CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR por EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO e VALDEMIR CONCEIÇÃO DA SILVA

CONSTRUÇÃO E TESTE DE FORNO SOLAR por EDÉSIO ANUNCIAÇÃO SANTOS FILHO e VALDEMIR...

(Parte 1 de 3)

Orientador: Profº. M.Sc Johnson Pontes de Moura

Aracruz-ES Novembro de 2008

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Orientador: Professor M.Sc Johnson Pontes de Moura

Aracruz-ES Novembro de 2008

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ, como requisito parcial para a obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Mecânica.

Aprovado emde_______

Comissão examinadora

_ Examinador: Profº Dr. Rodolfo Jesús R. Silvério

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação; DA SILVA, Valdemir Conceição. – Construção e Teste de Forno Solar. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Aracruz – FAACZ. Orientador: Profº. MSc Johnson Pontes de Moura

O Sol é fonte gratuita e limpa de energia e ainda apenas na metade de sua existência que se cogita seja no total cerca de onze bilhões de anos. Sua energia banha o planeta Terra com força energética equivalente a quase 4.0 vezes toda a energia que se consome de outras origens. Diante dessa realidade e da gama de conhecimentos desenvolvidos pela ciência e criatividade humanas, propostas alternativas vêm surgindo para o melhor aproveitamento da energia solar disponível. Apresenta-se a seguir um quadro potencial de aplicação da energia solar no Brasil e a utilização de um forno solar de baixo custo para aplicações domésticas, com o intuito de conscientização da viabilidade do uso da energia solar.

Palavras-chaves: Abastecimento Energético;Energia limpa;Forno Solar

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação; DA CONCEIÇÃO, Valdemir – Construction e tests de of solar oven.

The sun energy cover the Earth with an energetic power equivalent to almost four thousand times all the energy consumed from another sources. Before this reality and the quantity of knowledge developed by all the science and human creativity, some alternative proposals have been developed to get a better use of the solar energy available. Show below a place potential of solar energy application in Brazil and the utilization of solar oven household applications, with the objective to sensetize of the local community of the viability of the use of solar energy.

Keywords: Energetic Supplying;Clean Energy;Solar Oven

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Á Deus, por sua graça sempre presente em nossas vidas; Aos pais, esposas e familiares de ambos;

Aos amigos e companheiros de classe da Engenharia Mecânica;

Á minha mãe, D. Carlota Pereira de Souza, te amo!

Á minha querida namorada Josiane e sua filha Emily, super companheiras em todos os momentos. Amo vocês!

Edésio Anunciação Santos Filho

Á meus pais, Valdeir e Irene, e irmãos!

Á minha esposa e filhos, Cláudia, Guilherme e Vinícius pela compreensão e apoio. Amo vocês!

Valdemir Conceição da Silva

In memorian: Alex Devens da Silva; Isaac Vivaldi dos Santos.

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Ao professor MSc Johnson Pontes de Moura por sua orientação;

Ao professor Dr. Rodolfo Jesús R. Silvério pelo compromisso e colaboração;

A Coordenação do Departamento de Pesquisas e Pós-Graduação na pessoa do Professor Dr. Marcos Roberto T. Halasz;

À Coordenação do Departamento de Engenharia Mecânica na pessoa do Professor Dr. Wisley Falco Sales;

A todos os companheiros de sala de aula do Departamento de Engenharia Mecânica da FAACZ;

A Coordenação do Departamento de Engenharia Química na pessoa da Professora Dra. Flávia Pereira Puget;

Aos todos os funcionários da FAACZ, em especial aos que nos acompanharam e nos deram suporte para a realização desse projeto.

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

ÍNDICE SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

RESUMO I ABSTRACT I DEDICATÓRIA I AGRADECIMENTOS IV LISTA DE FIGURASVII LISTA DE TABELASVIII Capítulo 1 – Introdução01 1.1.Contextualização 02 1.2.Justificativa 03 1.3.Objetivos 03 Capítulo 2 – Fundamentação Teórica04 2.1. A Energia Solar05 2.2. Aplicações da Energia Solar 06 2.2.1. Energia Solar Fototérmica06 2.2.2. Energia Fotovoltaica07 2.2.3. Energia Bioclimática07 2.3. Viabilidade do Uso de Energia Solar no Brasil07 2.3.1. Disponibilidade Solar no Estado do Espírito Santo09

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1. Radiação solar global diária- média anual típica (MJ/m2. Dia). 08

SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Capítulo 3 – Estado da Arte10 3.1. Os Fornos Solares11 3.1.1. Forno Solar Tipo Caixa11 3.1.2. Forno Solar Tipo Olla12 3.1.3. Forno Solar Tipo Painel12 3.1.4. Forno Solar Tipo Parabólico13 3.2. Princípio de Funcionamento14 3.2.1. Ganho de Calor14 3.3. Materiais Construtivos 18 3.4. Mecanismos de Transferência de Calor19 3.5. Viabilidade de Uso do Forno Solar Proposto26 Capítulo 4 – Materiais e Métodos28 4.1. Materiais29 4.2. Aplicação dos Conceitos Teóricos32 4.3. Métodos e testes34 Capítulo 5 – Análise dos Resultados39 5.1. Análise dos Resultados Experimentais40 5.2. Análise da Eficiência do Forno Solar Proposto45 Capítulo 6 – Conclusão50 Apêndices 52 REFERÊNCIAS 56

(TIBA, 2000). Figura 2.2. Insolação média anual diária (h) no território brasileiro (TIBA,2000).09

Figura 3.1. Forno solar com e sem refletor.

Fonte: http://www.energyquest.ca.gov/projects/index.html#solar 1

Figura 3.2. A radiação sobre diferentes superfícies.

Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm) 1

Figura 3.3. Forno Tipo Olla.

Fonte: (http://solarcooking.org/solar-l.htm) 12

Figura 3.4. Fornos Tipo Painéis Solares.

Fonte: http://solarcooking.org/solar-l.htm 12

Figura 3.5. Cozinha solar comunitária Scheffler, a primeira desse tipo no México. Fonte:http://w.sunoven.de/Scheffler-Jiutepec.html 13

Figura 3.6. Fogões parabólicos e semi-parabólicos.

Fonte: http://solarcooking.org/images/scr/nov04/photou.jpg 13

Figura 3.7. Estrutura básica de um forno solar tipo caixa

Fonte: Pedro Horta (Guia da Energia Solar, 2004) 14

Figura 3.8. Influencia da geometria da área coletora na captação da energia solar. Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm 15

Figura 3.9. Refletores laterais.

Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm 15

Figura 3.10(a). Incidência típica no verão

Figura 3.10(b). Espelho auxiliar para o inverno 16

Figura 3.1. Espelhos refletores com ângulo de 90º na vertical.16

Figura 3.12. Espelhos refletores aplicados á caixa inclinada.

Figura 3.13. Arranjo utilizando dois espelhos refletores.17

Figura 3.14. Materiais construtivos.

Fonte: http://solarcooking.org/portugues/sbcdes-pt.htm 18

Fig. 3.15. Tipos de ondas eletromagnéticas utilizadas no cotidiano.

Figura 3.16. A curva de radiação para diferentes temperaturas.23 Figura 3.17. Efeito da convecção entre o ar uma parede plana.25

Figura 4.1. Materiais coletados para construção do forno solar. Fonte própria.29 SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Figura 4.2. Ferramentas utilizadas na montagem. Fonte própria.29 Figura 4.3. Protótipo forno proposto. Fonte própria.30 Figura 4.4. Forno posicionado de acordo com a trajetória do Sol.31 Figura 4.5. Elaboração e aplicação do compósito isolante. Fonte própria.32 Figura 4.6. Fixação dos espelhos refletores. Fonte própria.3 Figura 4.7. Superfície coletora. Área total 0,2016 m2.3 Figura 4.8. Forno Solar proposto. Fonte própria.34 Figura 5.1. Banana assada no forno Proposto. Fonte própria.41 Figura 5.2. Torradas preparadas no forno solar proposto. Fonte própria.42 Figura 5.3. Assando biscoitinhos no forno solar proposto. Fonte própria.43

Figura 5.4. Assando bolo de massa pronta, no forno solar proposto.

Fonte própria. 4

Figura 5.5. Temperturas iniciais e finais da água em teste.47

Figura 5.5. Gráfico da radiação solar média no período de 10 a 12 de Dezembro de 2008.48

Tabela 4.1. Dimensões do forno solar proposto.31 Tabela 5.1. Tempo x Temperatura (Experimento do dia 15/1/2008).41 Tabela 5.2. Tempo x Temperatura Experimento do dia 16/1/2008)42 Tabela 5.3. Tempo x temperatura (Experimento do dia 17/1/2008).43 Tabela 5.4. Tempo x temperatura (Experimento do dia 13/12/2008).4 Tabela 5.5. Radiação média horária dos dias 10 á 12 de Dezembro de 200846 Tabela 5.6. Temperaturas médias horária dos dias 10 á de Dezembro de 2008.46 Tabela 5.7. Eficiência média do forno proposto.47 Tabela I.1. Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008).52 Tabela I.1 – Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008).53 Tabela I.1 – Aquecimento de água. (Experimento do dia 10/12/2008).54

Capítulo 1 SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

Introdução SANTOS FILHO, Edésio Anunciação;DA SILVA, Valdemir Conceição – Novembro/2008

1. Introdução 1.1. Contextualização

A utilização da energia solar vem de longa data sendo mencionado em trabalhos científicos; registros históricos mencionam o uso de espelhos solares utilizados como armamento bélico já na época do império Romano, isso, a pelo menos dois séculos antes de Cristo. Segundo a ABRAVA (Associação Brasileira de Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento), desde 1960 a tecnologia do aquecedor solar já vem sendo utilizada em nosso país, foi quando surgiram as primeiras pesquisas no Brasil e que a partir de 1973 já era empregada de forma comercial. Atualmente estimam-se acima de 600.0 coletores solares instalados no Brasil distribuídos em residências, hotéis, motéis, hospitais, restaurantes industriais, aquecimento de piscinas e outros (ABRAVA 2001).

Experimentos com fogões solares segundo Beyer et al. (2004) remontam a mais de 230 anos atrás, quando Horace de Saussure utilizou os conhecimentos da Física em sua época (por volta de 1776) para a construção de uma caixa preta retangular com a parte superior composta de um tampo de vidro, com três lâminas afastadas umas das outras e uma tampa refletora como concentrador de radiação solar no interior dessa caixa, batizada de “caixa quente”. Tal equipamento obteve temperaturas em torno de 118 ºC.

Outro experimento clássico que foi realizado pelo astrônomo inglês John Herschel (1837) também consistia de uma caixa de interior enegrecido, inserida na areia como isolante térmico e seu tampo possuía camada dupla de vidro. O conceito comum nesses casos é a absorção da radiação solar para o interior do dispositivo.

No Brasil e demais países do continente americano há um potencial invejável de irradiância solar. Seu uso proporciona conforto térmico com economia de energia elétrica, diminui a retirada de madeira para cocção de alimentos e constitui fonte de renda com a secagem e comercialização de alimentos.

1.2. Justificativa

Este trabalho busca avaliar o uso da Energia Solar como fonte alternativa e auxiliadora ao gás de cozinha (GLP - Gás Liquefeito de Petróleo) e á eletricidade (Forno de micro-ondas, fornos elétricos, etc) no preparo de alimentação doméstica.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo Geral

Construir um forno solar utilizando materiais de baixo custo que possa ser utilizado na cozinha doméstica, auxiliando outros métodos de cocção de alimentos.

1.3.2. Objetivos Específicos

•Utilizar conceitos de transferência de calor para determinar a construção e eficiência do forno solar proposto;

•Reaproveitar materiais considerados resíduos sólidos destinados a aterro sanitário para construção do forno proposto;

•Realizar testes de cocção e desidratação de alimentos.

Capítulo 2 Fundamentação Teórica

2. Fundamentação Teórica

A energia do Sol provém da fusão termonuclear de elementos leves, principalmente o hidrogênio, que num processo complexo origina hélio e transforma parte da massa das partículas que interagem em energia térmica, ou solar, como normalmente chamamos e que chega até a Terra na forma de energia eletromagnética, especialmente luz visível http://www.creaes.org.br/balancoenergetico/1/1.htm

De acordo com Duffie e Beckman (1991, p. 4): a radiação solar que atinge o topo da atmosfera terrestre provém da região da fotosfera solar com aproximadamente 300 km de espessura e temperatura superficial da ordem de 5800 K (aproximadamente 5.527 ºC).

Segundo artigo divulgado pelo CRESESB (Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – Energia Solar Princípios e Aplicações, pg. 7), dados recentes da WMO (World Meteorological Organization) indicam um valor médio de 1.367 W/m2 para a radiação extraterrestre. Fórmulas matemáticas permitem o cálculo, a partir da “Constante Solar”, da radiação extraterrestre ao longo do ano, fazendo a correção pela órbita elíptica. A radiação solar é radiação eletromagnética que se propaga a uma velocidade de 300.0 km/s.

De acordo com Oliveira Filho e Saraiva (2005), “a constante solar varia, dependendo da época no ciclo de 1 anos, de 1.364,5 a 1.367,86 W/m”. O valor adotado para verificação do rendimento de coletores solares planos é de 1353 W/m.

Segundo ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica - 2005, p. 29), quase todas as fontes de energia – hidráulicas, biomassas, eólicas, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar que vão desde a realização da fotossíntese até a evaporação das águas criando energia potencial.

2.2.Aplicações da Energia Solar

Historicamente, o homem faz uso da energia solar de maneira intuitiva desde simples aplicações como conservação de alimentos através da secagem ao ar livre, beneficiamento de couro de animais para confecção de vestimentas e utensílios á aplicações mais elaboradas do tipo utilizá-la como artefato bélico.

Atualmente, com o desenvolvimento das ciências e pesquisas voltadas para a necessidade de obtenção de novas fontes de energia renováveis, o homem vem buscando formas alternativas e eficientes para melhor aplicação da energia solar. Dessa maneira, classifica-se a utilização da energia solar com Ativa e Passiva, sendo a Ativa definida como Energia Solar Fototérmica e Fotovoltaica e a Passiva como Energia Solar Bioclimática.

2.2.1.Energia Solar Fototérmica

A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são classificados como Concentradores e Planos, sendo mais usados em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) para o aquecimento de água (higiene pessoal e para lavar utensílios e ambientes) proporcionando redução no consumo de energia elétrica (CRESESB, 2003).

Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor para acionamento de turbinas geradoras de eletricidade.

2.2.2.Energia Solar Fotovoltaica

É a energia obtida através da conversão direta da luz em eletricidade (Efeito Fotovoltaico). Relatado por Edmond Becquerel, em 1839, é o aparecimento de uma diferença de potencial nos extremos de uma estrutura de material semicondutor, produzida pela absorção da luz. A célula fotovoltaica é a unidade fundamental do processo de conversão, são normalmente produzidas em Silício amorfo e possuem custo elevado para aquisição residencial (GREEN et al., 2000)

(Parte 1 de 3)

Comentários