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Construção e Testes de Fogões Solares Para as Comunidades Carentes do Semi-árido Nordestino

Johnson Pontes de Moura

1. Introdução

A discussão na comunidade científica sobre os males que a ação antrópica provoca sobre o meio ambiente anda bastante avançada. Já foi bastante discutida a reação adversa dos compostos de CFC, provocando o buraco da camada de Ozônio, bem como o estudo frente a compostos de enxofre, provocando a chuva ácida. Atualmente, ganha força a investigação do aumento da emissão contínua de dióxido de carbono e metano na atmosfera, estimulando ainda mais o efeito estufa, ocasionando um aquecimento em nível global.

Neste último ponto, as pesquisas referentes a emissão de gases do efeito estufa (GEE) decorrido das atividades industriais e mesmo queimadas são bastante conhecidas. A citar em nosso país o conhecimento desde 1994 que as queimadas e/ou desmatamento da floresta Amazônica, que corresponde por cerca de 75% da emissão de dióxido de carbono, representando em massa 776 gigatoneladas anuais desse gás (Informe Ambiental, 2007).

Esta quantidade de emissão faz com que o Brasil ocupe a 4ª posição entre os emissores de GEE. Quando não levada em consideração o país se posiciona em 18º (Combatendo as causas das Mudanças Climáticas, 2007).

No entanto, dentre as queimadas que vigoram em nosso país, a queima da lenha para cocção de alimentos corresponde por 29,3% do total da lenha produzida, o que corresponde a 26.564*10³ toneladas, fazendo com que, dentro da matriz energética residencial brasileira, esse valor seja de 38% para dados de 2005 (Balanço Energético Nacional, 2006). Em termos globais, a queima da lenha para cocção de alimentos atinge 2,5 bilhões de pessoas, dos quais 23 milhões são brasileiros (World Energy Outlook, 2006). O uso da lenha para cozinhar dentro de casa leva a morte de 1,6 milhões de pessoas devido a poluição em ambientes internos (Organização Mundial da Saúde, 2005).

O fogão solar, uma tecnologia social capaz de cozer alimentos utilizando apenas a energia do Sol, pode prover a substituição, mesmo que parcial, desse consumo de lenha tão amplo.

No presente trabalho, procura-se mostrar a partir de uma revisão da literatura como o equipamento solar tipo caixa pode contribuir como medida mitigadora frente a emissão de GEE, analisando a contribuição do dióxido de carbono proveniente da contribuição da lenha.

2. Justificativa e Relevância do Trabalho

Desde muito tempo as comunidades rurais do Brasil e principalmente as do nordeste sofrem com a falta de infra-estrutura básica. No Rio Grande do Norte onde existem comunidades rurais isoladas serão implantadas fogões solares do tipo caixa e o pessoal treinado para a construção dos fogões solares de baixo custo, para fins de geração de emprego e renda com beneficio direto e indireto para o município.

Serão frutos deste estudo construções de protótipos de fogões solares que empregam fontes alternativas de energia para as comunidades carentes, utilizando materiais de baixo custo orçamentário, para a melhoria das condições de vida da população rural (econômica, social, educacional, saúde, conforto). Este trabalho trará uma efetiva solução para diversas famílias, seja pelo baixo custo de construção e montagem do fogão seja pela economia que ele proporciona ao consumo de energia, com relação ao gás de cozinha. Tudo isso aliado a uma conscientização ecológica com o uso de materiais compósitos, descartados ou encontrados em sucatas cuidando assim da região onde vivem. O trabalho também apresentará uma boa contribuição científica e poderá servir como fonte de pesquisa para desenvolvimento de novas formas de energias limpas e renováveis.

3. Revisão da Literatura

Fogões solares se dividem em três grupos: os parabólicos, de painel e o tipo caixa (como mostrados nas figuras 1 e a tabela 1). Este último foi feito enquanto objeto de análise na dissertação (Moura, 2007), por possuir melhores resultados dentre os tipos analisados. O fogão solar tipo caixa funciona com o princípio do efeito estufa, onde o calor é retido em uma caixa, visando a cocção de alimentos.

Figura 1- Fogão solar proposto por Moura, 2007 (LMHES- Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar- UFRN).

Tabela 1. Quadro Sinótico das Características dos Protótipos de Fogões Solares (Pinheiro, 2006).

Nos fogões 01 e 03 foi possível atingir a temperatura de 90 ºC, após um tempo de 2 h 50 min e 1h 10 min respectivamente. A temperatura máxima atingida no fogão 02 foi 53 ºC e no fogão 04 foi 85 ºC.

O fogão 01 funcionou a contento, com um rendimento próximo ao encontrado na literatura conforme apresentado na tabela 3.2. O fogão 02 teve um rendimento muito baixo. Apesar de sua grande superfície coletora, o fogão 02 possui também uma grande superfície de perda de calor. Além disto, sua construção não foi muito esmerada, existindo perdas de calor pela junção dos dois vidros. A grande inclinação dos espelhos em vez de direcionar a radiação para a panela provocou a reflexão de parte da radiação para o exterior.

O fogão concentrador parabólico 03 funcionou a contento. O bom acabamento da superfície refletora concentrou os raios solares no fundo da panela com precisão. Como somente o fundo da panela foi aquecido, as perdas térmicas para o meio ambiente foram menores. O uso de uma panela de fundo preto e superfícies laterais polidas poderiam minimizar ainda mais as perdas térmicas por radiação.

O fogão concentrador cônico por sua vez concentra a radiação na superfície lateral da panela. Quanto maior for a radiação, maiores as perdas térmicas para o meio ambiente. O uso de panelas com superfícies laterais negras aumentam a absorção da radiação solar e aumenta as perdas térmicas para o meio ambiente. O uso de panelas com superfícies laterais polidas diminuem consideravelmente a absorção da radiação solar. Além disto, como a construção também não foi esmerada, o foco não ficava totalmente sobre a panela.

Nos dois fogões concentradores verifica-se que é muito importante o posicionamento correto da panela em relação ao foco. Caso a panela fique fora do foco, não se consegue um funcionamento satisfatório.

4. Materiais e Métodos

A metodologia a ser empregada está baseada nos objetivos da presente proposta:

a) Realizar experimentos, assando, por exemplo, pão e pizza em um fogão solar tipo parabólico. Durante os experimentos serão medidas algumas temperaturas dentro do fogão solar, assim como fora dele. Obter, experimentalmente, o tempo necessário para assar alguns alimentos;

b) Obter parâmetros tais como: dimensões do objeto a ser assado, as suas propriedades termofísicas como calor específico, densidade e condutividade térmica, além de avaliar parâmetros de transporte como o coeficiente convectivo e o coeficiente devido à radiação dentro do forno solar;

c) Modelar considerando o coeficiente convectivo e o de radiação e que na superfície onde é depositado o alimento a temperatura é aproximadamente constante;

d) Realizar outra modelagem considerando um termo fonte como sendo a energia solar que pode ser captada pelo forno e que é absorvida pelo objeto (pizza, pão) durante o processo de assá-los. Além disto, que a superfície onde é depositado o alimento é mantida à temperatura aproximadamente constante;

e) Comparar o tempo avaliado pelos modelos deste projeto, com o tempo experimental necessário para assar alguns alimentos. Procurar na literatura, dados de tempo de assar, para compará-los com os valores mencionados antes.

5. Resultados e Discussão

Uma das qualidades dos fogões de caixa solar é sua facilidade de funcionamento. Para cozinhar ao meio-dia na latitude de 20° N - 20° S, o fogão de caixa solar sem refletor precisa de um pequeno remanejamento para ficar voltado para o Sol enquanto ele se move através do céu de meio-dia. A caixa com a face voltada para cima e o Sol está alto no céu por boa parte do dia. As caixas com refletores podem ser posicionadas em direção ao Sol da manhã e da tarde para fazer o cozimento nestas partes do dia.
Operação do fogão:

• Foram obtidos dados da temperatura da panela absorvedora e do interior do forno para vários dias de ensaio. As temperaturas foram tomadas de 15 em 15 minutos, no período de 9:00 às 15:00 h.
• Colocou-se uma panela com 1 litro de água à temperatura de 36 °C no interior do forno e mediu-se a evolução da temperatura da água no interior da panela, a cada cinco minutos.
• Outro teste realizado foi o cozimento de macarrão e de arroz, nas quantidades de 100 g e 350 g, respectivamente, medindo-se o tempo de cozimento e os níveis de temperatura no interior do forno.
• O teste final consistiu na colocação de uma pizza para assar no interior do forno proposto, medindo-se o tempo de assar do mesmo e os níveis de temperatura no interior do forno.
• Para avaliar as perdas térmicas do fogão (forno) solar construído mediu-se no período de maior incidência de radiação solar global, entre 11:00 e 13:00 horas, as temperaturas externas do fogão.
Os tempos experimentais médios para cozimento de alimentos como pães(em torno de 32 minutos) e pizzas(56 minutos) são resultados satisfatórios quando comparados com os resultados da literatura.


CONCLUSÕES: O fogão solar é uma proposta alternativa ao consumo de lenha em comunidades carentes. Vem sendo bastante estudado ao redor do mundo,
seja em termos científicos e tecnológicos de aprimoramento e na sua
difusão nas comunidades. Há diversos tipos de fogão solar, porém o
tipo caixa destaca-se devido a sua facilidade de confecção e uso,
somado ao fato de que sua eficiência empírica já está comprovada.
Obtiveram-se resultados satisfatórios experimentais compatíveis com os
resultados da literatura usando uma modelagem do processo de cozimento de alimentos do fogão solar do tipo caixa.

Resumo

No contexto dos dados da matriz energética brasileira apontam para a necessidade de massificar o uso do fogão solar para o cozimento de alimentos, como forma de preservação da natureza, e contribuição para amenizar o desequilíbrio ecológico pelo uso indiscriminado da lenha, além do fato de minimizar a emissão de gases poluentes para a atmosfera. Como se podem ver, 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, que amenizem a matriz energética, contribuam para a fixação do homem no campo e possa dar-lhe uma opção de geração de renda, através do domínio da construção de fogões solares, para sua futura comercialização.

Palavras-chave: fogões solares, energia, matriz energética.

5. Referências

IPC,2001. Climate Change 2001 (3 vols). United Nations Intergovernmental Panel in Climate Change. Cambridge University Press, UK. (available from www.ipcc.ch).

PINHEIRO, PAULO CÉSAR DA COSTA. Análise e Testes de 4 Fogões Solares. IN: 11^th Brazilian Congress of Thermal Engineering and Sciences - ENCIT 2006, 5-8 Dezembro 2006, Curitiba, PR, Proceedings. Curitiba, PR, ABCM, Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2006, (CD-ROM), CIT06-0941, 8p.

Johnson Pontes de Moura é Engenheiro Químico, DOUTORANDO EM Engenharia Mecânica-UFPE.

Reprodução autorizada desde que citado a autoria e a fonte

MOURA, J.P. de Construção e Testes de Fogões Solares Para as Comunidades Carentes do Semi-árido Nordestino. 2011. Artigo em Hypertexto. Disponível em: <http://www.infobibos.com/Artigos/2011_4/FogaoSolar2/index.htm>. Acesso em: