ESTUDO DE UM FORNO SOLAR FABRICADO A PARTIR DE UMA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO DE UM FORNO SOLAR FABRICADO A

PARTIR DE UMA LUMINÁRIA EM DESUSO

MAURICIO TAHIGO DE LIMA DA GUIA

Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira deSouza

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador.

Raimundo Vicente Pereira Neto

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Externo.

Me. Salomão Savio Batista

Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Externo.

NATAL, 29 de Novembro de 2019.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ESTUDO DE UM FORNO SOLAR FABRICADO A

PARTIR DE UMA LUMINÁRIA EM DESUSO.

MAURICIO TAHIGO DE LIMA DA GUIA

Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte como parte do requisito

para a obtenção do título de Engenheiro

Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Luiz

Guilherme Meira de Souza.

NATAL -RN 2019

i

Dedicatória

Dedico este trabalho em primeiro lugar a Deus. A minha mãe, irmãos, e

principalmente ao meu pai que não está presente na terra. A minha Esposa que

sempre esteve ao meu lado me motivando. Agradeço ao técnico de laboratório Aldo

Paulino pela ajuda na fabricação do projeto, aos Professores Drs.Luiz Guilherme e

William Fernandes.

ii

Mauricio, U.R.L.F. Estudo de um forno solar fabricado a partir de uma luminária

em desuso.2019. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia

Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Resumo

O presente trabalho teve como objetivo a construção de um forno solar a partir

de uma luminária em desuso com materiais alternativos. Foi feita uma comparação

com um forno convencional ( GLP, gás de cozinha) em relação ao custo, facilidade de

fabricação e manutenção. O ponto principal é que o forno fabricado não ocasiona a

queima de combustivel derivado de petróleo e nem de queimada (lenha) sendo assim

100% ecológico contribuindo com a diminuição do efeito estufa. Para as familias de

baixa renda, a compra do GLP é economicamente inviável, já com o forno construido

as comunidades carentes poderão fazer seus alimentos com o custo zero. No trabalho

foi apresentado passo a passo os processos de fabricação, montagem, eficiência e

manuseabilidade do forno.Os resultados obtidos no tempo de preparo com e sem

carga foram comparados.

Palavras-chave: Energia solar, Forno solar, Baixo custo,luminária em desuso .

iii

Mauricio, U.R.L.F. Study of a solar furnace manufactured from a disused

luminaire.2019. Final Paper (Graduation in Mechanical Engineering) - Federal

University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

Abstract

The present work aimed to build a solar furnace from a disused luminaire with

alternative materials. A comparison was made with a conventional oven (LPG, cooking

gas) in relation to cost, ease of manufacture and maintenance. The main point is that

the furnace manufactured does not cause a burning of petroleum-derived fuel or

burning (firewood), thus being 100% ecological contribution with reduction of the

greenhouse effect. For low-income families, a purchase of GLP is economically

unviable, with an oven built as communities of residents who make their food at zero

cost. No work was done step by step in the furnace manufacturing, assembly,

efficiency and handling processes. The results obtained in the preparation time with no

load were compared.

Keywords: Solar energy, Solar oven, Low cost, Disused lamp.

iv

Lista de Tabelas

Tabela 1 – Materiais e Ferramental ................................................................. 14

Tabela 2 – Temperaturas das superfícies internas do forno ............................ 26

Tabela 3 – Temperaturas das superfícies externas do forno ........................... 26

Tabela 4 – Dados coletados sem carga .......................................................... 28

Tabela 5 – Tempo de preparo das Pizzas ....................................................... 29

Tabela 6 – Tempo de preparo dos Bolos ......................................................... 29

Tabela 7 – Custodos materias ......................................................................... 31

v

Lista de Figuras

Figura 1 –Radiação solar Horizontal. ................................................................. 6

Figura 2 –Forno solar do tipo caixa. .................................................................. 9

Figura 3 –Forno solar do tipo caixa. .................................................................. 9

Figura 4 –Forno solar Parabólico. .................................................................... 10

Figura 5 –Forno do tipo Funil ........................................................................... 11

Figura 6 – Forno Cookit ................................................................................... 11

Figura 7 –Forno Sunny .................................................................................... 12

Figura 8 – Luminária em uso. .......................................................................... 13

Figura 9 – Luminária em desuso ..................................................................... 13

Figura 10 –Fabricação da tampa móvel .......................................................... 15

Figura 11 – Acoplamento dos espelhos ........................................................... 15

Figura 12 – Pintura interna do forno ................................................................ 16

Figura 13 –Alavanca. ....................................................................................... 17

Figura 14 –Pintura externa .............................................................................. 18

Figura 15 –Material de pintura ......................................................................... 18

Figura 16 –Colocação dos vidros. ................................................................... 18

Figura 17 –Termopares e Termômetro. ........................................................... 19

Figura 18 Forno pronto. ................................................................................... 20

Figura 19 –Termômetro digital ......................................................................... 20

Figura 20 –Ensaio do forno. ............................................................................ 21

Figura 21 –Assamento das Pizzas. ................................................................. 22

Figura 22 –Assamento dos bolos. ................................................................... 22

Figura 23 –Pizzas após o assamento. ............................................................. 30

Figura 24 –Bolos após o assamento. .............................................................. 30

vi

Sumário

Dedicatória ............................................................................................ i

Resumo ............................................................................................... ii

Abstract ................................................................................................ iii

Lista de Tabelas ................................................................................... iv

Lista de Figuras ................................................................................... v

Lista de abreviaturas e siglas .............................................................. vi

Sumário ............................................................................................. vii

Introdução ............................................................................................ 1

Apresentação do Trabalho ................................................................ ... 1

Objetivo Geral ................................................................................... ....2

Objetivos Específicos ........................................................................ ....2

Revisão Bibliográfica ........................................................................... 3

Energias Renováveis e Matriz Energética ........................................ ...4

Energia Solar .................................................................................... ..4

Potencial Solar Brasileiro .................................................................. ...5

Fornos Solares ....................................................................................7

2.4.1História ................................................................................ ...... 8

Forno solar do tipo caixa... .......................................................... .......8

Forno solar do tipo Parabólico ou concentrado..................................10

Forno do tipo funil ....................................................................... ......10

Matérias e Métodos ........................................................................... 12

Processo de Fabricação e Montagem ................................................12

Procedimento Experimental ...............................................................19

Balanço de Energia ............................................................................23

Energia que entra no forno ......................................................... ......23

Energia perdida pelo forno .......................................................... ......24

Energia Absorvida Pelo Forno .................................................... ......25

Rendimento Interno Do Forno .......................................... ....... 25

Resultados e Discussões ................................................................... 28

Conclusões ........................................................................................ 33

Referências ........................................................................................ 34

1

1 Introdução

1.1 Apresentação do Trabalho

Quase todas as fontes de energia – hidráulica, biomassa, eólica, combustíveis

fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas de energia solar. Além disso, a

radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para

aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica.

Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, através de efeitos sobre

determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico.

O aproveitamento térmico para aquecimento de ambientes, denominado

aquecimento solar passivo, ocorre através da absorção ou penetração da radiação

solar nas edificações, reduzindo as necessidades de aquecimento e iluminação.

Melhor aproveitamento térmico da radiação solar pode ser feito com o auxílio de

técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção.

O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito através do uso

de coletores ou concentradores solares. Os coletores solares são mais usados em

aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.), para

o aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes).

Os concentradores solares destinam-se a aplicações que requerem

temperaturas mais elevadas, como a secagem de grãos e a produção de vapor. Neste

último caso, pode-se gerar energia mecânica, com o auxílio de uma turbina a vapor,

e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador de corrente elétrica. Entre os

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

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

primeiro é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características

climáticas, e o segundo, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da

rede de energia elétrica.

2

1.2 Objetivo Geral

Estudar a viabilidade de um forno solar do tipo caixa e a sua eficiência na cocção

de alguns alimentos, comparando o tempo gasto no cozimento com um forno

convencional a gás.

1.3 Objetivos Específicos

• Projetar e construir um forno solar do tipo caixa a partir de uma

luminária em desuso.

• Descrever e analisar todas as etapas do processo construtivo.

• Avaliar o custo benefício desse produto, demonstrando todas as

características como, por exemplo, peso do forno, durabilidade, manutenção,

facilidade no transporte e dimensões do forno.

3

2 Revisão Bibliográfica

No âmbito das discussões sobre a questão energética, aprofundada pelo

cenário internacional de escassez do petróleo e pelas mudanças no clima,

ocasionadas pela queima de combustíveis fósseis, surgem pesquisas e estudos

técnicos, econômicos e de impactos socioeconômicos e ambientais de

empreendimentos de energias alternativas ou renováveis voltados para o

desenvolvimento de alternativas na produção de energia, a partir de matéria orgânica

de origem animal e vegetal, a biomassa; a partir da força dos ventos, a chamada

energia eólica; através da captação da luz do sol, a energia solar, e a partir de

pequenas centrais hidroelétricas, as quais atendem a demandas em áreas periféricas

ao sistema de transmissão

Atualmente, a nova ordem mundial é a busca pela auto-suficiência em geração

de energia, aliada a uma diversificação da matriz energética, ou seja, a procura por

diferentes fontes de energias alternativas que supram a demanda interna dos países,

no caso de uma escassez de combustíveis fósseis. Para tanto, os países têm que ter

sob controle fontes primárias de geração de energia elétrica, térmica e veicular e em

um mundo globalizado é necessário que haja uma interdependência entre os países

e uma auto-suficiência em alguma fonte de energia (IGNATIOS, 2006). Essa

diversificação trará para os países mais segurança à oferta de energia sem sucumbir

às pressões de preços de insumos ou adversidades climáticas.

É necessário que haja mais investimentos direcionados para área de produção

de combustíveis e geração de energia, o que se configura como um problema, uma

vez que o governo não teria recursos suficientes para a diversificação e ampliação da

matriz energética.

Segundo a EPE (Empresa de Pesquisa Energética), estatal vinculada ao

Ministério de Minas e Energia, caso a demanda por energia venha a crescer

anualmente na ordem de 4,8%, o país precisará investir em torno de R$ 125 bilhões

para a ampliação de geração e transmissão de energia a fim de que haja fornecimento

regular sem riscos de apagão.

4

2.1 Energias Renováveis e Matriz Energética

Hoje, segundo dados do Ministério de Minas e Energia, no Brasil, cerca de 45%

da sua matriz energética é renovável, considerando as grandes hidrelétricas, o que

deixa o País, em que a média mundial é de 14%,e nos países desenvolvidos não

passa de 6%. Porém, quando se trata de energias alternativas, como a biomassa

gerada a partir de matérias orgânicas, este percentual cai para 3,1%. O contra-senso

é que o Brasil tem grande potencial para elevar esse percentual e investir mais em

energias alternativas, pois possuí características bastante favoráveis, como a

extensão territorial, a mão-de-obra e o desenvolvimento tecnológico, que

possibilitariam tanto complementar o abastecimento das tradicionais redes elétricas

como produzir combustíveis (MATRIZ..., 2006).

A Bahia, no que se refere à produção de biocombustíveis, também possui uma

situação privilegiada – uma extensão territorial de 567 km², o que equivale a 36,3%

da área total da região Nordeste. Na produção de biodiesel, o estado da Bahia,

segundo especialistas, tem condições suficientemente boas, o que incluí o clima

quente, ideal para o cultivo da mamona, oleaginosa abundante no semi-árido baiano

e utilizada como matéria – prima para a produção do diesel alternativo.

2.2 Energia Solar

É a energia proveniente do sol. Pode ser utilizada diretamente para o

aquecimento do ambiente, aquecimento de água e para produção de eletricidade, com

possibilidade de reduzir em 70% o consumo de energia convencional. Além disso, a

radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para

aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica

segundo a EPE (Empresa de Pesquisa Energética).

Pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos

sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o

fotovoltaico. Quase todas as fontes de energia como já foi mencionado–hidráulica,

biomassa, eólica, combustíveis fósseis e energia dos oceanos – são formas indiretas

de energia solar.

O aproveitamento da iluminação natural e do calor para aquecimento de

5

ambientes, denominado aquecimento solar passivo, decorre da penetração ou

absorção da radiação solar nas edificações, reduzindo-se, com isso, as necessidades

de iluminação e aquecimento. Assim, um melhor aproveitamento da radiação solar

pode ser feito com o auxílio de técnicas mais sofisticadas de arquitetura e construção.

2.3 Potencial Solar Brasileiro

O Brasil, por ser um país localizado na sua maior parte na região inter-tropical,

possui grande potencial de energia solar durante todo ano. A utilização da energia

solar poderia trazer benefícios em longo prazo para o país viabilizando o

desenvolvimento de regiões remotas onde o custo da eletrificação pela rede

convencional é demasiadamente alto com relação ao retorno financeiro do

investimento, regulando a oferta de energia em situações de estiagem, diminuindo a

dependência do mercado de petróleo e reduzindo as emissões de gases poluentes á

atmosfera como estabelece a Conferência de Kyoto.

Na matriz energética brasileira, a energia hidraúlica é a principal fonte de

energia para geração de eletricidade. Apesar de não ocorrer emissão de poluentes

para a atmosfera, as usinas hidroelétricas produzem um impacto ambiental ainda não

adequadamente avaliado, devido ao alagamento de grandes áreas cultiváveis e, além

disso, as reservas brasileiras para geração hidroelétrica tendem a se esgotar nas

próximas decadas.

A energia nuclear não tem se mostrado uma alternativa adequada devido ao

questionamento sobre os riscos associados a sua utilizacão na produçãode

eletricidade e ao problema do armazenamento dos rejeitos radioativos gerados na

operação das usinas nucleares. Estima-se que 40% da energia utilizada no setor

agropecuário brasileiro seja produto da queima de combustíveis fósseis e 20% seja

derivada da queima de lenha (biomassa).

Além da importância no plano energético atual, a radiação solar desempenha

papel importante em diversas áreas da atividade humana como, por exemplo, na

meteorologia e na climatologia que são atividades essenciais para o desenvolvimento

da atividade econômica de um país com extensão continental como o Brasil. Outras

atividades econômicas, como agropecuária e arquitetura, também necessitam do

conhecimento da radiação solar incidente na superfície do planeta para o

6

planejamento e obtenção da maior eficiência energética. A energia solar pode ser

utilizada em sistemas de irrigação de culturas; de refrigeração de alimentos, vacinas

e remédios; aquecimento e iluminação artificial; conforto térmico e iluminação natural

em projetos de construção civil, etc.

Figura -1 Radiação solar horizontal

Fonte: Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA)

Considerando as informações da Figura 1 acima, pode-se constatar que os

maiores índices de radiação solar estão nos seguintes Estados: Bahia, Piauí, Paraíba,

Rio Grande do Norte, Ceará, Tocantins, Goiás, Minas Gerais e São Paulo.

Frequentemente, a energia solar é apontada como uma forma de aperfeiçoar a

gestão dos recursos energéticos mundiais e brasileiros. No caso do Brasil, são usuais

afirmações de que esta fonte de energia não é utilizada como deveria.

O fato de o índice de radiação solar no Brasil ser elevado corrobora a visão de

que há oportunidades para a energia solar em território brasileiro. Além da vocação

natura, já há, no Brasil, políticas públicas que podem dar importante impulso no uso

da fonte solar e, consequentemente, em sua participação na matriz energética

brasileira.

A mudança na matriz energética brasileira nos próximos anos também pode

impulsionar a energia solar. O Plano Decenal de Expansão de Energia (PDEE) 2023

7

prevê a queda, em termos proporcionais, da geração de fonte hidráulica, e um

aumento correspondente na participação de outras fontes renováveis, em especial, a

eólica. Antecipa-se um leve crescimento na participação das fontes renováveis na

matriz elétrica: de 82,9%, em 2013, para 83,8%, em 2023. Para a energia solar, o

PDEE 2023 estima que a capacidade instalada dessa fonte atingirá 3.500 MWp (548

MW médios) em 2023, frente aos 19 MWp outorgados atualmente.

No que tange à mini geração e microgeração distribuída, a vocação da geração

fotovoltaica, EPE (2014) estima que somente consumidores de elevado poder

aquisitivo, com consumo médio entre 400 e 1000 kWh/mês, terão condição de instalar

os equipamentos em um primeiro momento.

Segundo EPE (2014), em 2023, 140 mil consumidores residenciais e 21 mil

consumidores comerciais utilizarão a geração fotovoltaica. Isso fará com que 0,33%

do consumo residencial e 0,33% do consumo comercial sejam atendidos por tal fonte.

As projeções para o mercado brasileiro mostram números inferiores em relação a

outros países, que necessitam reduzir em maior proporção o uso de combustíveis

fósseis.

A perspectiva de expansão da energia eólica é, também, oportunidade para

crescimento da energia solar. A empresa Renova Energia, uma das líderes da energia

eólica no Brasil, anunciou o início da construção, ainda em 2014, do primeiro complexo

híbrido de energias solar e eólica do Brasil. O projeto será implantado na região de

Caetité-BA, terá 26,4 MW de potência instalada (21,6 MW de eólica e 4,8 MW de

energia solar fotovoltaica) e capacidade de geração de 12 MW médios.

A perspectiva favorável para o uso da radiação solar como fonte de geração de

energia elétrica não significa que inexistam obstáculos a serem superados para, pelo

menos, alcançar-se o mesmo estágio do uso da radiação solar como fonte de

aquecimento.

2.4 Fornos Solares

O forno solar não usa gás, nem lenha, nem energia elétrica: o calor que cozinha

o alimento vem diretamente do sol, cujos raios multiplicam-se ao encontrar as

superfícies espelhadas do forno.

Claro que, apesar de atingir temperaturas surpreendentes, possibilitando assar

um bolo em uma hora e meia, o forno solar é totalmente dependente da condição

8

climática e, portanto, não dá para achar que um dia todas as pessoas terão um casa.

Mas, em regiões pobres, principalmente na África, onde o sol é constante e a lenha

responde por quase 100% da energia consumida, os fornos solares podem provocar

uma verdadeira revolução.

A lenha tem pelo menos dois grandes problemas associados ao seu uso como

fonte de energia: sua “colheita” destrói ecossistemas e sua queima libera gases de

carbono, que poluem o ar e intensificam o efeito estufa. O forno solar não só é capaz

de cozinhar sem poluir como também esteriliza a água em meros 20 minutos, quando

atinge 65 ºC, a temperatura necessária para matar todos os microorganismos capazes

de causar alguma doença.

E o melhor é que cada pessoa pode construir o próprio forno solar, gastando

quase nada. O modelo mais simples, tipo painel, é feito com um pedaço de papelão,

revestido com algum papel laminado. Em 1990, a associação internacional Solar

Cookers distribuiu fornos desse tipo a 28 mil famílias no Quênia e, oito anos depois,

constatou que cerca de 20% delas ainda usavam os painéis como equipamento

principal da “cozinha”. Quase 6 mil famílias, que estariam queimando lenha, adotaram

a cozinha sustentável.

2.4.1 História

Por volta de 1770, Nicholas de Saussurre descreveu os primeiros experimentos

com fornos solares do tipo caixa com o objetivo de preparo de alimentos. Ele projetou

uma caixa retangular isolada com a parte de cima envidraçada, onde a tampa refletora

concentrava a radiação para dentro da caixa.

A radiação era então convertida em ondas infravermelhas pelo fundo preto

mate e ficava aprisionada pela tampa de vidro, aquecendo os alimentos até cerca de

160 ºC. Assim, eram facilmente cozidos ou assados.

Em 1837, o astrônomo John Herschel construiu um forno solar para seu uso

em uma expedição no Cabo da Boa Esperança, cozinhando carne e vegetais. Este

forno era uma caixa negra enterrada na areia, para isolar-se termicamente, com duas

placas de vidro por cima. Foi registrada a temperatura de 116ºC.

9

2.4.1 Forno solar do tipo caixa

O forno solar tipo caixa possui uma diversidade de materiais, desde o uso de

espelhos planos, vidro, até lâmina de acetato e papel alumínio. A radiação

infravermelha, componente da luz solar, não consegue passar através da tampa de

vidro e assim é criado um efeito estufa no interior da caixa. Isso proporciona altas

temperaturas, permitindo o cozimento dos alimentos colocados em seu interior

(SARMENTO, 2015). No caso do forno ilustrado (Figura 2), foi utilizado papelão,

acetato e papel alumínio.

Figura 2 – Forno Solar tipo Caixa

Fonte: Sarmento, 2015

Figura 3 – Forno Solar tipo Caixa

Fonte:Sarmento, 2015

10

2.4.1 Forno solar do tipo Parabólico ou concentrador.

São os fogões de melhor rendimento quando comparados ao caixa e o tipo

painel. São de formato parabólico, com foco convergente. Permitem altas

temperaturas, com menores tempo de cozimento. São direcionais, necessitando

reajuste de angulo da parábola. Permitem cozinhar, fritar, assar, com rendimento igual

ou superior a energia térmica da chama de um fogão a gás convencional. Podem ser

construídos com diversos materiais: fibra de vidro, plástico moldado, papelão,

alumínio polido em estrutura de apoio, etc. Contudo, possuem as desvantagens de

serem mais caros e de construção mais complexa, conforme figura 4.

Figura 4 – Forno Solar tipo Parabólico

Fonte: GONÇALVES, 2018.

2.4.2 Forno do tipo Funil

Esse modelo de forno solar é simplesmente um funil construído com material

reflexivo e no centro coloca-se uma panela preta dentro de um vidro ou saco para

assar comida em forno (para fazer o efeito estufa).

O funil funciona como coletor e redirecionador dos raios solares para o centro

e para o fundo, que é onde colocamos o vidro com a panela preta dentro. Por ter uma

área coletora maior que o forno tipo caixa e por ter o formato de um funil, esse modelo

se torna mais eficiente, além de ser extremamente fácil de confeccioná-lo

11

Figura 5 – Forno Funil

Fonte: FOGAOSOLAR, 2018.

2.4.3 Forno do tipo Cookitl

Forno Cookit é o fogão solar de Painel mais popular, tendo sido largamente

usado no mundo. Foi desenvolvido por um grupo de engenheiros ligados

aoSolarcooking International, Sendo projetado para cozinhar lentamente os alimentos,

preservando seus nutrientes, sem queimar ou secar.

Figura 6 – Forno Cookit


12

Figura 7 – Forno Sunny


3 Matérias e Métodos

3.1 Processo de Fabricação e Montagem

O forno produzido tem como objetivo para ser usado no uso doméstico no

periodo das 09:30h ás 14h, sendo esse intervalo de tempo o qual possui uma maior

eficiencia para o cozimento dos alimentos tais como Pizzas, bolos,empanados dentre

outros que geralmente são feitos em fornos convencionais.

Os materiais utilizados na fabricação do forno, foram 90% reciclados sendo

uma luminária em desuso no qual foi empregada para ser o corpo, madeiras recicladas

utilizado na parte externa, espelhos (elementos refletores), chapas de aluminium(

fixação da base móvel da tampa) e vidros.

A Tabela 1 a seguir mostra as ferramentas e os materiais utilizados na

fabricação do forno, as figaras 8 e 9 é a luminária em uso e desuso.

13

Figura 8 – Luminária em Uso

Fonte: Elaborada pelo autor.

Figura 9 – Luminária em Desuso


14

Tabela 1 – Materiais e Ferramental

MATERIAIS FERRAMENTAS

LUMINÁRIA EM

DESUSO MARTELO

MADEIRA EM

DESUSO TRENA

VIDRO

CORTADOR DE

VIDRO

PREGOS REBITADEIRA

ARREBITES FURADEIRA

COLA DE

SAPATEIRO LIXA

ESPELHOS PINCEL

CHAPA DE

ALUMÍNIO

TINTAS

CHAPA DE METAL

O ponto inicial da fabricação do forno foi a aquisição da luminária em desuso

que foi doada pelo laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia Solar a mesma iria

ser reciclada, com a doação da luminária demos inicio ao projeto, foi feito uma base

externa de madeira, servindo assim como isolante térmico, no qual tambem foi

doação, assim acoplou-se a luminária que internamente.

O segundo passo foi o ajuste da luminária na caixa de madeira a qual foi

pregada nas extremidades, após isso elaboramos uma tampa móvel com dobradiças

feito de uma madeira fina, como precisou ter dobradiças a madeira fina não iria

suportar o peso dos espelhos, tivemos a ideia de fazer uma base de chapas de

aluminio, utilizamos a rebitadeira para ajustar e fixar as chapas de aluminio, a figura

10 representa a fabricação da tampa móvel.

15

Figura 10 – Fabricação da tampa móvel

Fonte: Elaborado pelo autor.

O terceiro passo foi o acoplamento dos espelhos (superficie refletora) figura 11

na tampa móvel o mesmo foi cortado com um diamante, lixado e fixado com cola de

sapateiro na parede interna da tampa.

Figura 11 – Acoplamento dos espelhos

Elaborado pelo autor.

16

O quarto passo fois pintura interna do forno, figura 12, com a tinta preto fosco,

devido a eficiente na absorção da luz ser melhor, no qual não é refletida, sendo o raio

solar totalmente absorvido e transformado em calor.

Figura 12 – Pintura interna do Forno


O quarto passo foi a fabricação de uma alavanca, figura 13, para regulagem do

ângulo de radiação da tampa do forno, primeiramente cortamos uma chapa de ferro,

fizemos um furo na extremidade, após furamos vários furos com a furadeira de

bancada e com a esmerilhareira fizemos os dentes, por último demos o acabamento

com o esmeril.

Figura 13 – Alavanca.


17

A última etapa foi a pintura externa do forno, figura 14, com as cores vermelho e

branco e o corte do vidro, no qual foi doado pelo Laboratório de Maquinas Hidráulicas

e Energia Solar, com o objetivo de ser utilizado como a tampa do forno, evitando a

dispersão desse calor. O vidro foi cortado em três pedaços do mesmo tamanho do

forno e colocado na parte superior figura 16, com a função de facilitar o manuseio da

tampa, no modo de abrir e fechar, já a figura 17 representa os termopares e

termômetro para início do ensaio.

Figura 14 – Pintura externa.


Figura 16 – Colocação dos vidros.


18

Figura 17 – Termopares e termômetro.


3.2 Procedimento Experimental

O experimento foi realizado no Laboratório de Máquinas Hidráulicas e Energia

Solar da UFRN no dia 14 de novembro de 2019. O experimento foi realizado entre 10h

e 14h, no qual se teve como objetivo coletar a temperatura da placa absorvedora e do

ar interno do forno. Nesse dia a temperatura ambiente estava em torno de 28° e

apresentava nuvens sobre o sol.

Antes de começar o experimento se fez necessário limpar a superfície refletora

(espelho), durante o período do experimento, foi necessário orientar a base e a parte

que comportava a superfície refletora, para se obter uma melhor incidência dos raios

solares, para se ter uma melhor eficiência e alcançar a temperatura máxima do forno.

As temperaturas foram coletadas com termopares acoplados a um termômetro digital

como ilustram as Figuras 18 e 19.

19

Figura 18 – Forno pronto.


Figura 19 –Termômetro digital


A primeira etapa do ensaio foi realizada sem carga, durante o período de 1h e

20

os dados foram coletados a cada 5 minutos. Os dados coletados foram a temperatura

da placa absorvedora e a temperatura interna do ar. O ensaio começou as 10h14, e

foi finalizado as 11h11. Como ilustra a Figura 20.

Figura 20 – Ensaio do forno.


A segunda etapa experimental foi a cocção de dois alimentos. Foram colocados

ao mesmo tempo 3 pizzas (media, 460g) e após um intervalo de tempo foram

colocados 3 bolos, Durante o período de assamento dos alimentos, foi coletado a

temperatura da placa absorvedora, fixado no centro do forno, e o ar interno do forno,

que foi fixado na extremidade do forno. Essa etapa começou assim que foi finalizada

a etapa sem carga, no qual ao adicionar os alimentos as temperaturas do forno já

estavam na máxima, em torno de 114°C. Ao decorrer o tempo, cada alimento ficou

pronto em tempos distintos, e as temperaturas foram coletados a cada 5 minutos, tanto

da placa absorvedora quanto do ar interno do forno. A Figura 21 ilustram o forno no

processo de cocção dos alimentos.

21

Figura 21 – Cozimento dos alimentos Pizzas.


Figura 22 – Cozimento dos alimentos bolos



Um dos problemas que surgiu foi o vidro embaçado, parte interior do vidro

condensava, dificultando a absorção dos raios solares, precisando-se limpar com um

pano a parte do vidro interior do forno para cada novo alimento que fosse ser assado,

o espelho da superficie refletora estava oxidado, dificutando assim a incidencia de

raios solares, na parte lateral dos vidros ficou espaços vazios fazendo com que

liberasse o calor, também ficou faltando os furos nas laterais do forno para a colocação

dos termopares.

22

3. Balanço de Energia

3.3.1 Energia que entra no forno

A energia que entra no forno deriva de duas fontes: da radiação solar global

incidente no forno e da radiação solar direta refletida nos espelhos externos situados

no topo do forno. A Equação 3.1 ilustra a energia total que entra no forno.

𝐸𝑒𝑓 = 𝐸𝑔 + 𝐸𝑟𝑒 (3.1)

Onde:

𝐸𝑒𝑓 = energia que entra no forno (W);

𝐸𝑔= energia da radiação solar global que incide diretamente no forno (W);

𝐸𝑟𝑒= energia da reflexão dos espelhos localizados na parte superior do forno

(W).

Para o cálculo das energias de entrada no forno utilizou-se as Equações 3.2

e 3.3.

𝐸𝑔 = 𝐼𝑔𝜏𝑣𝐴𝑣 (3.2)

𝐸𝑟𝑒 = 𝐼𝑑𝜌𝑒𝜏𝑣𝐴𝑎𝑢 (3.3)

Onde:

𝐼𝑔= Radiação instantânea global que entra no forno = 950,0Wh/m2;

𝐼𝑑= Radiação instantânea direta que entra no forno = 760,0Wh/m2; Para

condições de céu limpo com poucas nuvens 𝐼𝑑 = 0,8𝐼𝑔;

𝜌𝑒 = Refletividade do espelho = 0,95;

𝜏𝑣= Transmissividade do vidro = 0,85;

𝐴𝑣= Área do vidro = 0,34 m2;

𝐴𝑎𝑢 = Área útil dos espelhos = 0,399 m2.

Eg = 950,0 ∗ 0,85 ∗ 0,34 = 274,55 W

Ere = 760,0 ∗ 0,95 ∗ 0,85 ∗ 0,399 = 244,8 W

Logo a energia efetiva que entra no forno é dada pela soma a seguir:

23

𝐸𝑒𝑓 = 274,55 + 244,8 = 519,4W

3.3.2 Energia perdida pelo forno

Como não existe um isolamento ideal, sempre haverá perdas de energia, sendo

que para o caso do forno, a energia será perdia pelas lateria e parte inferior no qual

todas as perdas são dadas por convecção. Enquanto que para o espelho, a perda dar-

se-á tanto por convecção, como também por radiação.

A Equação 3.4 ilustra todas as perdas.

𝐸𝑝𝑓 = 𝐸𝑝𝑓𝑆+𝐸𝑝𝑓𝑂 + 𝐸𝑝𝑓𝑁 + 𝐸𝑝𝑓𝐿 + 𝐸𝑝𝑓𝑉 + 𝐸𝑝𝑓𝐼 3.4)

Onde:

𝐸𝑝𝑓𝑆 = Energia perdida pelo forno pela região sul (W);

𝐸𝑝𝑓𝑂 = Energia perdida pelo forno pela região oeste (W);

𝐸𝑝𝑓𝑁 = Energia perdida pelo forno pela região norte (W);

𝐸𝑝𝑓𝐿 = Energia perdida pelo forno pela região leste (W);

𝐸𝑝𝑓𝑉 = Energia perdida pelo forno pela região vidro (W);

𝐸𝑝𝑓𝐼 = Energia perdida pelo forno pela região inferior (W).

Para a quantificação da energia perdidas, usaremos a lei de Newton para o

resfriamento, no caso da convecção (Equação 3.5), e a derivação da lei de Stefan-

Boltzmann, para a radiação (Equação 3.6).

𝐸𝑝𝑓 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐 = ℎ𝑐 ∗ 𝐴𝑠𝑒 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (3.5)

𝐸𝑝𝑓 = 𝑄𝑟𝑎𝑑 = ℎ𝑟 ∗ 𝐴𝑠𝑒 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎𝑚𝑏) (3.6)

Onde:

ℎ𝑐 = coeficiente de transferência de calor por convecção, em W/m²K;

ℎ𝑟 = coeficiente de transferência de calor por radiação, em W/m²K;

𝐴𝑠𝑒= área da superfície, em m²;

𝑇𝑠 = temperatura da superfície, em K;

𝑇𝑎𝑚𝑏 = temperatura ambiente, em K;

Calculando os coeficientes convectivo e radiativo (ℎ𝑐 e ℎ𝑟):

O coeficiente de transferência de calor, por convecção, entre a superfície

externa e o ar ambiente, pode segundo Duffie & Beckman (1991), ser determinado

pela equação 3.7.

ℎ𝑐(𝑣𝑒−𝑎) = 2,8 + 3 ∗ 𝑣𝑣 (3.7)

24

𝑎𝑚𝑏

Esta equação é válida para velocidades de vento compreendidas entre 0,0 e

7,0 m/s. No local onde foram feitos os testes, de acordo com a central meteorológica

do LMHES.

Com a finalidade de calcular o coeficiente convectivo ℎ𝑐, foi mensurado no

LMHES/UFRN, a velocidade média do vento Vv =0,7 m/s à uma temperatura média

ambiente de 28 °C. Dessa forma, com a obtenção da velocidade, chegou-se ao

coeficiente convectivo, Equação 3.8.

ℎ𝑐(𝑣𝑒−𝑎) = 2,8 + 3 ∗ 0,7 = 4,9 𝑊/𝑚²𝐾 (3.8)

O coeficiente de troca térmica radiativa entre a superfície externa da cobertura e

a abóbada celeste, conforme Duffie & Beckman (1991), é função das condições

climáticas do local considerado podendo ser determinado através da Equação 3.9.

Onde:

𝑇𝑣𝑒 = temperatura externa do vidro, em K.

𝑇𝑠𝑘𝑦 = temperatura da abóbada celeste, em K.

𝑇𝑎𝑚𝑏 = temperatura ambiente, em K

Sem incorrer em erros significativos, pode-se obter o valor de 𝑇𝑠𝑘𝑦, a partir de

𝑇𝑎𝑚𝑏, através da Equação 3.10.

𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 𝑇1,5 (3.10)

Para o cálculo da temperatura do céu, faz-se necessário converter a

temperatura ambiente, medida em Celsius, para Kelvin, de modo que, 28°C será

301,15 K. Logo a temperatura do céu 𝑇𝑠𝑘𝑦 é fornecida pela Equação 3.11.

𝑇𝑠𝑘𝑦 = 0,0552 ∗ 301,151,5 = 288,48 𝐾 (3.11)

25

A Tabela 2 a ilustra as temperaturas no fundo e nas laterais.

Tabela 2 – Temperaturas das superfícies internas do forno

PAREDES INTERNAS DA SUPERFICÍE

REFERÊNCIA PONTOS

TEMPERATURA

(°C)

SUL ponto 1 80

OESTE ponto 2 61

LESTE ponto 3 56

NORTE ponto 4 86

FUNDO ponto 5 84

EXTERNA

DO VIDRO

PONTO

6 56

Fonte: Elaborado pelo autor

Tabela 3 – Temperaturas das superfícies externas do forno

temperatura paredes externas

zona superficie temperatura(°C)

SUL

ponto 1 43

ponto 2 46

ponto 3 42

OESTE ponto 1 42

LESTE ponto 1 36

NORTE

ponto 1 42

ponto 2 41

ponto 3 37


Usando a Equação 3.9 o coeficiente radiativo, ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) e convertendo as

temperaturas tudo para a unidade Kelvin, temos o valor de:

26

325,154 − 288,484

ℎ𝑟(𝑣𝑒−𝑎) = 5,16 ∗ 10−8 = 9,14 𝑊/𝑚²𝐾

325,15 − 301,15

Agrupando-se os devidos termos na equação geral de perdas chega-se aos

respectivos valores para cada superfície (equação 3.5):

𝐸𝑝𝑓 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐 = ℎ𝑐 ∗ 𝐴𝑠𝑒 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎𝑚𝑏)

𝐸𝑝𝑓𝑆 = 4,9 ∗ 0,0984 ∗ (80,0 − 28,0) = 25,07 W

𝐸𝑝𝑓𝑂 = 4,9 ∗ 0,0456 ∗ (61,0 − 28,0) = 7,37 W

𝐸𝑝𝑓𝑁 = 4,9 ∗ 0,0984 ∗ (56,0 − 28,0) = 13,50 W

𝐸𝑝𝑓𝐿 = 4,9 ∗ 0,0456 ∗ (86,0 − 28,0) = 12,95 W

𝐸𝑝𝑓𝑉 = (4,9 + 9,14) ∗ 0,28 ∗ (52 − 28) = 94,35 W

𝐸𝑝𝑓𝐼 = 4,9 ∗ 0,3116 ∗ (84 − 28) = 85,50 W

Somando-se as perdas calculadas temos a perda total:

𝐸𝑝𝑓 = 174,62 𝑊

3.3.3 Energia Absorvida Pelo Forno

Após o cálculo das taxas de energias de entrada no forno e a perdida, a energia

absorvida pelo forno é calculada pela diferença entre a energia que entra no forno e a

energia perdida.

𝐸𝑎𝑏𝑠 519,4-174,62 =344,78 W

3.3.4 Rendimento Interno Do Forno

O rendimento interno do forno, é calculado pela razão entre as taxas de energia

absorvidas e a de entrada. Logo, teremos:

27

4 Resultados e Discussões

O primeiro ensaio sem carga iniciou-se as 11h05, em um intervalor de coleta

de dados de cinco em cinco minutos, durante uma hora. Coletando as temperaturas

da placa absorvedora e a interna do ar. A Tabela 4 mostra as temperaturas coletadas.

Tabela 4 – Dados coletados sem carga

DADOS COLETADOS SEM CARGA

HORÁRIO TEMPERATURA NA PLACA INTERNA (°C)

TEMPERATURA DO

AR (°C)

PONTO

1

PONTO

2

PONTO

3

10:14 70 67 75 65

10:19 86,6 88 97 85

10:24 87,8 87 93,6 87

10:34 85,3 85 88 81

10:39 94,1 92 96,2 89

10:44 99,6 98 102 94

10:49 10,4 100,5 103,2 98

10:54 99,3 100,1 103 97

10:59 101,1 101,1 106 99,2

11:04 100 102 114 96

11:09 102 103 113 91


De acordo com a Tabela 4. Verificou-se que a temperatura máxima atingida

pela placa absorvedora (metal) foi no ponto 3 de 114 °C. Analisando a temperatura

interna do ar a máxima foi de 99,2°C.

O ensaio com carga, se deu imediatamente ao fim do ensaio sem carga, ou

seja, às 12h05min. Introduziram-se três Pizzas e logo após três bolos de chocolate.

Estes alimentos foram retirados em diferentes instantes.

28

Segundo o fabricante dos dois alimentos utilizados, a Pizza deveria ficar pronta

entre oito a dez minutos, a uma temperatura de pré-aquecimento de 250°C em um

forno à gás. Já os bolos o indicado é fazer um pré-aquecimento no forno a 180°C por

10min, com indicação de 30min no forno. Ás Pizzas no forno fabricado, ficaram

prontas em 17min já os Bolos em 2h10min.

Tabela 5– Tempo de Prepado das Pizas

TEMPO PARA ASSAMENTO DAS 3 PIZZAS

HORÁRIO DE INÍCIO 11:22

HORÁRIO DE FIM 11:39

TEMPO

17

min


Tabela 6 –Tempo de preparo dos bolos

TEMPO PARA ASSAMENTO DOS 3 BOLOS

HORÁRIO DE INÍCIO 12:05

HORÁRIO DE FIM 14:10

TEMPO 2h:10min


As Figuras 22 e 23 ilustram o resultado da cozimento dos dois alimentos, ou

seja, das Pizzas e dos Bolos, respectivamente.

29

Figura 23 – Pizza após ensaio


Figura 24 – Bolos após ensaio


Os produtos usados na fabricação e seu respectivo preço, estão descritos na

Tabela 7, alguns desses materiais foram doados assim diminuindo o valor total do

forno.

30

Tabela 7 – Custo dos materiais (Reais)

MATERIAIS PREÇO

LUMINÁRIA EM DESUSO DOADA PELO LMHES

MADEIRA EM DESUSO DOADA PELO LMHES

VIDRO DOADA PELO LMHES

PREGOS R$ 2,00

ARREBITES R$ 3,00

COLA DE SAPATEIRO DOADA PELO LMHES

ESPELHOS DOADA PELO LMHES

CHAPA DE ALUMÍNIO DOADA PELO LMHES

TINTAS R$ 36,00

CHAPA DE METAL DOADA PELO LMHES

SUPORTE DE BORRACHA R$ 2,00

TOTAL R$ 43,00


A Tabela 7 mostra que para se construir um forno solar com materiais

recicláveis acaba se tornando viável, pois o valor final é relativamente baixo quando

comparados com um forno convencional que tem os preços dos fogões relativamente

alto e o gasto com o botijão de gás de cozinha, além de ter uma alta durabilidade, fácil

manutenção, que por muitas vezes se dá somente pela revitalização da pintura do

forno.

O gasto foi de aproximadamente R$43,00 e lembrando que muito desses

materiais foram doados.

Quanto as dimensões do forno foram as seguintes:

• Interna

o Largura = 36 cm;

o Comprimento = 137 cm;

o Altura = 10 cm;

o Volume = 0,049320m³ =49 litros

• Externa

o Largura = 40cm;

o Comprimento =141 cm;

o Altura = 11 cm;

o Volume = 0,062040m³ = 62 litros

Quanto as dimensões do Espelho:

31

• Comprimento = 1,34 cm

• Largura= 32,5 cm

• Área = 4255 cm²≅ 0,284 m²

Na avaliação do peso, ele acaba se tornando leve, pesando aproximadamente

15 kg. Já o transporte é facilitado devido ao peso ser distribuído ao longo do

comprimento de 141 cm.

32

5 Conclusões

O trabalho teve o objetivo, a construção de um forno solar a partir de uma

luminária em desuso, no qual foi alcançado com sucesso, já que o intuito era construí,

um forno solar de baixo custo que contribuísse com o desenvolvimento sustentável e

atendesse principalmente a população carente, foi 90% fabricado com material

reciclável.

O forno foi viável na cocção de alimentos, sendo sua eficiência 66%

considerando assim aceitável, o custo de fabricação foi em torno de R$43,00, tendo

um manuseio simples e de fácil montagem, um dos pontos principais do forno é a

capacidade de assar mais de um alimento de uma única vez. A fabricação do forno

solar com materiais recicláveis contribui para a redução do desequilíbrio ecológico,

pois retira do meio ambiente gases danosos.

Podemos melhorar a eficiência do forno fazendo a substituição dos espelhos

refletores, como os mesmos estavam boa parte oxidados, dificultando assim a

incidência de raios solares. Não foi feito furos na lateral do forno para colocar os

termopares, fazendo com que liberasse calor para o meio ambiente, os vidros também

não estavam vedados no forno, fazendo essas correções, irá aumentar a eficiência de

assamento do forno.

33

6 Referências

Matriz energética brasileira-2006. A explosão do álcool | Ilumina

IGNATIOS, 2006 apud PACHECO, 2006

Solar and Wind Energy Resource Assessment (SWERA)

Protocolo de Kyoto - Protocolo de Kyoto

protocolo-de-kyoto.info

EPE (Empresa de Pesquisa Energética)

https://www.redalyc.org/pdf/4675/467549116011.pdf

https://www2.senado.leg.br/bdsf/bitstream/handle/id/507212/TD166-

RutellyMSilva.pdf?sequence=1

http://www.fogaosolar.net/cookit.html

http://files.pet-quimica.webnode.com/200000109-

5ab055bae2/Conceitos_Energias_renov%C3%A1veis.pdf

FAO Wood Energy. Promoting Sustainable Energy Systems. Forest Products

Division. Rome, October, 2003.

MAGALHÃES,Lana. CiclodaÁgua. Disponível em:

<https://www.todamateria.com.br/ciclo-da-agua/>. Acesso em: 25 nov. 2018.

PORTALSOLAR. O Que É Energia Solar? Disponível em:

<https://www.portalsolar.com.br/o-que-e-energia-solar-.html>. Acesso em: 01 nov.

2018.

RENOVASOL, O Sol – fonte de energia. Disponível em:

<http://www.renovasolenergia.com.br/o-sol-fonte-da-energia/>. Acesso em: 29 out.

2018.

SINDIGÁS,Cartilha Faq. GLP e o Meio Ambiente. Disponível em:

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MKA9p7yIa2yrorqxbU

https://www.ilumina.org.br/matriz-energetica-brasileira-2006-a-explosao-do-alcool/

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Documents

ESTUDO DE UM FORNO SOLAR FABRICADO A PARTIR DE UMA