avô da energia solar, que projetou e construiu uma pequena caixa solar
entre outros inventos relacionados com esta fonte de energia no ano de 1767. Ele
cozinhou frutas em um fogão solar do tipo caixa primitivo em que alcançava
temperaturas de 190 °F (88°C) (RAMOS FILHO, 2011).
No século XIX a criação e a utilização dos fogões solares, teve uma excelente
propagação, iniciado pelo astrônomo britânico John Herschel, que utilizou uma cozinha
solar de sua invenção durante sua viagem ao sul da África, em 1830. 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. Ressalta-se que todos
esses idealizadores de fogões solares, foram fortes contribuintes e colaboradores, para
que hoje esses instrumentos fossem mundialmente reconhecidos (GOMES, 2009).
Com a chegada do Século XX houve uma utilização massiva dos combustíveis
fósseis, tornando possível a obtenção de energia abundante e relativamente barata em
quase todas as camadas da população. Com isso, o mundo industrializado esqueceu as
antigas e simples técnicas naturais. Somente no último terço desse século quando
começaram a surgir os problemas resultantes da distribuição e crescente poluição dos
derivados do petróleo, a energia solar voltou a ser usada ainda que de forma incipiente
(RAMOS FILHO, 2011).
Em 1960 um estudo da ONU foi publicado para avaliar as reais possibilidades de
implantação e desenvolvimento dos fogões solares nos países em desenvolvimento. A
conclusão dessa publicação foi que as cozinhas, fornos ou fogões solares, eram viáveis,
entretanto era preciso apenas uma mudança nos costumes para uma adaptação à sua
utilização em grande escala (LION FILHO, 2007).
34
Em 1992 a associação Solar Cookers International promoveu a Primeira
Conferência Mundial sobre a Cozinha Solar, um acontecimento histórico e marcante
sobre esse tema, que reuniu pesquisadores e entusiastas de 18 países. Essa Conferência
repetiu-se em 1995, 1997, 2006 e recentemente, no ano de 2008, na Espanha (GOMES,
2009).
No Brasil o estudo de fogões solares teve seu início e pioneirismo no
Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal da Paraíba (UFPB), na década de
1980, através do Pesquisador Bezerra, que construiu vários tipos de Fogões à
Concentração, utilizando materiais diversos para a superfície refletora (LION FILHO,
2007).
No Rio Grande do Norte, o Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia
Solar (LMHES) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN) foi o local
promissor nessa linha de pesquisa, fornos/fogões solares, o qual tem merecido destaque
em mais de 20 anos de estudos (RAMOS FILHO, 2011).
2.5.2 Tipos de Fogões Solares
Os fogões solares são dispositivos especiais que por intervenção da luz solar é
possível gerar calor para cozinhar alimentos, aquecimento de água e outras finalidades.
Dentre os vários tipos e modelos que existem de fogões solares, no referido tópico
destacam-se cinco tipos básicos: fogão tipo caixa, fogão tipo painel, fogão tipo funil,
fogão/cozinha aquecida por meio de coletor de placa plana e o fogão solar tipo
parabólico ou a concentração, o qual se assemelha ao objeto de estudo do presente
trabalho.
2.5.2.1 Fogão Solar Tipo Caixa
Nos fogões solares do tipo caixa, a panela é colocada diretamente no coletor,
Figuras 11 (a) e (b), onde a radiação fica presa dentro dele aquecendo a panela, o qual
favorece o cozimento dos alimentos. Tem como principais vantagens o seu baixo custo
e sua fácil construção, sendo altamente viável a sua utilização para comunidades
carentes que utilizam o fogão a lenha, podendo ser substituído de forma parcial, por
exemplo, para o preparo de alimentos e aquecimento de água (DIB, 2009).
35
Figura 11 (a) - Fogão construído Figura 11 (b) - Forno solar Sun Cook 200.
a partir de pneu.
Fonte: GOMES, (2009). PINTO; SPERB; WALTRICK, (2011).
2.5.2.2 Fogão Solar Tipo Funil
Os fogões solares tipo funil, normalmente são construídos de velcro, tipo de
material sintético coberto de pelos cerrados. Os velcros se unem de forma que o protetor
fique no formato de um funil, Figuras 12 (a) e (b). É importante sempre deixar o funil
direcionado para o Sol de forma que se aproveite ao máximo os raios solares. A
temperatura deste tipo de fogão pode chegar até 180°C (CARVALHO et al., [200-?]).
Figura 12 (a) - Fogão solar tipo funil. Figura 12 (b) - Amendoim sendo
torrado no fogão.
Fonte: GONÇALVES, (2009).
36
2.5.2.3 Fogão Solar Tipo Painel
Os fogões solares tipo painel, são normalmente formados por uma estrutura que
pode ser montada e desmontada de maneira bem prática. Sua composição geralmente é
feita de papelão revestido, materiais simples, também existindo modelos construídos e
revestido com materiais sofisticados. Qualquer que seja o modelo do fogão solar tipo
painel, usa algum material refletivo sendo desenhado de uma forma especial para que os
raios solares sejam todos concentrados para uma panela colocada no centro da mesma,
como se observa, as Figuras 13 (a) e (b) (RAMOS FILHO, 2011).
Figura 13 (a) - Fogão construído Figura 13 (b) - Fogão tipo painel Hot Pot.
em Natal/RN.
Fonte: MENDES, (2012). GOMES, (2009).
2.5.2.4 Fogão Solar Tipo Placa Plana
As cozinhas aquecidas por meio de coletores de placa plana (Figura 14) existem
com dois ou três refletores planos, podendo operar com óleo ou ar como fluido de
trabalho e ter até duas panelas em cada placa, contendo um sistema acumulador de
calor. Suas vantagens residem no fato da facilidade de uso e a possibilidade de poder
cozinhar na sombra (LION FILHO, 2007).
37
Figura 14 - Fogão solar de placa plana construído na Universidade Federal do Ceará.
Fonte: LION FILHO, (2007).
2.5.2.5 Fogão Solar a Concentração
Normalmente são instrumentos solares compostos, por um refletor, indo desde
uma composição de alumínio com alto grau de polimento, até uma superfície composta
por espelhos. Nas Figuras 15 (a) e (b), se observa esse tipo de fogão solar. Para o
cozimento é essencial que se use uma panela de fundo negro para absorver melhor a
radiação solar (MELO, 2008; RAMALHO et al., 2012).
Figura 15 (a) - Fogão solar construído Figura 15 (b) - Churrasco solar feito de
a partir de sucatas de antenas de TV. carne, frango e linguiça.
Fonte: RAMOS FILHO, (2011).
38
2.5.3 Processos de Funcionamento de um Fogão Solar a Concentração
Por o presente trabalho ter como objeto de estudo a construção e análise de um
fogão solar à concentração, será apresentado a seguir as principais características desse
tipo de fogão solar. Para que possam ter bom desempenho, este instrumento necessita de
radiação direta, céu claro e sem nebulosidades.
O fogão solar a concentração converge os raios do sol recebidos para um único
ponto, denominado de foco, que através do calor gerado, é lançado para o recipiente
onde o alimento se encontra. O mais importante, é que os raios solares sejam bem
direcionados, para aumentar a eficiência do fogão e assim desempenhar um melhor
funcionamento. A grande vantagem dos fogões solares concentradores, é a geração de
maiores potências em menores tempos de cozimento. Já a desvantagem destes
equipamentos é que eles funcionam somente com a radiação direta, devendo estar
corretamente orientados para o sol. A orientação incorreta e também a presença de
nuvens podem reduzir bastante à eficiência do fogão. No esquema da (Figura 16) se
observa como é o funcionamento de um fogão solar à concentração (UNIÃO DOS
ESCOTEIROS DO BRASIL, 2009; MOURA, 2007).
Figura 16 - Esquema de um fogão solar à concentração.
Fonte: União dos Escoteiros do Brasil, (2009).
De uma forma mais precisa a (Figura 17), ilustra o esquema dos fogões solares
concentradores. Eles utilizam basicamente um dispositivo ótico (refletor ou lente) entre
39
a fonte de radiação (Sol) e a superfície refletora. A razão entre a área de coleta e a área
do absorvedor é a chamada razão de concentração geométrica. Neste tipo de fogão
solar, é possível alcançar no foco temperaturas superiores a 400 ºC, o suficiente para
cozinhar qualquer tipo de alimento, com bastante eficiência. É de suma importância que
o absorvedor, recipiente usado no cozimento ou em outra finalidade qualquer, tenha
fundo preto ou negro para absorver melhor a radiação solar (MOURA, 2007).
Figura 17 - Esquema de como funciona um fogão solar tipo concentrador.
Fonte: Revista de Inovação e Tecnologia, (2005).
2.5.4 Vantagens da utilização dos Fogões Solares
Aproveitando a energia que vem do sol, o fogão solar transforma a radiação
solar em calor para o preparo de alimentos, reduzindo o esforço do sertanejo na busca
de lenha e, ainda, contribuindo para a preservação da natureza, diminuindo a remoção
do dióxido de carbono da atmosfera e a redução das concentrações deste gás de efeito
estufa. Para tanto, a utilização do fogão solar melhora substancialmente, a qualidade de
vida do homem do campo, no que diz respeito a sua saúde (GOMES, 2009).
O fogão solar é um dispositivo instigante, ecologicamente correto, não polui, e é
uma opção relevante para a economia do gás de cozinha, pois faz uso de uma energia
extremamente limpa, barata e abundante (CARVALHO et al., [200-?]).
40
Comunidades carentes do nordeste brasileiro, além de outras partes do Brasil e
do mundo, costumam utilizar lenha para o cozimento, provocando o desmatamento e
poluindo o interior de suas residências. Por esses motivos o fogão solar, tem sido uma
forma viável nas comunidades carentes e há países que possuem cozinhas comunitárias
construídas com fogões tipo caixa e a concentração, substituindo o método de
cozimento com lenha, e consequentemente melhorando o bem estar de quem utiliza
(DIB, 2009).
A incorporação dessa tecnologia social, fogão solar, contribui satisfatoriamente
de maneira direta, para questões fundamentais do desenvolvimento social, econômico e
sustentável, principalmente se comparado ao uso fogão à lenha, o qual é usado
notadamente pela população de maior vulnerabilidade, que vive em situação de risco e
em regiões com maior pobreza. De acordo com Araújo et al., (2008), os aspectos da
contribuição do cozimento solar no desenvolvimento social, são:
Melhoria da qualidade de vida das famílias;
Diminuição dos problemas de saúde pública;
Incremento da renda familiar;
Melhoria da gestão do trabalho familiar;
Mitigação da degradação ambiental.
A principal vantagem do uso do fogão solar é a disponibilidade de energia
gratuita e abundante, além da ausência de chamas, fumaça, perigo de explosões e
incêndios. O fogão solar não polui durante seu uso, entretanto, o método não elimina o
uso do fogão convencional, pois o fogão solar não pode ser usado em dias chuvosos ou
à noite. A maior dificuldade de implantação dos fogões solares está na modificação de
hábitos, tendo em vista que o cozimento precisa ser feito fora de casa (RAMALHO et
al., 2012).
As pessoas utilizam os fogões solares principalmente para cozinhar alimentos e
aquecimento de água para utilidades domésticas, embora outras formas de utilização
estejam sendo continuamente desenvolvidas. Vários fatores, incluindo o acesso a
materiais, disponibilidade de combustíveis tradicionais para cozinhar, clima,
preferências culinárias, fatores culturais, capacidade técnicas, afetam a aproximação das
pessoas ao cozimento solar (ÜLTANIR, 1994 apud MOURA, 2007).
41
Estudos que viabilizem o uso do fogão solar, através da otimização do seu
processo de construção e dos níveis de temperatura gerados, bem como a melhoria do
conforto de quem o utiliza, devem ter prioridade e são imprescindíveis para uma política
de combate ao desequilíbrio ecológico. A utilização deste tipo de equipamento solar
pode complementar satisfatoriamente a matriz energética brasileira e contribuir para a
fixação do homem no campo, podendo ainda lhe proporcionar uma opção de geração de
renda, através do domínio da construção, para sua futura comercialização (YAKOV,
2000 apud MELO, 2008).
42
3 MATERIAIS E METODOLOGIA DE TRABALHO
3.1 PROCESSOS UTILIZADOS PARA A CONSTRUÇÃO DO FOGÃO SOLAR
Para a construção do fogão solar, seguiu as etapas de construção da superfície
refletora e construção da estrutura de sustentação.
3.1.1 Construção da Superfície Refletora
3.1.1.1 Construção da Parábola a partir do Molde Padrão
Em Angicos não foi encontrado molde para a construção da parábola do fogão
solar, tal procedimento deu-se no LMHES da UFRN.
Nas Figuras 18 e 19, observa-se o molde padrão e o processo de construção da
parábola. Ela foi confeccionada de fibra de vidro, e uma mistura de resina juntamente
com catalisador. Primeiramente colocou-se uma camada de fibra vidro sobre o molde,
posicionando-a sobre toda a estrutura da parábola e em seguida, aplicou-se a resina por
cima.
Figura 18 - Molde padrão de concreto Figura 19 - Aplicação da resina sobre
utilizado para a construção da parábola. a fibra de vidro.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
43
Esse procedimento foi repetido, a fim de desenvolver a resistência necessária à
parábola desejada, (Figura 20). Os materiais utilizados para a execução dessa tarefa
foram: fibra de vidro, resina, catalisador, tesoura, rolinho, luva de látex, pincel e fita
adesiva. Após a secagem de dois dias sobre o sol, foi feito acabamentos nas bordas da
parábola, com uma ferramenta de corte, a fim de deixar as dimensões bem definidas.
Figura 20 - Estrutura da parábola depois de construída.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.1.1.2 Colocação e Polimento da Massa Plástica
Logo após terem sido feitos os acabamentos necessários nas bordas da parábola,
iniciou-se o procedimento de colocação e polimento da massa plástica na parábola,
como se observa nas (Figuras 21 e 22). Após a aplicação da massa plástica sobre a parte
interna da parábola, o conjunto foi submetido à secagem ao ar livre, durante um dia.
Depois de ter secado totalmente, foi dado início ao procedimento de deixar a superfície
polida, para facilitar melhor a fixação dos espelhos. Os materiais utilizados nesse
processo foram: massa plástica, catalisador; e os seguintes objetos, espátula, colher de
uso doméstico, suporte para colocar a massa, faca de mesa e uma lixa de aço.
44
Figura 21 - Processo de colocação da massa. Figura 22 - Polimento da massa plástica.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.1.1.3 Marcação do Centro e Divisão da Parábola
Antes de se iniciar os procedimentos de corte e fixação dos espelhos, foram
adotados alguns processos necessários, aplicados através do conhecimento da
matemática básica, para encontrar o centro e dividir a superfície refletora em várias
partes, como se observa nas Figuras 23 e 24.
Figura 23 - Marcação do centro. Figura 24 - Parábola com as
divisões definidas.
Fonte: Autoria própria, (2012).
45
Para a execução desses processos, foram utilizados os seguintes materiais: régua,
trena, escalímetro, compasso de madeira tamanho grande, compasso de tamanho
normal, estilete, cordas de algodão, lápis, pregadores de roupa, faca, e uma caneta. A
finalidade dessa etapa foi deixar a parábola de uma forma que a mesma estivesse com as
divisões e marcações bem definidas para facilitar a colagem dos espelhos.
3.1.1.4 Corte e Colagem dos Espelhos
Os procedimentos de corte e colagem dos espelhos foram feitos por um
profissional da área. O mesmo foi contratado para desempenhar essa etapa, em virtude
principalmente da falta de instalações que facilitassem essa etapa de construção da
superfície refletora e a falta de habilidade e manuseio dos instrumentos utilizados. Tais
fatores condicionou a contratação do profissional, além disso, o uso incorreto dos
instrumentos e espelhos poderiam ocasionar alguns acidentes. Nas (Figuras 25 e 26), se
observa os fragmentos de espelhos reciclados e o profissional executando as tarefas
descritas.
Figura 25 - Fragmentos de espelhos Figura 26 - Processo de corte e
utilizados de forma reciclável. colagem dos espelhos.
Fonte: Autoria própria, (2012).
A ferramenta utilizada para o corte e o material necessário para a colagem dos
espelhos na parábola, foram: o lápis de diamante e silicone. Vale ressaltar que os
espelhos usados nesse processo, foram aproveitados do descarte de uma vidraçaria da
46
Cidade de Angicos, ou seja, de maneira reciclável foram reutilizados os fragmentos de
espelhos, que seriam jogados no lixo ou dificilmente reciclados. Logo a utilização dos
mesmos reafirma a proposta do presente trabalho, a do uso de materiais recicláveis.
3.1.1.5 Parte Final da Superfície Refletora
O processo de desenvolvimento e construção da superfície refletora foi um
processo que se exigiu conhecimentos multidisciplinares. Além dos conhecimentos
teóricos, o processo prático dessa parte do fogão solar se tornou mais complexo devido
à falta de instalações e materiais necessários para a construção da mesma. Na (Figura
27), observa-se a superfície refletora completamente confeccionada. Na junção dos
fragmentos de espelhos foi utilizado silicone; a parte externa e as bordas laterais
receberam pintura de cor preta a fim de proporcionar maior absorção de calor.
Figura 27- Superfície refletora confeccionada (Parábola com espelhos).
Fonte: Autoria Própria, (2012).
As dimensões da superfície refletora ficaram com as seguintes medidas:
diâmetro de 105 cm, área total da superfície de captação dos raios solares com 0,87 m2 e
a profundidade de 12 cm. Os segmentos de espelhos que foram colados na parábola
ficaram definidos pelos os seguintes tamanhos: 5 cm, 7 cm e 10 cm.
47
3.1.2 Construção da Estrutura de Sustentação
3.1.2.1 Construção da Estrutura de Sustentação a partir de duas Cadeiras
A estrutura de sustentação foi construída usando duas cadeiras de ferro, as quais
não tinham mais nenhuma utilidade doméstica. Como na construção da superfície
refletora que se utilizou os fragmentos de espelhos de forma reciclável, para a estrutura
de sustentação, também, utilizou-se de maneira reciclável duas cadeiras para a
construção, como se observa a Figura 28.
Figura 28 - Cadeiras usadas de forma reciclável na construção estrutura de sustentação.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.1.2.2 Processos de Soldagem da Estrutura de Sustentação
Depois de ter idealizado a estrutura de sustentação a partir das duas cadeiras,
segui-se para a próxima etapa, os processos de soldagem, (Figuras 29 e 30). Assim
também como o corte e colagem dos espelhos na parábola, contratou-se um profissional
para executar essa tarefa, em virtude da falta de equipamentos e estrutura necessária. A
estrutura de sustentação foi construída em uma oficina, na Cidade Angicos/RN.
48
Figura 29 - Procedimento de soldagem. Figura 30 - Cadeiras depois da solda.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
Os tipos de solda utilizada foram à solda elétrica e a solda com oxigênio. Os
materiais usados foram pequenas barras de chapa de aço e pequenos canos de ferro,
utilizados também de forma reciclável.
3.1.2.3 Colagem do Parafuso da Estrutura de Rotação
O objetivo deste processo foi criar uma forma eficiente para o encaixe da
estrutura de rotação e facilitar a montagem e desmontagem da superfície refletora
quando necessário. Nas Figuras 31 e 32, observa o processo de colagem do parafuso.
Figura 31 - Parafuso sendo colado. Figura 32- Etapa final desse processo.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
49
3.1.2.4 Retirada da Tinta e Pintura das Partes da Estrutura de Sustentação
Após a retirada da tinta, as partes da estrutura de sustentação foram pintadas
com a cor preto fosco. A escolha dessa cor se deu pelo entendimento de que a
utilização dela é possível ter uma maior absorção dos raios solar e assim gerar mais
calor.
As partes que receberam a pintura foram à parte inferior da estrutura de
sustentação, a estrutura de rotação, as travas laterais da estrutura, o suporte da panela, a
parte externa da superfície refletora e a panela utilizada nos ensaios. Os materiais
utilizados nesses processos foram o removedor de tintas e tinta preto fosco. Nas Figuras
33 e 34, se observa uma das partes da estrutura de sustentação após a retirada da tinta e
uma das peças da estrutura de sustentação depois de ter recebida a pintura necessária.
Figura 33 - Parte após retirada da tinta. Figura 34 - Parte da estrutura
depois da pintura.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.1.2.5 Parte Final da Estrutura de Sustentação
O processo de desenvolvimento e construção da estrutura de sustentação da
superfície refletora, de uma forma em geral foi um processo simples, visto que se exigiu
poucos conhecimentos teóricos, pois ocorreu mais na prática. Dos materiais que foram
usados na construção da estrutura de sustentação, todos foram utilizados de forma
reciclável. Na (Figura 35), observa-se a parte final da estrutura de sustentação.
50
Figura 35 - Parte final da estrutura de sustentação.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
As dimensões da estrutura de sustentação contêm as seguintes medidas:
comprimento de 93 cm, altura total com as travas 91 cm, e a altura sem as travas 45 cm.
3.2 PROCESSOS DE MONTAGEM/DESMONTAGEM E PARTE FINAL DO
FOGÃO SOLAR PROPOSTO
Uma grande vantagem do fogão solar do presente trabalho é a sua facilidade de
montagem e desmontagem, que facilita o transporte para qualquer local, podendo ser
transportado com fácil mobilidade para locais onde o acesso ao fogão a gás é difícil.
Assim sendo, o fogão solar se diferencia dos demais por apresentar esta ótima
funcionalidade.
O fogão solar é dividido em seis partes diferentes: estrutura base (parte inferior),
estrutura de rotação da parábola (parte intermediária), superfície refletora (parábola com
espelhos), travas laterais, estrutura de suporte da panela, e o objeto absorvedor (panela).
Nas Figuras 36, 37, (a), (b), (c), (d), (e) e (f), observam-se os processos de montagem e
desmontagem e nas Figuras 38 (a), (b), (c) e (d) a parte final do fogão solar, visto de
posições diferentes.
51
3.2.1 Processos de Montagem do Fogão Solar
Figura 36 (a) - Estrutura base. Figura 36 (b) - Estrutura de rotação.
Figura 36 (c) - Superfície refletora. Figura 36 (d) - Travas laterais.
Figura 36 (e) - Suporte da panela. Figura 36 (f) - Panela.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
52
3.2.2 Processos de Desmontagem do Fogão Solar
Figura 37 (a) - Panela. Figura 37 (b) - Suporte da panela.
Figura 37 (c) - Travas laterais. Figura 37 (d) - Superfície refletora.
Figura 37 (e) - Estrutura de rotação. Figura 37 (f) - Estrutura base.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
53
3.2.3 Parte Final do Fogão Solar
Figura 38 (a) - Vista de frente do fogão solar. Figura 38 (b) - Vista de topo.
Figura 38 (c) - Vista lateral do fogão solar. Figura 38 (d) - Instrumento
solar sustentável.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.3 DIAGNÓSTICO DA INTENSIDADE DE CALOR NO FOCO DO FOGÃO
SOLAR
Antes de iniciar os ensaios foram feitas algumas análises para comprovar a
intensidade da radiação solar no foco do fogão solar proposto, conforme pode ser visto
nas Figuras 39 (a), (b), (c) e (d). Para isso foram utilizadas algumas panelas, sempre de
cor preta, para absorver mais calor, as quais também foram usadas nos ensaios.
54
Figura 39 (a) - Intensidade no foco. Figura 39 (b) - Absorção intensa do sol.
Figura 39 (c) - Intensidade vista lateral. Figura 39 (d) - Intensidade vista de baixo.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
3.4 CÁLCULO DO FOCO DA SUPERFÍCIE REFLETORA
Um dos processos mais importante para que o fogão solar proposto tivesse o
funcionamento correto durante a realização dos ensaios, foi o cálculo do foco da
superfície refletora. Para isso foram realizados cálculos, dos quais determinaram a
distância exata, entre a superfície refletora e o foco. Além da parte teórica, foi também
necessário durante os ensaios a observação a “olho nu” da posição do objeto receptor de
calor, panela, em relação ao foco.
A fórmula para calcular o foco f (0; p/2) de uma parábola que tem sua abertura
para cima e seu vértice localizado na origem (0;0), como se observa na (Figura 40), é
dada pela Equação 1:
55
(1)
Sendo que, para uma parábola com vértice na origem e foco no eixo das
ordenadas:
x= abscissa de ponto qualquer pertencente à parábola sem ser o vértice;
y= ordenada deste mesmo ponto (sem ser o vértice);
p= distância do vértice a reta diretriz (d) da parábola.
Figura 40 - Parábola com vértice na origem e foco no eixo das ordenadas.
Fonte: IEZZI, (1983).
Portanto, se considerar (h) como altura do foco em relação ao vértice, logo se
tem a seguinte relação, , simplificando:
(2)
Substituindo a Equação (2) na Equação (1), Tem-se que:
(3)
Assim pode-se utilizar a (Equação 4) para encontrar a altura (h) do foco em
relação ao vértice, ou seja, encontrar o foco da superfície refletora do fogão solar
proposto:
(4)
ypx .2²
2
ph
hyyhx 4).2.(2²
yhx .4²
hp 2
56
Isolando h, que é a distância que se deseja encontrar:
(5)
E substituindo os valores das dimensões do fogão solar, como se ilustra a
(Figura 41):
Diâmetro da superfície refletora 1,05 cm, logo x= 52,5 cm ;
Profundidade 12 cm, logo y=12 cm.
Calculando o foco da superfície refletora em relação à origem:
Logo a distância encontrada da superfície refletora em relação ao foco, através
da realização dos cálculos, foi de 57,5 cm.
Figura 41 - Ilustração da distância do vértice da parábola em relação ao foco.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
y
xh
4
²
]5,57[
124
5,522
cmx
h
57
3.5 METODOLOGIA APLICADA NOS ENSAIOS
Os ensaios com o fogão solar proposto foram realizados, próximo à estação
meteorológica da UFERSA Campus Angicos, estação em parceria com o INPE, da qual
foi obtida, dados da radiação solar direta e da temperatura ambiente. Na (Figura 42) se
observa a estação meteorológica, que serviu de base para a coleta de dados
complementares para os resultados dos testes realizados. Os ensaios aconteceram
durante três dias, entre os horários de 8h e 15h (hora solar).
Figura 42- Estação metrológica da UFERSA Angicos
Fonte: Autoria Própria, (2012).
Durante o período de ensaios era sempre necessário orientar a superfície
refletora com relação ao movimento aparente do sol para alcançar a temperatura
máxima no foco.
Para o ensaio de ebulição de água, cozimento e fritura de alimentos, os dados
obtidos foram medidos através do uso de um termômetro digital com infravermelho,
(Figura 43); Já no ensaio de evolução da temperatura no foco, os dados obtidos foram
medidos por intermédio de um multímetro multifuncional, (Figura 44).
58
Figura 43 - Termômetro digital. Figura 44 - Multímetro multifuncional.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
O primeiro dia de ensaio realizado foi o de ebulição de água, o qual teve por
finalidade diagnosticar a capacidade do fogão solar em relação ao tempo necessário para
a ebulição de 0,5 litros de água. Mediu-se a evolução de temperatura da água a cada
cinco minutos, a fim de se constatar o ponto em que a mesma atingiu a ebulição.
O segundo dia de ensaio, foi realizado com alimentos, os quais foram cozidos e
fritados. Os alimentos utilizados nesse ensaio foram: arroz, macarrão instantâneo, ovo,
peixe e frango. O arroz, macarrão e o frango se submeteram ao ensaio de cozimento; já
o ovo e o peixe foram usados no ensaio de fritura. Como o desempenho do fogão solar é
consequência da incidência dos raios solares, posição do sol, a cada momento tinha-se
que ajustar o posicionamento correto do foco. Os fatores que atrapalharam o
desempenho do fogão solar durante esses ensaios, foram à presença constante de ventos,
e o repetitivo movimento da estrutura de rotação, os quais possibilitaram perda da
viabilidade por parte do tal instrumento.
O terceiro dia de ensaio foi realizado com a panela “vazia”. A finalidade desse
ensaio foi diagnosticar a evolução da temperatura no foco em diferentes horários.
Também como nos ensaios de alimentos, fatores como: ajustes do foco, ventos e
presença de nuvens neste dia, atrapalharam de certa forma o desempenho do fogão. O
teste foi realizado no período de 8h às 15h, período com sol abundante.
59
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 ANÁLISES E RESULTADOS DO ENSAIO DE EBULIÇÃO DE ÁGUA
O início do ensaio foi a partir de 11:00h, sendo anotado a temperatura em um
intervalo de 5 em 5 minutos até que a água entrasse em ebulição. Depois do tempo de
25 minutos, a mesma entrou em ebulição a uma temperatura de 102 ºC, com radiação
solar direta neste dia de 994 W/m2. Nas (Figuras 45 e 46), observa-se a quantidade de
água usada e o processo de ebulição.
Figura 45 - Água utilizada no ensaio. Figura 46 - Processo de ebulição.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
Além de marcar o tempo de ebulição da água, foram também obtidos dados
referentes à temperatura da panela no foco, temperatura da água dentro da panela e os
dados da radiação solar direta, conforme observados na (Tabela 1).
Tabela 1 - Resultados do ensaio de ebulição de água.
___________________________________________________________ Tempo Temperatura Temperatura Radiação Solar Direta
(Horas) da panela (ºC) da água (ºC) em (W/m2)
__________________________________________________________________
0 min 132 ºC 57º C 984 W/m2
5 min 175 ºC 70 ºC 984 W/m2
10 min 179 ºC 75 ºC 992 W/m2
15 min 201 ºC 77 ºC 992 W/m2
20 min 207 ºC 83 ºC 994 W/m2
25 min 215 ºC 102 ºC 994 W/m2
___________________________________________________________
Fonte: Autoria Própria, (2012)
60
4.2 ANÁLISES E RESULTADOS DOS ENSAIOS COM ALIMENTOS
Estes ensaios tiveram por finalidade avaliar e diagnosticar a capacidade do fogão
solar de cozinhar e fritar alimentos. Para isso foram escolhidos alimentos de uso básico
em meios domésticos e que fazem parte da cultura da nossa região. A seguir são
apresentados os resultados dos testes de cozimento e fritura de alimentos. A radiação
solar média no dia desse ensaio foi de 841,2 W/m2
e a temperatura ambiente média de
34,05 ºC.
O arroz foi o primeiro alimento utilizado neste ensaio, para isso ferveu-se água
por 30 minutos, período em que a mesma entrou em ebulição; essa água foi colocada
sobre o arroz para início ao procedimento de cozimento. Nas Figuras 47 (a), (b), (c) e
(d), se observa as etapas do cozimento de arroz.
Figura 47 (a) - Arroz antes de ser cozido. Figura 47 (b) - Panela usada
para o cozimento.
Figura 47 (c) - Arroz em processo Figura 47 (d) - Arroz cozido.
de cozimento.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
61
O segundo ensaio de cozimento de alimentos, foi realizado com macarrão
instantâneo. Nas Figuras 48 (a), (b), (c) e (d), são observadas as etapas as quais tiveram
por finalidade o cozimento do macarrão.
Figura 48 (a) - Macarrão utilizado no ensaio. Figura 48 (b) - Início do cozimento.
Figura 48 (c) - Macarrão em processo Figura 48 (d) - Macarrão cozido.
de cozimento.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
O terceiro ensaio de cozimento de alimentos foi realizado com frango. Nas
Figuras 49 (a) e (b) podem-se observar as etapas deste procedimento, que tive por
finalidade o frango cozido.
62
Figura 49 (a) - Início do cozimento do frango. Figura 49 (b) - Frango cozido.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
O quarto ensaio realizado foi a fritura de um ovo, alimento que está bem
presente na mesa das famílias do semi-árido. Nas Figuras 50 (a) e (b), se observa as
etapas, das quais teve por finalidade o ovo frito.
Figura 50 (a) - Momento da fritura do ovo. Figura 50 (b) - Ovo frito.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
O quinto e último ensaio realizado se deu pela fritura de um peixe, alimento
também muito frequente nas mesas e que tem um consumo bem elevado entre as
famílias no semi-árido. Tomando como base o alimento descrito, o fogão solar se torna
uma opção bastante útil para ser usado em eventos, como pescarias, onde o uso do
fogão a gás e até mesmo em certas ocasiões o acesso à lenha é dificultoso.
63
Nas Figuras 51 (a) e (b), observam-se as etapas que tiveram por finalidade a
fritura do peixe.
Figura 51 (a) - Inicio da fritura do peixe. Figura 51 (b) - Peixe frito.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
De forma mais sucinta a (Tabela 2), apresenta os parâmetros utilizados e seus
respectivos valores encontrados e obtidos nos processos de cozimento e fritura dos
alimentos.
Tabela 2 - Parâmetros e resultados do ensaio de cozimento e fritura dos alimentos.
_____________________________________________________________________ Alimentos Quantidade Volume água Temp. interna Temp. externa Tempo de cozimento
(Gramas) (Litro) da panela (ºC) da panela (ºC) da panela (ºC) ou fritura (min)
___________________________________________________________________________________
Arroz 300 g 1 litro 100 ºC 170 ºC 30 minutos
Macarrão 80 g 0,5 litro 91 ºC 164 ºC 7 minutos
Frango 300 g 250 ml 131 ºC 155 ºC 1 hora
Ovo 60 g -------- 75 ºC 200 ºC 3 minutos
Peixe 300 g -------- 71 ºC 127 ºC 20 minutos
Fonte: Autoria Própria, (2012).
64
Na Figura 52, observa-se a refeição completa feita no fogão solar, o que afere a
eficiência desse equipamento.
Figura 52 (b) - Refeição feita no fogão solar.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
4.3 ANÁLISES E RESULTADOS DO ENSAIO DA TEMPERATURA NO FOCO
Neste ensaio, o objetivo foi diagnosticar a evolução da temperatura no foco com
a panela vazia, entre os horários de 8h e 15h. Nas (Figuras 53 e 54) observa-se os
procedimentos adotados para a marcação das temperaturas e o registro da temperatura
de 340 ºC, uma das maiores detectadas.
Figura 53 - Procedimento de marcação. Figura 54 - Marcação da temperatura.
Fonte: Autoria Própria, (2012).
65
De forma mais detalhada, na (Tabela 3), pode-se observar a evolução da
temperatura alcançada no foco com a panela vazia. Neste ensaio sempre se anotava
várias temperaturas, porém, considerava as maiores alcançadas entre os horários
descritos. A maior temperatura alcançada neste ensaio foi 350 ºC, entre 11h e 12h e a
média de todas as temperaturas no foco foi 216,5 ºC. A maior temperatura ambiente
registrada, neste dia, foi 35,25 ºC, e o total de radiação solar emitida entre os horários
(8h e 15h) foi de 5,737 W/m2, representando uma média de 819,5 W/m
2.
Tabela 3 - Resultados do ensaio de evolução da temperatura no foco.
_______________________________________________________ Tempo Temperaturas Radiação Solar Direta
(Horas) no Foco (ºC) em (W/m2)
____________________________________________________________
08:00 - 09:00 122 ºC 675W/m2
09:00 - 10:00 165 ºC 842 W/m2
10:00 - 11:00 304 ºC 942 W/m2
11:00 - 12:00 350 ºC 966,5 W/m2
12:00 - 13:00 294 ºC 915,5 W/m2
13:00 - 14:00 187 ºC 791 W/m2
14:00 - 15:00 93 ºC 604,5 W/m2
__________________________________________________________
Média 216, 5 ºC 819,5 W/m2
__________________________________________________________
Fonte: Autoria Própria, (2012).
Como se observa na (Tabela 3), as temperaturas no foco com a panela vazia
foram crescendo desde o início do ensaio, ou seja, de 8h ao 12h; depois das 12h a
temperatura diminui, compreendendo assim que as maiores temperaturas podem ser
alcançadas entre os horários de 10h ao 12h.
4.4 ANÁLISES DO CUSTO DE FABRICAÇÃO DO FOGÃO SOLAR
Para a construção do fogão solar foi utilizada uma série de materiais, indo desde
os recicláveis, os de valor bem simbólico, até os materiais de custo mais elevado.
Alguns dos materiais utilizados não foram necessários à aquisição, diminuindo as
despesas com a construção do mesmo. A seguir na (Tabela 4), está apresentada uma
66
planilha com todos os materiais utilizados e o custo de fabricação total do fogão solar
proposto.
Tabela 4 - Planilha do custo de fabricação do fogão solar proposto.
______________________________________________________________________ Item Quantidade Descrição do Material Utilizado Valor (R$)
__________________________________________________________________________
Saco 3 (500g) Fibra de vidro 45,00
__________________________________________________________________________
Lata 3 (900 ml) Resina 45,00
__________________________________________________________________________
Lata 1 (litro) Tinta preto fosco 00,00
__________________________________________________________________________
Lata 5 (1 kg) Massa plástica 60,00
__________________________________________________________________________
Lixa 3 Lixas de aço 7,50
__________________________________________________________________________
Tubo 1 Silicone 10,00
__________________________________________________________________________
Lata 1 (900 ml) Removedor de tintas 18,00
__________________________________________________________________________
Lata 1 (900 ml) Zarcão 13,00
__________________________________________________________________________
------ ------ Cadeiras usadas na estrutura (recicladas) 00,00
__________________________________________________________________________
------ ------ Fragmentos de espelhos (reciclados) 00,00
__________________________________________________________________________
------ ------ Construção parábola a partir do molde 00,00
__________________________________________________________________________
------ ------ Serviço de corte e colagem dos espelhos 80,00
__________________________________________________________________________
------ ------ Serviço construção da estrutura de sustentação 00,00
__________________________________________________________________________
------ ------ TOTAL 278,50
__________________________________________________________________________
Fonte: Autoria Própria, (2012).
67
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O fogão solar proposto mostrou-se ser uma opção viável, podendo ser utilizado
com eficiência nos processos de cozimento e fritura de alimentos, além também de ser
útil no aquecimento de água, sendo este um forte contribuinte para a preservação do
meio ambiente, principalmente no que diz respeito ao desmatamento por uso de lenha.
Além disso, pode substituir de forma parcial o fogão à lenha e o próprio fogão a gás,
proporcionando uma opção mais econômica para as famílias, especialmente as de baixa
renda.
Pode-se afirmar que o equipamento apresentou desempenho satisfatório com
base nos ensaios realizados, e pode-se considerar ainda que:
O fogão solar desenvolvido foi consideravelmente de difícil construção, pelo
fato de que se exigiu alguns conhecimentos teóricos e principalmente a
dificuldade de instalações para a execução da tal tarefa;
A fabricação deu-se mais na prática, utilizando principalmente de materiais
recicláveis, tornando-o, assim um diferencial em relação aos demais já
construídos;
Mostrou ter uma ótima operacionalidade, ou seja, a facilidade para ser
transportado para qualquer local de forma hábil, visto que foi construído de
maneira simples, podendo ser dividido em seis partes diferentes, facilitando o
seu manuseio e os processos de montagem e desmontagem;
Em função do manuseio de seu mecanismo para o acompanhamento do
movimento do sol, ele também mostrou ter uma boa funcionalidade, sendo de
fácil manejo a estrutura de rotação;
Tem capacidade de cozimento e outras finalidades no período de 8h ás 15h
horas, sendo que para desempenhar suas funções com exatidão, as condições
solar presente tem que estar em bom estado;
Os tempos dos ensaios de ebulição de água e cozimento de alimentos foram
aceitáveis, porém um pouco abaixo dos fogões solares descritos na literatura;
68
Mostrou-se viável para cozinhar arroz, macarrão, frango e fritura de ovo e peixe.
No ensaio foram utilizados apenas os processos de cozimento e fritura, porém os
alimentos também podem ser assados, o que torna uma forma até mais saudável
de consumo;
Os níveis de radiação solar presentes nos dias de ensaio se mostraram bastante
aceitáveis, demonstrando assim, o imenso potencial de energia solar e que deve
ser explorada de maneira inteligente em nossa região. O maior valor de radiação
solar obtida através da estação meteorológica foi de 994 W/m2;
O maior valor do ensaio de evolução da temperatura no foco foi de 350 ºC.
Sendo este um valor bastante aceitável, se comparado com um fogão a gás
simples, que gera uma máxima temperatura em torno de 180 ºC.
Teve o custo beneficio de R$ 278,50, apresentando um valor bem acessível se
comparado com a aquisição de um fogão a gás convencional; também apresenta
custo benefício em relação com o fogão à lenha, que apesar de ter um valor
baixo para sua construção, é uma forma de energia que emite gases poluentes. O
fogão solar é uma forma limpa de utilização, que usa um combustível
praticamente inesgotável e abundante em nossa região.
69
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Por não ter alcançado alguns objetivos esperados na construção e análise do
fogão solar proposto, mostram-se opções para melhoria do mesmo, além de orientações
em relação ao seu uso. A seguir estão descritas as sugestões para construções futuras de
fogões solares.
A estrutura de sustentação do fogão solar precisa ser aprimorada e aperfeiçoada,
para facilitar de forma mais precisa o movimento aparente do sol, além de usar
materiais mais leves e resistentes para permitir uma maior estabilidade na
operação e um maior tempo de uso;
Utilizar materiais com valor mais acessível para a construção da parábola, os
quais sejam materiais que possam construir uma parábola leve, porém resistente
ao tempo e ao uso diário. Indica-se utilizar também antenas parabólicas que não
tenham mais nenhuma utilidade doméstica, podendo ser usada de forma
reciclável, como base da superfície refletora;
Diminuir o tamanho dos segmentos dos espelhos que são colados na parábola,
pois dessa forma o foco não fica muito disperso e pode aumentar a temperatura
para cozinhar, fritar e assar alimentos, além de aquecer água com um tempo
mais rápido e preciso;
Utilizar panelas com revestimentos de materiais compósitos, dos quais
possibilitem uma maior absorção dos raios solares e consequentemente uma
maior geração de calor para facilitar o uso eficiente do fogão solar;
Aumentar o número de superfícies refletoras para que dessa forma, possa gerar
uma temperatura maior num mesmo foco ou distribuir o foco, permitindo o uso
do fogão solar mais uniforme. Além disso, se alguma superfície refletora estiver
com problemas, às outras podem substituir de forma consistente;
Elaborar cartilha de orientação para uso do fogão solar, advertindo aos usuários
os riscos do uso do fogão para os olhos e para a pele em relação à radiação solar
incidente, demonstrando de forma correta como utilizar o fogão e movimentá-lo.
70
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