Instituto Politcnico de Portalegre Escola Superior de Tecnologia e Gesto

EERA Unidade e transferncia V

Projecto U.T V

Forno Solar

Docentes: Discentes:

Anabela Oliveira Carla Reia N 15436

Rui Pulido Valente Maria Ortiz N 12434

Fbio Coelho N15435

Joo Salsa N15429

Jos Macareno N 12789

Outubro 2013

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ndice

1. Objetivos ......................................................................................................................... 2

2. Introduo ...................................................................................................................... 3

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

4. Geometria Solar .............................................................................................................. 5

5. Reflexo e Refrao ........................................................................................................ 9

6. Forno Solar.................................................................................................................... 11

7. Tipos de fornos ............................................................................................................. 12

8. Fornos Solares Definio da soluo ........................................................................... 15

9. Materiais ....................................................................................................................... 16

9.1 Materiais estruturais ................................................................................................. 17

9.2 Materiais de Isolamento ................................................................................................. 18

9.3 Materiais Refletores ....................................................................................................... 19

Espelhos .......................................................................................................................... 19

9.4 Materiais transparentes ................................................................................................. 22

Lentes .............................................................................................................................. 22

Vidros .............................................................................................................................. 24

10. Acumuladores de Calor ................................................................................................. 38

Sistema de serpentinas para aquecimento do Forno Solar ................................................... 38

11. Projecto Forno Solar .................................................................................................... 41

Modo de construo: ........................................................................................................... 41

Esboo do Forno Solar .......................................................................................................... 46

Vista frontal do Forno Solar ...................................................................................... 46

Vista de cima do Forno Solar ..................................................................................... 46

Vista tridimensional do Forno Solar .......................................................................... 47

Custos dos materiais ............................................................................................................ 48

12. Concluso ..................................................................................................................... 49

13. Bibliografia .................................................................................................................... 50

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1. Objetivos

Este trabalho tem como objetivo principal a construo de um Forno Solar,

capaz de cozinhar e aquecer alimentos, podendo este ter outras funes, tal como

secagem de frutos ou ervas aromticas. Este trabalho surge da necessidade cada vez

maior de utilizar energias renovveis em substituio das energias fsseis, tal como a

energia solar, enquadrando-se o tema na nossa rea de formao. Assim, um dos

objetivos secundrios passa por demonstrar o potencial dos forno solares como

mtodo para cozinhar alternativo aos fornos a lenha/carvo, de forma a sensibilizar as

pessoas para a utilizao deste tipo de energia renovvel. Este forno ir resultar da

investigao de tcnicas e modelos j utilizados atualmente, fazendo apenas algumas

modificaes importantes para aumentar o rendimento do mesmo, tal como aumentar

a sua Potncia para obter um menor tempo de cozedura dos alimentos e o Isolamento

Trmico para reduzir as perdas, conservando melhor a energia absorvida.

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2. Introduo

A nossa ideia para o projeto que vai ser apresentado nos workshops a

construo de um forno solar.

Com este projeto pretendemos relacionar a parte energtica com a ambiental

visto que usada apenas a energia solar metendo assim de parte o uso de energias

provenientes de combustveis fsseis.

Existem vrios tipos de fornos solares pelos quais poderemos optar,

dependendo dos recursos monetrios disponveis. Existem fornos bastante simples em

que apenas so necessrios materiais simples, muitos que temos acesso nas nossas

casas como por exemplo uma caixa de carto, papel de alumnio, uma cartolina preta e

um plstico. Outros fornos so um pouco mais complexos uma vez que necessria a

utilizao de vidros e espelhos que no s so mais caros mas tambm so mais

difceis de trabalhar, no entanto o seu rendimento bastante mais elevado.

Um forno solar pode ser construdo por exemplo com a utilizao de uma caixa

com um fundo preto, e com uma tampa de vidro com abas refletoras, que pode ser

papel de alumnio ou um espelho. O processo simples, o fundo preto absorve a

energia e converte-a em radiao infravermelha, esta ao ser refletida no consegue

atravessar o vidro, uma vez que o seu comprimento de onda maior logo tem menos

energia. Depois surge o efeito de estufa, a radiao fica retida dentro da caixa e

transmite a energia sob a forma de calor ao alimento que se encontre dentro do forno.

Este trabalho vai ser constitudo inicialmente por uma abordagem terica sobre

energia e geometria solar bem como as propriedades que influenciam a direo solar,

em seguida vai ser apresentado o tema bem como os materiais possveis para a sua

concretizao, nos materiais vai ser realizada uma explicao terica cerca de cada

um dos tipos de materiais. Seguidamente iremos abordar as tcnicas de

armazenamento de calor no forno, que ser atravs de um acumulador de calor. Por

fim ser apresentado o mtodo de construo, os materiais escolhidos bem como

todos os custos envolvidos no projeto.

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3. Energia Solar

A radiao solar a designao dada energia radiante emitida pelo Sol, em

particular aquela que transmitida sob a forma de radiao eletromagntica. A

radiao solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre cerca de 1,5 x 1018 kWh

de energia, a qual a principal responsvel pela dinmica da atmosfera terrestre e

pelas caractersticas climticas do planeta. Esta radiao essencial para as plantas,

para assim realizarem a fotossntese. As plantas fornecem energia para todo o Planeta

Terra e mantem este em condies ideais para a sobrevivncia das espcies. Os

combustveis fosseis, tal como o Petrleo, gs e carvo, so o produto da

decomposio dos restos de plantas e animais.

A Energia solar consiste no aproveitamento da radiao solar emitida pelo Sol e

que chega ao Planeta Terra, atingindo o topo da atmosfera com uma potncia trmica

mdia de 1370 W/m. Se bem que nem toda a energia que chega ao topo da

atmosfera a atravesse, ainda assim uma parte significativa dessa energia atinge a

superfcie terrestre.

A energia total que atinge a superfcie da terra composta pela radiao

directa (luz solar directa) e pela radiao solar difusa (energia reflectida pelo meio

envolvente e pela atmosfera).

Em Portugal, a energia recebida por m de terreno horizontal por ano , em mdia,

cerca de 1700 kWh. A energia solar pode ser utilizada directamente para aquecimento

energia solar trmica ou para a produo directa de electricidade energia solar

fotovoltaica.

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4. Geometria Solar

A energia que o sol radia originada por processos de fuso nuclear e,

seguidamente, emitida para todas as direes do espao.

Uma pequena frao correspondente poro de ngulo slido vista do sol

atinge o limite da atmosfera da Terra.

Assim os raios solares que incidem num ponto da superfcie terrestre podem

considerar-se paralelos, pois como se v na figura 30, o ngulo muito reduzido.

Ilustrao 1 Sol quando atinge a superfcie

A direo dos raios solares, definida pela posio do sol relativamente

superfcie onde eles incidem, condiciona a quantidade de energia recebida por essa

superfcie. Para uma mesma intensidade de radiao, a superfcie recebe maior

quantidade de energia quando o ngulo de inclinao dos raios menor.

A posio do sol em relao a um ponto da Terra varia ao longo de um dia e

tambm durante o ano. Um observador situado num ponto da superfcie da Terra v o

Sol tomar diferentes posies no seu horizonte visual durante o dia, devido ao

movimento de rotao da Terra em torno do eixo polar.

No vero o Sol assume posies mais altas (em relao ao plano horizontal do

lugar em que se encontra do que no inverno), devido ao movimento de translao.

Sendo a rbita elptica, a distncia Terra-Sol varia ao longo do ano 1,7%, em

relao distncia mdia, estando a Terra mais perto do Sol a 21 de Dezembro,

afastada a 21 de Junho.

A inclinao do eixo de rotao da Terra em relao ao eixo da elptica origina

que a durao dos dias e das noites para um dado dia do ano sejam diferentes

conforme a latitude. Essa mesma inclinao responsvel pela alterao do ngulo

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formado pelo eixo de rotao e o plano da elptica, durante o ano, o que, excepto no

Equador, provoca variaes anuais da durao do dia. portanto responsvel pelas

estaes do ano.

Dois sistemas de coordenadas permitem referenciar a posio do Sol em

relao Terra em qualquer ponto dessa trajetria:

- Sistema equatorial horrio Com um referencial ortogonal definido pelo plano

do Equador terrestre e pelo eixo dos polos (coordenadas equatoriais).

- Sistema horizontal Com referencial ortogonal definido e pelo plano

horizontal do lugar e pela vertical do lugar (coordenadas horizontais).

As coordenadas equatoriais so:

A declinao, d : ngulo formado pelo plano da elptica com o plano do Equador

que varia entre 23,5 a 21 de Dezembro e + 23,5 a 21 de Junho: a sua variao em

funo do dia do ano, contado a partir de 1 de Janeiro (n) dado por:

d=23,5 sin (360

)

O ngulo horrio, H: ngulo formado pelo plano meridiano passando pelo Sol

(circulo horrio) e o plano meridiano do lugar. Quando o plano meridiano do lugar

passa pelo crculo horrio (H=0) meio-dia em tempo solar verdadeiro (TSV). Uma

rotao da terra (24 horas) corresponde a 360 de ngulo horrio e a cada diferena

de 15 (360/24) corresponde 1 hora em TSV. Assim encontramos uma relao entre o

ngulo horrio e o tempo solar: H=15 (TSV-12).

As coordenadas horizontais so, mais fceis para referenciar a posio do sol a

um dado local (P) da Terra com latitude (l) e longitude () conhecidas, so:

- O Azimute, a: ngulo formado pelo plano vertical passando pelo Sol e a

direco do Norte geogrfico do local, contado positivamente no sentido N E.

- A altura solar, h: ngulo formado pela direco do Sol e o plano horizontal do

lugar.

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Ilustrao 2 Indicao do Azimute e da Altura Solar

As coordenadas dos dois sistemas podem ser relacionadas :

Ao nascer e pr-do-Sol a altura do sol nula. Assim, da primeira equao,

encontramos:

Sendo H0 o ngulo horrio ao nascer ou pr-do-Sol ( valor negativo ou positivo,

respectivamente).

A durao do dia corresponde diferena entre o nascer e o pr-do-Sol . Como

vimos anteriormente, a diferena de ngulos horrios pode traduzir-se em tempo solar

(15-1H) , pelo que podemos calcular o tempo de durao do dia:

arc cos (-tgl tgd)

O tempo solar baseado no movimento aparente do sol , sendo definido o

meio-dia solar quando o sol cruza o meridiano do lugar. Uma vez que a velocidade de

translao da Terra no constante, os meios dias solares de dois dias consecutivos

no se verificam no mesmo tempo terrestre.

O tempo num dado local dependente da longitude desse local, pois 15 de

longitude equivalente a 1 hora de diferena.

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Em relao a um meridiano de referncia o de Greenwich temos:

TSM = TMG + l/15

Onde a longitude (l) positiva na direco Este.

TSV= TMG + l/15 +ET

O tempo legal o tempo oficialmente aceite num Estado. Em Portugal:

TL= TMG+1 hora (Abril a Setembro)

TL = TMG (Outubro a Maro)

A relao entre o tempo solar verdadeiro e o tempo legal :

TSV = TL+ ET + l/15 1 (entre Abril e Setembro);

TSV = TL+ ET + l/15 (entre Outubro e Maro)

Direco dos paineis Reflectores

O clculo do ngulo de incidncia dos raios solares para qualquer dia e hora

pode ser obtido pelas expresses analticas, apresentadas anteriormente.

Relativamente inclinao ptima de um painel solar de modo a captar a maior

quantidade de energia solar possvel varivel ao longo do ano dado que os raios

solares tambm variam a sua inclinao durante o ano. A orientao ptima varia ao

longo do dia onde o painel deveria seguir a trajectria aparente do sol. Estes factos

deram origem aos sistemas seguidores que se movem em dois planos (Horizontal e

Vertical) de modo a acompanhar essas variaes de trajctoria do Sol.

Na tabela, podemos verificar que para uma latitude de 39 (Portalegre) os

valores da decalagem entre hora legal e hora solar, declinao (ngulo entre a direco

da radiao e o plano do equador), altura do sol ao meio dia solar e durao do

perodo diurno para os 12 meses do ano.

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5. Reflexo e Refrao

Reflexo e refrao so fenmenos muito comuns que esto relacionados com

a propagao da luz. Quando a luz se propaga num determinado meio e atinge uma

superfcie, como um bloco de vidro transparente, por exemplo, parte dessa luz volta

para o meio no qual se estava a propagar.

Este fenmeno chamado de reflexo da luz. J a outra parte da luz que passa

para o outro meio, a refrao da luz. Esses dois fenmenos ocorrem de forma

simultnea, no entanto, pode acontecer que um prevalea sobre o outro, mas isso

depende da natureza dos meios em que a luz esta a incidir bem como das condies

de incidncia.

A reflexo pode ser definida de duas formas. Quando a superfcie de incidncia

da luz totalmente polida, o raio refletido bem definido. Quando isso acontece

dizemos que ocorreu reflexo especular. Por outro lado, se a superfcie de incidncia

for irregular, cheia de imperfeies, os raios de luz no so bem refletidos e dessa

forma, ocorre o que chamamos de reflexo difusa.

Ilustrao 3. Refleco especular Ilustrao 4. Reflexo difusa

A reflexo luminosa regida por duas leis que so:

Primeira Lei - diz que o raio incidente, o raio refletido e a normal

pertencem ao mesmo plano;

Segunda Lei diz que o ngulo de reflexo igual ao ngulo de

incidncia, ou seja, r=i

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A refrao da luz responsvel por uma serie de fenmenos ticos que

acontecem no quotidiano, como por exemplo, o facto de a profundidade de uma

piscina parecer menor do que realmente . Esse fenmeno acontece devido

diferena entre os meios de propagao.

Podemos definir a refrao como sendo o fenmeno que consiste na mudana de

direo de propagao dos feixes de luz quando esses passam de um meio para outro.

No ano de 1620, o matemtico e astrnomo holands Snell Descartes descobriu uma

relao para calcular o ngulo de desvio dos raios solares. Essa relao leva o seu

nome Lei de Snell e pode ser escrita da seguinte forma:

n1sen1 = n2sen2

Onde:

n1 e n2 so os ndices de refrao;

1 e 2 so os ngulos de incidncia e de refrao.

Ilustrao 5 fenmeno de reflexo e refrao

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6. Forno Solar

Um forno solar (concentrador de energia solar) um sistema ptico atravs do

qual a radiao solar captada e concentrada numa pequena rea (geralmente numa

caixa), onde so obtidas altas temperaturas capazes de cozinhar alimentos. Os fornos

solares podem apresentar diversos tamanhos, desde paraboloides de 1 m2 at

sistemas pticos de milhares de m2 com refletores conhecidos por helistatos. Os

fornos solares so ferramentas ideais para o estudo de propriedades qumicas, pticas,

eltricas e termodinmicas dos materiais no mbito de altas temperaturas, como o

estudo das fases, vaporizao, fuso, purificao e estabilizao de material cermico,

crescimento de cristais, calor especfico e condutncia trmica.

O forno solar no geral constitudo de uma caixa com fundo preto e uma

tampa de vidro capaz de ser atravessada pela radiao solar e possui abas refletoras. O

fundo preto absorve a luz solar e converte-a em radiao infravermelha, que no passa

pela tampa de vidro, criando o efeito estufa. Desta forma, possui a capacidade de

atingir temperaturas na ordem dos 150C sendo capaz de cozinhar e aquecer

alimentos.

Ilustrao 6 - Exemplo de um forno solar

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7. Tipos de fornos

Existem trs tipos de fornos pelos quais poderemos optar, nomeadamente,

forno solar em painel, forno solar em parablica e forno solar em caixa. Estes trs tipos

de forno apresentam algumas caractersticas diferentes como vamos analisar em

seguida:

Forno Solar em Caixa A variedade mais comum e popular , provavelmente,

o forno de caixa. A sua concepo baseada no conceito de um forno tradicional

moderno onde o alimento colocado dentro de uma caixa isolada, para fins de

manuteno ou prendendo os raios solares que foram convertidas em energia

calorfica.

Para os raios solares serem convertidos em energia calorfica tm de atingir o

utenslio de cozinha (panela), geralmente passando por uma cobertura transparente

(vidro, plstico). A caixa pode ser feita de qualquer tipo de material, tais como,

madeira, plstico. Normalmente duas caixas de vrios tamanhos so necessrios a fim

de ser capaz de se adaptar uma menor dentro da maior, criando assim uma abertura

ou um espao em torno da pequena caixa, que pode ento ser preenchida com l de

vidro, cortia ou esferovite, para formar uma barreira isolante entre as duas caixas de

forma a impedir a fuga de calor.

Por fim, uma tampa transparente no topo da caixa necessria para permitir

que os raios solares entrem na caixa, e ao mesmo tempo evitar o escape dos raios

(UV), que j se tornaram energia solar (calor), como possvel observar na fgura2.

Os painis refletores so adicionados para concentrar os raios solares, para a

panela de forma a obter-se maiores temperaturas e eficcia.

Estes fornos podem atingir temperaturas de 150C.

Ilustrao 7 - Forno Solar em Caixa

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Forno Solar Parablico Este tipo de forno, geralmente, o mais difcil de

construir, devido ao seu design e aos materiais necessrios. O forno parablico tem a

forma de um prato parablico que direcciona os raios UV para a panela. Esta encontra-

se no percurso onde a concentrao de energia solar mais alta, como possvel de

observar na figura 3.

O forno parablico pode atingir temperaturas elevadas (200C) mais

rapidamente, por isso, os alimentos so cozinhados de forma mais rpida, no entanto,

frequentemente tem que se ajustar o angulo da parablica para uma maior eficcia.

Alguns fornos parablicos so limitados na quantidade de alimentos que

possvel preparar ao mesmo tempo, uma vez que tm geralmente apenas um

recipiente que suspenso no centro do caminho da mais alta concentrao de energia

solar, mas como mencionado anteriormente podem cozinhar mais rpido.

Ilustrao 8 - Forno Solar Parablico

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Forno Solar em Painel Este tipo de forno incorpora elementos do forno de

caixa e do forno parablico. usado um reflector com painis que concentra os raios

solares num recipiente de cozinha (panela), que tem que ser escurecida, envolta em

um saco transparente isolante ou num recipiente de vidro transparente. Estes fornos

so simples de construir e requerem relativamente poucos materiais e ferramentas.

Alm disso, estes fornos no exigem tanto de ajuste e de superviso como os fornos

parablicos, como possvel observar na figura 4.

Os fornos solares permitem que os alimentos atinjam temperaturas internas

idnticas s de um fogo com baixa potncia, no entanto, continuam a ter

temperaturas elevadas (105C a 120C).

Ilustrao 9 - Forno Solar em Painel

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8. Fornos Solares Definio da soluo

Os fornos solares so utilizados na converso trmica da radiao solar para

cozinhar ou aquecer alimentos.

Como tal, depois da pesquisa anteriormente realizada optmos pelo forno em

caixa constitudo pelos seguintes elementos

Ilustrao 10 Elementos constituintes do forno

A escolha foi realizada com base nas vantagens que este possui em relao aos

restantes tipos de fornos, nomeadamente por este ser mais verstil e apresentar mais

funcionalidades, tais como o facto de existir a possibilidade de este conservar o calor

no seu interior por mais tempo, e no apresentar riscos na sua utilizao.

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9. Materiais

Na construo do forno solar, os materiais utilizados so muito importantes.

Tem que se ter em ateno a sua resistncia, pois estes podem estar em contacto com

temperaturas muito elevadas. Tambm no se pode descuidar a sua resistncia,

relativamente humidade, uma vez que libertado vapor de gua.

Desta forma, existem quatro tipos de materiais:

Materiais estruturais garantem a estabilidade dimensional do conjunto

(madeira, carto, plstico, cimento, tijolos refratrios);

Materiais de isolamento minimizam as perdas trmicas do conjunto (l de

vidro, esferovite, cortia);

Materiais refletores minimizam as perdas trmicas no interior do forno e

podem concentrar a radiao solar no interior (folha de alumnio, espelhos);

Materiais transparentes permitem a criao do efeito de estufa no interior da

caixa (vidro, plstico, lentes);

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9.1 Materiais estruturais

Neste projeto fundamental a escolha de um material estrutural que possua

uma boa resistncia trmica para que o nosso forno tenha o mximo rendimento.

Propriedades da madeira:

Higrospicidade

Leve

Durabilidade

Dureza

Resistncia compresso

Resistncia traco

Resistncia flexo

Propriedades do Plstico:

Higinico e assptico,

Leve

Durvel e fivel

Resistncia compresso

Resistncia traco

Resistncia flexo

Resistncia trmica

Propriedades do tijolo refratrio:

Alta resistncia trmica

Baixa densidade

Resistncia mecnica

Inodoro

No deteriorvel

Incombustvel

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9.2 Materiais de Isolamento

Neste projecto fundamental a escolha de um bom isolante trmico para que

o nosso forno tenha o mximo rendimento.

Um isolante trmico pode ser definido como um material que dificulta a

dissipao de calor ou seja, estabelece uma barreira passagem do calor entre dois

meios que normalmente tenderiam a igualar as suas temperaturas. Neste caso em

especifico necessrio um bom isolante para que o calor no passe da parte de dentro

para a parte de fora do forno.

O esferovite, a l de vidro, a l de rocha e o aglomerado de cortia so alguns

dos materiais que podem ser utilizados como isolantes por terem uma condutividade

trmica baixa como se pode observar na tabela seguinte.

Aps analisadas as condutividades trmicas dos materiais observa-se

que se destaca a l de rocha e o aglomerado de cortia.

Material Condutividade Trmica (W.m/K)

L de vidro 0,065 a 0,056

Esferovite 0,045 a 0,034

L de rocha 0,041 a 0,03

Aglomerado de cortia 0,039

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9.3 Materiais Refletores

tambm de grande importncia a escolha de materiais refletores adequados

para que a reflexo dos raios solares seja grande e uniforme. Existem vrios tipos de

materiais que podem ser utilizados nesta funo como por exemplo o alumnio ou

espelhos.

Neste caso necessrio ter em ateno os ndices de refleco dos materiais

para que seja refletida a mxima radiao possvel para a zona onde se encontram os

alimentos.

Espelhos

Espelhos planos

Quando um raio luminoso reflectido em uma superfcie polida, o ngulo de

incidncia igual ao ngulo de reflexo, considerados em relao normal. Se a

superfcie reflectora for plana, o espelho denominado plano.

Ilustrao 11 Espelho plano

As principais propriedades de um espelho plano so:

A simetria entre os pontos do objeto e imagem;

Maior parte da reflexo que acontece regular.

Propriedades das imagens nos espelhos planos:

A imagem se forma atrs do espelho (imagem virtual) atravs do

cruzamento dos prolongamentos dos raios que incidem o espelho, e a

mesma tem o mesmo tamanho do objeto;

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A distncia do objeto ao espelho igual distncia da imagem ao

espelho, portanto, so simtricos;

H reverso da imagem (direita para a esquerda ou vice-versa, mas no

de baixo para cima);

Cada imagem corresponde a um objeto;

A imagem e o objeto no se sobrepem.

Espelhos Esfricos (Cncavos e Convexos)

Espelho esfrico toda e qualquer superfcie espelhada (refletora), na forma de

uma calota esfrica. O espelho esfrico pode ser cncavo ou convexo, dependendo da

face onde se encontra a superfcie refletora. Se a parte espelhada for externa, ento o

espelho convexo. Se a parte espelhada for interna, o espelho chama-se cncavo.

Ilustrao 12 Espelho Esfrico Cncavo Ilustrao 13 Espelho Esfrico Convexo

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Focos dos espelhos esfricos

Para os espelhos cncavos pode ser verificar que todos os raios luminosos que

incidirem ao longo de uma direo paralela ao eixo secundrio passam por (ou

convergem para) um mesmo ponto F - o foco principal do espelho.

No caso dos espelhos convexos, a continuao do raio refletido que passa

pelo foco. Tudo se passa como se os raios refletidos se originassem do foco.

A reflexo da luz em espelhos esfricos como a reflexo da luz em espelhos

planos, isto , as duas leis da reflexo tambm so obedecidas neste tipo de espelho.

Ilustrao 16 - Reflexo em Espelhos Esfricos

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9.4 Materiais transparentes

Como foi referido no documento inicial, necessria a utilizao de um

material transparente para que os raios solares entrem para o forno, e ao

atravessarem o material, a radiao perde energia, o que a impossibilita de voltar a

sair.

Existem dois tipos de materiais que podemos utilizar, vidros ou lentes. A

utilizao de uma lente seria o ideal, uma vez que esta actua como um concentrador

de radiao e poder aumentar a eficincia do nosso forno. No entanto existe um

seno para o uso destas, a radiao pode ser excessiva fritando assim os alimentos.

Lentes

Lente um meio transparente limitado por duas superfcies curvas. A forma

mais comum de lentes so as de faces esfricas, ou uma face plana e outra esfrica,

denominadas por Lentes Simples.

Para efeito de classificao, pode-se dividir as lentes em dois grupos: as lentes

convergentes e as divergentes. As lentes convergentes so mais espessas na parte

central, ao passo que as lentes divergentes so mais espessas nas bordas. O centro de

curvatura C1 o centro da esfera de raio R1 que origina uma face da lente; o centro C2

o centro da esfera de raio R2 que origina a outra face da lente. A linha que une os

dois centros de curvatura denomina-se de eixo principal.

Uma importante simplificao no tratamento matemtico das lentes abstrair

a sua espessura. Com este propsito, cria-se a figura da lente delgada, isto , uma

lente cuja espessura pode ser desprezada para todas as finalidades de formao de

imagem.

Um feixe de raios paralelos ao eixo principal, incidindo numa lente

convergente, refracta-se, convergindo para um ponto denominado foco F. A distncia

do centro geomtrico da lente ao foco a distncia focal f da lente. Se o feixe incidir

numa lente divergente, o feixe se refracta, divergindo de um ponto localizado no

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mesmo lado do feixe incidente, formando o foco virtual, como possvel verificarmos

na figura 17 e na figura 18.

Ilustrao 17 Lentes Delgadas Convergentes Ilustrao 18 Lentes Delgadas Divergentes

Conhecendo-se o tamanho (O) e a distncia (p) de um objecto em relao a

uma lente, e a direco de incidncia de dois dos trs raios principais, pode-se

determinar graficamente o tamanho (I) e a distncia (p') da imagem.

Os trs raios principais de uma lente convergente so:

1. Um raio paralelo ao eixo principal refracta-se na lente passando pelo foco;

2. Um raio que passe pelo centro geomtrico no sofre desvio (porque a

lente delgada e o centro geomtrico coincide com o centro ptico);

3. Um raio que passe pelo foco refracta-se na lente e sai paralelamente ao

eixo principal.

Ilustrao 19 Raios Principais na Lente Convergente Ilustrao 20 Raios Principais na Lente Divergente

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Vidros

Em cincia dos materiais o vidro uma substncia slida e amorfa que

apresenta temperatura de transio vtrea. O termo refere-se a um material cermico

transparente geralmente obtido atravs do arrefecimento de uma massa lquida

base de slica.

Na sua forma pura, o vidro um xido metlico de elevada dureza,

essencialmente inerte e biologicamente inativo. Estas propriedades desejveis

conduzem a um grande nmero de aplicaes. No entanto, o vidro geralmente frgil.

O vidro comum obtm-se por fuso do dixido de silcio, (SiO2), carbonato de

sdio (Na2CO3) e carbonato de clcio (CaCO3), atravs de temperaturas superiores a

200C.

O componente bsico do vidro a slica. Entretanto, os problemas de

manufatura tm historicamente levado introduo de outros materiais de forma a

facilitar a produo e melhorar a qualidade. Infelizmente esses materiais trouxeram

com eles um declinador das propriedades que agora procuramos.

Considerando o nmero de materiais disponveis e necessrios para fabricar o

vidro, pode-se constatar que o nmero de tipos de vidro que podem ser feitos

infinito, com composies e desempenhos muito variveis.

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Propriedades e Funes do Vidro

Propriedades Fsicas

As propriedades intrnsecas e essenciais do vidro so transparncia e

durabilidade. Outras propriedades tornam-se significantes de acordo com o uso que

colocado ao material. Os vrios fluidos e modificadores que so introduzidos para

facilitar a manufatura, tem efeito nessas propriedades, e o desenvolvimento do design

do vidro tem identificado uma larga srie de composies para permitir a realizao de

especficas propriedades fsicas. As principais propriedades significantes so:

Transmisso de luz/radiao, reflexo, absoro

ndice de Refrao

Propriedades Trmicas

Resistncia

Dureza e Resistncia abraso

Durabilidade Qumica

Durabilidade s Intempries

Densidade

Resistncia ao Fogo

Isolamento Acstico

A Transparncia e o Foto

O conceito de transparncia exige considerao nos termos de partculas

interagindo com a estrutura atmica dos materiais. Conhecer como os fotes viajam

atravs do vidro, e mantm ou perdem a sua energia em relao ao comprimento de

onda, particularmente importante, no desenvolvimento de novos materiais com o

prognstico de desempenhos de transmisso.

O vidro, ao contrrio de outros materiais de construo como o beto, madeira

e o ao, transparente parte visvel do espectro solar, tornando-o um produto muito

especial para a arquitectura e para mltiplos usos.

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A teoria das partculas da radiao electromagntica prope que a luz consiste

de fotes de diferentes nveis de energia, e que esses nveis correspondem s cores

que vemos. A energia do foto inversamente proporcional ao comprimento de onda:

quanto maior a energia do foto menor o comprimento de onda. Os fenmenos da

transmisso e da absoro esto relacionados com a aco que os fotes tm nos

electres dos tomos e molculas dos materiais.

Quando absorvido por um material, um foto capaz de perder o excesso de

energia para as vibraes da matriz, resultando no aumento da temperatura do

material que ento emite esse calor como radiao de ondas longas.

Para ser perfeitamente transparente, um material deve ser tal que a separao

da energia de valncia do estado do electro no corresponda energia do foto.

Se essa condio no for alcanada e o material tiver nveis de energia de

separao correspondentes energia do foto de uma cor particular, ento essa cor

ser absorvida.

Num vidro ou outro material colorido transparente, os fotes na regio visvel

no so absorvidos. Na maioria dos vidros, a energia de separao de valncia dos

electres esto na parte ultravioleta do espectro, pelo qual o motivo que eles so

normalmente absorvidos pela luz ultravioleta.

Um transmissor perfeito permitiria a passagem de toda a energia do

comprimento de onda considerado. O vidro nas suas vrias formas, e as capas que

podem ser aplicadas nele, transmite a luz em diferentes comprimentos de onda e

propores.

A Transmisso da Luz no Vidro

A transparncia um fenmeno complexo.

Um vidro tpico tem um coeficiente de transmisso de 60 a 80% entre 400 e

2500nm.

Os vidros coloridos ou tingidos tm uma aparncia e desempenho derivando de

graus diferentes de absoro e transmisso fornecido por qumicos no derretimento.

27

O desempenho de um vidro com um transmissor um resultado da

transmisso selectiva atravs de bandas de ondas ultravioleta, luz visvel e

infravermelha.

A gama de selectividade de transmisso entre luz e calor limitado pelo facto

de que 53% de toda energia na radiao solar est no espectro visvel. Portanto no

possvel diminuir a transmisso de radiao total abaixo de 50% sem afectar a

transmisso de luz.

A cor aparente de um vidro o resultado da absoro selectiva da gama visvel

espectral. Desta forma, um vidro verde aparece desta cor por causa da reflexo da luz

em direco ao observador ter sofrido absoro da luz de outros comprimentos de

onda espectral. Adicionando colorantes, a transmisso da luz do vidro reduzida.

Vidros comerciais correntes, usualmente introduzem colorantes ao mesmo tempo que

reduzem o contedo de xido de ferro, e assim diminuem a viso.

ndice de Refraco

O ndice de refraco para o vidro varia de acordo com o comprimento de onda

da radiao considerada e o ndice de todos os vidros diminui com o aumento do

comprimento de onda. O ndice de refraco mais importante para o uso ptico.

Quando a luz passa de um material opticamente mais denso ele

refraccionado da normal. Num ngulo crtico reflectido de volta da superfcie, e

retido dentro do material opticamente mais denso.

Propriedades Trmicas

Propriedades trmicas significantes incluem:

Temperatura mxima de trabalho

Calor especfico

Condutividade trmica

Expanso trmica

Transmisso Trmica

O desempenho mecnico do vidro como um produto de uma fuso e como um

material naturalmente quebradio, altamente dependente das suas propriedades

trmicas.

28

Todos os vidros so caracterizados por trs pontos de temperatura, que

relacionam-se com as viscosidades exibidas:

- Ponto de Amolecimento: Nessa temperatura o vidro funde prontamente sob

carga, e importante para o processo de manufactura. A viscosidade de log n = 7,8

Poises.

- Ponto de Recozimento: esse o ponto sobre o qual a tenso do vidro

aliviada rapidamente. A viscosidade de log n = 13,0 Poises

- Ponto de Tenso: a temperatura sobre a qual libertada a tenso e o fluxo

comea a ter efeito, a temperatura efectiva de trabalho. A viscosidade de log n =

14,5 Poises.

Temperaturas mximas de trabalho para os Pontos de Tenso

Vidros de soda-cal - 520C

Vidros de borossilicato - 515C

Slica fundida (pyrex) - 987C

Deve-se notar que as vantagens do borossilicato no so devido temperatura

de trabalho mas sim pela resistncia ao choque trmico.

Calor Especfico

a medida da quantidade de calor necessrio para aumentar a temperatura do

material em 1C por cada unidade do seu peso.

O calor especfico dos vidros praticamente constante, variando cerca de 25%.

Condutividade Trmica

Expressa o quo rapidamente o calor passa atravs de um material, medido

aqui em W/mC.

Essa propriedade varia muito nos materiais. O valor para o vidro de soda-cal

de 1,02 W/mC, 1,13 W/mC para o borossilicato e 1,38 W/mC para slica fundida.

So valores muito baixos comparados com 71,0 W/mC do ferro e 218,5 W/mC do

alumnio.

Expanso Trmica

uma propriedade crtica no projecto, devido necessidade de criar espao em

torno dos elementos que expandem e por causa dos problemas de diferenas de

expanso entre materiais que so combinados para trabalharem juntos num elemento

de construo.

29

Vidros com baixo coeficiente de expanso trmica tm intrinsecamente boa

resistncia ao choque trmico.

Transmisso Trmica - coeficiente U

As transferncias trmicas atravs de uma parede por conduo, conveco e

radiao so expressas pelo coeficiente U. Este representa o fluxo de calor que

atravessa 1m de parede para uma diferena de temperatura de 1C entre o interior e

o exterior de um local. Quanto mais pequeno for o coeficiente U menor so as perdas

trmicas. A parede envidraada constituda por vidro simples de 6mm apresenta um

coeficiente U de 5,7W/m.K, j o vidro duplo tradicional tem um valor U de 2,7W/m.K.

Grupos Qumicos dos Vidros

Vidros de Soda-cal: Estes so os vidros mais comuns, usados no vidro plano,

lmpadas, recipientes. A famlia de soda-cal a usada no desenvolvimento do

processo float o vidro ainda no derretido, flutua em estanho derretido, quando o

vidro ganha a espessura desejada, recozido, arrefecido e recortado.

Vidros de Slica Fundida ou Quartzo: Esses incluem o nico componente do

vidro realmente importante, e caracterizado por altas temperaturas de fuso e

trabalho, um coeficiente de expanso trmica baixo (e assim resistncia ao choque

trmico), e alta resistncia qumica. O seu alto ponto de fuso torna-o caro e difcil de

produzir como um vidro derretido primrio. Os vidros dessa famlia so aplicados em

laboratrios de alta tecnologia.

Vidros de Borossilicato: Este tipo de vidros so muito resistentes corroso

qumica, e tm um coeficiente de expanso trmica baixo, um tero do coeficiente do

vidro de soda-cal (ainda que seis vezes o da slica fundida). Esta famlia de vidros tem

uma enorme gama de usos: utenslios domsticos (Pyrex) e de laboratrios, lmpadas

e ainda usado em vidros resistentes ao fogo aumentando a resistncia ao impacto e

baixando o coeficiente de expanso.

30

Vidros de Chumbo: um vidro com baixas temperaturas de fuso e trabalho,

possui um alto ndice de refratividade e densidade. A quantidade de xido de chumbo

pode variar muito (at trs vezes), e vidros com alto teor de chumbo (onde o xido de

chumbo compreende at 80% do total) so usados como protectores de radiao.

Vidros de Silicato de Alumnio: Enquanto ainda compreende mais de 50% de

slica, o alumnio, contudo, nesses vidros dez vezes maior do que nos de soda-cal. O

xido de boro tambm est presente, e o vidro resultante tem uma grande

durabilidade qumica.

Produtos do Vidro Plano

Vidros com Lminas (Impressos): Os vidros com lmina distinguem-se dos

vidros planos em razo do seu mtodo de manufactura, antes dos materiais que o

contm. Apesar disso esta uma importante famlia a se considerar, envolvendo a

modificao de uma ou ambas as superfcies durante o processo de laminao, eles

compreendem um grupo de vidros no qual a natureza da transparncia alterada:

distores na superfcie alteram o padro de transmisso da radiao por refraco, e

resulta em obscuraes visuais. O desenvolvimento recente no desenho e manufatura

de padres abriram uma nova gama de produtos.

Vidros com lminas convencionais incluem os seguintes produtos:

Vidro Natural: Este um produto laminado com ou sem uma forma padro,

produzido pelo processo de laminao simples porque opticamente plano,

superfcies paralelas no so exigidas. O padro, se existe um, aparece em uma

superfcie somente.

Vidro Ornamental: Esta categoria cobre o grupo de vidros desenhados para

obscurecer tanto para efeito decorativo como para alta disperso e reduo do brilho

ofuscante.

Vidro Greenhouse: Essa uma forma mais precisa, com uma superfcie

especialmente desenhada para dispersar eventualmente a radiao solar.

Vidro Aramado: Esse usa mtodos de laminao para implantar uma malha

de arame no vidro para sustent-lo junto no caso de quebra, por dano mecnico ou

fogo. Pode ser natural ou polido. Tradicionalmente vidros aramados tm tido um lugar

31

importante no projeto de edifcios, sendo um produto que foi cedo considerado

conveniente para certos locais de risco.

Vidro em Perfil: A forma mais comum de perfil produzida em U, que tem a

vantagem de ser auto-portante. Esses vidros so geralmente translcidos, antes de

transparentes, dando a natureza dispersiva da superfcie criada durante a

manufactura.

Vidro Antigo: Essa famlia que compreende vidros fabricados pelos mtodos de

sopro, desenho ou outro, mantm vivo os velhos mtodos de produo na arte de

fazer vidros.

Vidro Anti-Reflectivo: A reflexo da luz golpeando perpendicularmente a

superfcie do vidro de cerca de 4%, e essa aumenta medida que o ngulo torna-se

oblquo. A necessidade de boa viso atravs de um vidro sem ser interrompida pela

reflexo na superfcie usualmente requerida por vidros e gravuras. Existe,

entretanto, muitas aplicaes onde tal vista uma vantagem, ou essencial como em

lentes e ptica.

Vidros Temperados: Endurecido, ou temperado, uma das duas maneiras

geralmente usadas para melhorar a resistncia do vidro, ao mesmo tempo alterando

as suas caractersticas de quebra. Os termos diferem nas diferentes partes do mundo,

mas uma distino geralmente feita entre o temperado (totalmente temperado) e o

semi-temperado. O temperado necessrio para dar uma fora genuna ao produto; o

semi-temperado usado para aumentar a resistncia ao esforo trmico.

O processo de temperamento envolve o aquecimento e rpido apagamento do

vidro. A temperatura atingida em torno de 150C acima da temperatura de

transformao, e o vidro assim plstico. O arrefecimento da superfcie a solidifica,

enquanto o interior do vidro arrefece e contrai-se. medida que o interior continua a

contrair, ele coloca a zona superficial em compresso, e estendido em tenso. Num

material tpico 60% da parte interior est em tenso, e a parte superficial,

correspondendo a 20% em cada lado est em compresso. Um vidro produzido nesse

estado exibe a caracterstica de quando quebrado fragmenta-se em pequenos

pedaos, comparativamente seguro, sem bordas pontiagudas.

Todos os vidros planos incluindo os vidros de borossilicato, podem ser

temperados. O processo sem dvida transforma o vidro num produto superior em

32

termos de resistncia que tem, entretanto, a desvantagem significante de no poder

ser trabalhado.

Vidros Quimicamente Reforados: Esses vidros so produzidos substituindo

ies pequenos da zona superficial do vidro por ies grandes, assim colocando a

superfcie sob compresso como nos vidros temperados. O processo muito lento e

mais indicado para vidros muito finos que no podem ou so muito difceis de serem

temperados. O uso corrente de lentes pticas reforadas e lmpadas elctricas.

Vidros Laminados: Esses produtos estendem-se desde simples vidros de

segurana at complexos sistemas multicamadas e na combinao de vidros e

plsticos, constituem um grupo de vidros extremamente importante.

O princpio bsico por trs do uso do vidro laminado a combinao do vidro

rgido e durvel mas quebradio, com as propriedades elsticas do plstico. A chave

para o sucesso a adeso, e a tcnica de manufactura convencional envolve o uso de

uma folha de polivinil butiral (PVB). Ele colocado entre duas camadas de vidro,

comprimido e ento autoclavando volta de quatro horas a 140C sob uma presso de

120 lb/sq. O tratamento transforma o PVB numa camada adesiva clara e rija. Uma

grande gama de produtos est disponvel e a tcnica proporciona campo de aco para

a criao, mas o produto mais simples a folha padro de 6.4mm, compreendendo

duas folhas de vidro de 3mm e uma intercamada de 0.4mm de PVB. Tais vidros

apresentam quatro principais vantagens sobre o uso do vidro plano sozinho:

- Segurana: o vidro numa vidraa quebrada permanecer aderido camada

de PVB, minimizando o risco de danos e ferimentos;

- Garantia: vidros laminados, particularmente produtos multi-laminados,

podem proporcionar resistncia a severos ataques armados ou exploso.

Multicamadas de at 100mm ou mais podem ser produzidos;

- Reduo Sonora: A camada elstica de PVB proporciona um efeito de

amortecimento na presso das ondas sonoras.

- Trabalhabilidade: Vidros laminados podem ser cortados com o tamanho

desejado depois da manufactura, o que o torna muito conveniente para o uso como

envidraado de segurana simples, onde o tamanho das esquadrias pode variar.

33

Uma gama adicional secundria de caractersticas de desempenho pode ser

introduzida pelo uso de intercamadas tingidas que o transforma num produto

laminado absorvente de calor.

Enquanto a laminao com PVB a mais convencionalmente usada, o sucesso

de produtos manufacturados com combinao de camadas estende-se ao uso de

outras tcnicas e materiais.

Vidro Aramado: Uma malha ou filamentos de ao na camada interior pode

acrescentar segurana ao vidro.

Vidros com Alarme: Uma fiao pode ser incorporada na camada interior,

conectada ao circuito elctrico de alarme que dispara o alarme quando quebrado.

Alternativamente uma camada condutiva pode ser usada.

Vidros Temperados: A tcnica de produzir camadas temperadas j foi

descrita, mas um mtodo alternativo usa elementos aramados muito finos na camada

intermediria.

Vidros com Superfcie Selada: Anlogo ao reforo qumico, mas totalmente

diferente na inteno e nos materiais, um processo novo que modifica quimicamente

a superfcie do vidro e aumenta a durabilidade s intempries.

Sistemas de Vidros Compostos

A laminao baseada no princpio da combinao de finas camadas de

material unidas para proporcionar um produto que tem as propriedades e vantagens

de um material, para servir a dado propsito.

A combinao de propriedades ainda melhor quando obtida na composio

de sistemas de vidros, na qual o vidro fornece um anteparo exterior durvel para um

interior desenhado para uma funo especfica.

Envidraado Mltiplo: A forma mais simples e mais usada de reunir uma

unidade de envidraado mltiplo usualmente presente atravs do vidro duplo e

triplo. Pelo simples recurso de capturar uma fina fatia de ar seco, com uma

condutividade trmica de 0,025 W/mC, entre duas folhas de vidro, o valor da

transmisso trmica de uma janela pode ser reduzido de 5W/m.K para 3W/m.K ou

menos. O uso de vidros tingidos, camadas e de gases na cavidade que tem um

desempenho melhor que o ar, tem habilitado o vidro duplo a ser produzido com

34

valores de transmisso trmica de 1,4 W/m.K, quase o mesmo valor de uma parede

dupla de tijolos rebocada. medida que as pesquisas e desenvolvimentos

prosseguem, provvel que esses valores melhorem.

As tcnicas de manufactura dos vidros duplos e triplos tm sido

consideravelmente melhoradas nos ltimos vinte ou trinta anos. Os maiores

problemas de desempenho so fsicos, relacionados com a manuteno do ar seco

propriamente selado na cavidade.

Mais recentemente, tcnicas que usam um agente secante perfurando

extruses de alumnio, tm sido criadas e sistemas selantes, usando epoxy, polisulfido

ou selantes de butil, ou ainda sistemas de vidros duplos usando polisobutileno e um

selante secundrio de polisulfidio, poliuretano ou silicone.

As cavidades podem variar de 4mm a 20mm ou mais, para satisfazer as

exigncias de desempenho.

A mistura de vidros claros e tingidos, temperados ou de outra maneira, e

muitas vezes com capas, em sistema de envidraado mltiplo o que mais tipifica o

estado da arte de envidraados no presente, mas no de maneira alguma a nica

tcnica usada em vidros compostos.

Produtos que, em resposta uma exigncia funcional, combinarem as

propriedades transparentes do vidro com outros materiais, num produto selado, esto

agora a aparecer no mercado. Eles so caros, mas representam solues alguns dos

problemas mais intratveis de um envidraado.

Envidraado com Cavidade Difusora: A difuso pode ser proporcionada num

vidro por vrios meios: opalizando o vidro, gravando, introduzindo uma camada

difusora num vidro laminado ou de outra maneira que modifique a superfcie.

Dispositivos mais eficientes usam a cavidade de um vidro mltiplo para proporcionar a

difuso da luz, isolamento trmico, e sistemas absorvedores do som. Um desenho

tpico incorpora na cavidade tubos acrlicos claros com dimetros variando poucos

milmetros agindo como uma fatia espaadora entre duas folhas de vidro, com um

emaranhado de fibra de vidro branca ou colorida numa superfcie interna. Valores de

transmisso trmica entre 3,4W/m.K para 8mm de malha, 2,6W/m.K para 12mm de

malha e 1,0W/m.K para 48mm de malha so adquiridos. Os valores de isolamento so

assim em torno de 15% melhores do que um vidro duplo com a mesma profundidade

35

de cavidade, no entanto no to bom como vidros duplos com uma camada de baixa

emissividade.

Envidraado Prova de Fogo: Vidros de borossilicato, pr-esforados,

temperados podem manter a sua integridade por at duas horas ou mais, mas tem

desvantagens, como folhas simples, de se tornarem extremamente quentes em caso

de fogo, possivelmente causando ignio no lado onde no existia fogo. Eles podem

assim conter um incndio nos termos dos gases, de aces das chamas, mas

apresentam na superfcie, do outro lado, com 800C, ao mesmo tempo quente e

deformada. Isso torna tais vidros inutilizveis em, por exemplo, meios de rota de

escape. Criando um sistema mltiplo, utilizando vidro temperado, com as cavidades

preenchidas com um gel polmero, o produto formado resiste expanso do fogo e

proporciona isolamento trmico ao mesmo tempo.

Neste tipo de sistema a cavidade preenchida com um gel polmero claro com

uma alta percentagem de gua (cerca de 75%) e sais inorgnicos. No caso de incndio,

o gel transforma-se numa crosta, que altamente isolante, e o calor latente da

evaporao da gua absorve muito da energia calorfera. O vidro no lado do fogo

eventualmente quebra numa temperatura de aproximadamente de 500C, mas no

momento a crosta suficientemente forte para manter a integridade do painel.

Quando a temperatura do lado do fogo atinge 700C, no outro lado do vidro a

temperatura est em torno dos 20C. Testes mostraram que mesmo aps 30 minutos,

com a temperatura do lado do fogo acima do 800C, o outro lado est com 60C, e o

painel ainda resiste ao teste de impacto. Tais desempenhos so adquiridos com uma

cavidade de 18mm para dar 30 minutos de resistncia. Uma cavidade preenchida de

28mm atinge os 60 minutos, e 90 minutos com vidro triplo e com as duas cavidades

preenchidas.

Materiais como estes, com vidros de borossilicato, que suportam a

temperatura enquanto fica muito quente, tm revolucionado a arquitectura de

transparncia numa poca que a preocupao com a segurana grande.

Membranas na Cavidade: O uso potencial de uma cavidade bem vedada, limpa

e seca enorme. A instalao de uma membrana fina dentro de tais cavidades

apresenta problemas de manufactura.

36

Um filme fino e claro de polister tem mltipla camada aspergida. O filme de

polister instalado na cavidade em fbrica, para produzir um vidro triplo com a

mesma ordem de peso de uma unidade convencional de vidro duplo, mas com o valor

de transmisso trmica de 1,25 W/m.C. O filme sozinho pode ser capeado para

produzir vrios desempenhos de transmisso, e pode ser instalado dentro de qualquer

sistema de vidro duplo com os vidros disponveis normalmente para produzir uma

larga gama de caractersticas de transmisses globais. Entretanto, difcil de fabricar

sem pregas. O esticamento do material adquirido instalando o filme num espao de

ar, aps o aquecimento estica-se, ambos processos so morosos e longe de fceis.

Envidraado com Refraco na Cavidade: Um bvio, mas at recentemente

no adquirido, objectivo num sistema envidraado usar o espao da cavidade de um

sistema de vidro mltiplo como o lugar onde a proteco solar e a modificao da luz

tem lugar. Problemas com o sobreaquecimento, vedao e custo tm conspirado para

prevenir o seu aparecimento. O Lightsystem Siemens tipifica o que tais sistemas

deveriam fazer. A injeco de uma placa moldada de acrlico, com espessura de 10mm

ou mais, formado para ser plano de um lado e compreender prismas paralelos lineares

no outro lado, colocado na cavidade do vidro duplo. Um conjunto de faces de

prismas capeado com um filme fino de alumnio, para dar ao material que transmite

a luz ofuscante um conjunto de direces, mas reflecte essa luz ofuscante para uma

direco mais ou menos perpendicular. Dando ngulos e profundidades diferentes ao

prisma esse sistema motiva um leque de produtos conhecidos como protectores

solares.

O sistema total no transparente no senso normal; tem o efeito de cortar a

imagem transmitida em fatias. Entretanto, muito eficiente em redireccionar a luz

assim como sendo um exemplo iluminador do uso das propriedades do vidro, durvel

e forte, e do acrlico, muito claro e leve. A tecnologia de capeamento com filme fino

usada nesse produto num componente plstico antes dum componente de vidro. um

exemplo interessante e importante no modo como tecnologias diferentes podem ser

combinadas para criar um produto.

Envidraado com Vcuo: A necessidade de melhorar a resistividade trmica do

envidraado de grande importncia, e os vidros de baixa emissividade tem ajudado

muito nesse empreendimento. Entretanto, a ideia de evacuar a cavidade um

37

acessrio bvio para qualquer sistema de baixa transmisso, desde que ele iniba ou

previna conduo e conveco do calor atravs da cavidade. A ideia j tem mais de

cem anos, mas a dificuldade de manter o vcuo e dos panos resistirem defleco um

em direco ao outro resultando da diferena de presso entre a presso atmosfrica

exterior e o vcuo total ou parcial na cavidade. Trabalhos na Austrlia em 1992

demonstraram que uma disposio de pilares podem ser produzidos, os quais eram

verdadeiramente difceis de ver e criam um meio plano com transmisso trmica de

0,6W/m.K ou melhor, dependendo da eficincia das camadas de baixa emissividade

usadas. O vencimento dos problemas de manufactura e vida ainda esto a ser

discutidos, e extensa literatura tcnica tem descrito progresso. Prottipos de um

dipositivo de um metro quadrado desempenharam transmisses de 1,0W/m.K dos

quais dois teros derivam da radiao e um tero dos pilares de separao.

38

10. Acumuladores de Calor

Sistema de serpentinas para aquecimento do

Forno Solar

Este sistema consiste em fazer circular um fluido quente, neste caso a gua, no

interior duma tubagem que vai ser instalada na base do forno solar. Esta tubagem

instalada em serpentina e tem como funo aquecer o interior do forno solar.

A gua quente vai ser fornecida ao sistema e nele circular com o auxlio de um

sistema de bombagem, que vai captar a gua quente de um reservatrio instalado ao

sol, neste caso um garrafo de 5 litros opaco.

Ilustrao 21 - Exemplo de como pode ser instalada a tubagem na base do forno

O sistema encontra se esquematizado na imagem 22 e funciona da seguinte

forma: contem a tubagem na base do forno que se encontra ligada a uma bomba e

essa bomba vai puxar o fluido da fonte de alimentao, o garrafo. Depois do fluido se

encontrar no sistema fechada a vlvula para o fluido se manter em movimento

contnuo e o fluxo constante na tubagem.

Ilustrao 22(a) Forno Solar com Acumulador

39

Outra opo alternativa para evitar a bomba, colocar o

depsito numa posio mais elevada que o forno solar, para assim

a gua descer por aco da fora da gravidade para a tubagem

colocada no interior do forno. O deposito ter a possibilidade de

ser retirado do suporte para ser colocado no nvel abaixo do forno

solar para retirar a agua da tubagem mais uma vez por aco da

foa da gravidade. Com a agua novamente no deposito apenas

necessrio voltar a monta-lo no suporte para aquecer novamente

com a radiao solar e voltar a ser utilizada no forno solar.

Materiais a utilizar:

- Vlvula: sada do reservatrio de gua necessrio instalar uma vlvula,

para assim permitir a entrada da gua na tubagem ou ento para retirar a gua

novamente para o reservatrio e fechar.

A vlvula a escolher de reduzidas dimenses e de plstico, visto que o sistema

de reduzidas dimenses bem como o caudal de gua que vai circular.

Ilustrao 23 Vlvula

- Reservatrio: O depsito para armazenamento de gua um depsito de

plstico de pelo menos de 5 litros. Este depsito tem de ser de cor negra, pois a sua

instalao no sistema tem como objectivo aquecer a gua que tem no seu interior para

depois ser libertada para o sistema. O facto da cor do depsito ter de ser negra

devesse ao facto de absorver toda a radiao solar que nele incide e manter mais a

energia trmica no seu interior, possibilitando assim a absoro da energia e

transformao da mesma em energia trmica, aquecendo a gua que se encontra no

seu interior como pretendido.

Ilustrao 22(b) Forno Solar com Acumulador

Ilustrao 24 Reservatrio

40

- Tubagem: A tubagem utilizada no interior do forno deve ser dum material

resistente ao calor, visto que se atingem altas temperaturas no interior do mesmo.

Para tal as serpentinas so constitudas de ao inoxidvel, para assim resistirem as

altas temperaturas e para realizarem uma boa troca de calor.

Ilustrao 25. Tubagem interior

J no exterior do forno o material deve ser moldvel para permitir a deslocao

do depsito consoante as necessidades. O tubo exterior deve assim ser de plstico

para permitir a deslocao do forno e a deslocao do depsito possibilitando

variaes de altura no caso de o depsito se encontrar mais elevado que o forno.

Ilustrao 26 Tubagem do interior

- Bomba: No caso de ser necessrio possuir uma bomba, esta ser de reduzida

potncia e dimenses visto que o caudal de gua bastante reduzido. Esta bomba

poder ser alimentada atravs da corrente elctrica ou de um painel solar, mas tal no

possvel visto que o sistema implementado para funcionar na ausncia de luz solar.

Ilustrao 27 - Bomba

41

11. Projecto Forno Solar

Relativamente construo do projeto final, e aps alguma pesquisa terica,

decidimos utilizar um conjunto de materiais que achamos adequados e aos quais

temos acesso.

Modo de construo:

Para iniciarmos a construo do forno, vamos construir a base do mesmo. Para

a qual ao nvel de materiais estruturais vamos utilizar 5 placas de madeira, de forma, a

que esta tenha o formato de uma caixa. Optamos por fazer a estrutura do forno em

madeira para se tornar mais leve e resistente. Nesta base tambm sero colocados 4

rodas para permitir um fcil transporte (as rodas so aparafusadas na parte inferior

externa da base).

Ilustrao 28 Caixa de madeira

Em seguida, forramos a caixa de madeira, na parte interior, com placas de

cortia (material de isolamento), com as mesmas dimenses. Para isso, vamos utilizar

cola base de formaldedo. A cortia um bom isolante e de fcil acesso. Esta cortia

ser ainda forrada com fita adesiva de alumnio para permitir uma reflexo dos raios

que incidem nas laterais interiores do forno.

42

Quando a base da caixa estiver concluda iremos inserir o sistema de

serpentinas no fundo da mesma que vai estar ligado a um depsito, como ilustrado

anteriormente.

Em seguida, vamos inserir uma grelha acima da serpentina, aparafusando-a,

para servir de suporte para a panela e separar esta do sistema de serpentinas.

Relativamente aos materiais transparentes optamos pelo vidro, devido a este:

Absorver os raios de luz;

Resistente;

ndice de Refrao;

Propriedades Trmicas;

Dureza e Resistncia abraso;

Durabilidade Qumica;

Resistncia ao Fogo.

O vidro ser colocado na caixa de madeira atravs de uma pequena abertura

que esta ir possuir, como esta ilustrada na figura 29.

Ilustrao 29 Caixa com abertura para o vidro

Em relao aos materiais refletores, vamos utilizar espelho plano, o qual

iremos cortar em seces de 2cm por 2cm para que os raios incidentes tomem vrias

direes para que estes atinjam todos os pontos do nosso foco.

Os espelhos sero colocados numa superfcie de madeira (abas).

43

Ilustrao 30 Espelhos colados nas abas

Ilustrao 31 Fixao da aba refletora com dobradias e a calha de fixao e regulao

As abas refletoras vo ser fixadas caixa com a utilizao de dobradias e de

uma calha para segurar as abas e assim possibilitar o seu ajuste, estando esta calha

fixada na caixa do forno solar.

As abas, quando colocadas na caixa, tem que ter uma pequena inclinao, de

forma a captar o mximo de raios solares. Relativamente ao clculo desse ngulo de

inclinao a que as abas devem ser colocadas, encontrmos valores de referncia para

a inclinao solar em vrios dias do ano. Como o nosso forno vai funcionar por efeito

de estufa irrelevante que os raios solares no incidam diretamente nos alimentos a

cozinhar. Assim conclumos que para que os raios solares sejam dirigidos para dentro

44

do forno basta apenas que o ngulo das abas seja apenas cerca de 15 superior ao

ngulo dos raios solares.

Para o vero vamos utilizar um ngulo de 85 uma vez que atravs da

anlise da ilustrao 30, para dia 21/6/14 a inclinao solar s 12H de 72,79.

Para o inverno o ngulo da inclinao solar de 39 no dia 21/12/14 s

12H, assim, vai ser utilizado um ngulo de 53 nos painis.

Junto das dobradias das abas vo ser colocados os valores dos ngulo a que

estes se encontram para que o nosso forno se possa adaptar s diferentes inclinaes

solares que se verificam ao longo do ano.

Ilustrao32- inclinao do sol a 21/6/14

45

Ilustrao 33-inclinao do sol a 21/12/14

Aps calculado o ngulo das abas e terminada a projeo do forno decidiu-se

instalar um Acumulador de Calor.

Esse acumulador de calor ir ser formado por um garrafo que servira de

depsito para gua, esse depsito estaria ligado a uma serpentina que se encontra no

interior do forno que tem o objetivo de promover uma troca de calor entre o fludo e o

interior do forno, como possvel observarmos na Ilustrao 34.

Ilustrao 34 Modelo do forno

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Esboo do Forno Solar

Vista frontal do Forno Solar

Vista de cima do Forno Solar

47

Vista tridimensional do Forno Solar

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Custos dos materiais

Materiais Quantidade Dimenses Custos Preo a

pagar

Placas de madeira 5 60cm*60cm

2cm

(espessura)

4.55/m2 22.75

Placas de madeira (Abas) 3 - - A designar

Placas de cortia 5 60cm*60cm

4cm

(espessura)

9.80/m2 49

Espelhos 3 60cm*60cm 8.99/m2 26.97

Vidro 1 60cm*60cm - A designar

Dobradias 9 - 0.5/uni 4

Calhas 3 20cm 1/uni 3

Cola 2 500 ml 4.85/uni 9.68

Parafusos 150 - 0.02/uni 2.8

Fita adesiva de alumnio 1 50m (comp) - 7.33

Roda giratria com travo 4 - 3.99/uni 15.96

Serpentina 1 - - A designar

Deposito 1 5 Litros - A designar

Suporte 1 - - A designar

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12. Concluso

De entre os trs tipos de fornos solares existentes, decidimos optar pelo forno

em caixa, uma vez que este tem o designe mais apropriado para a mxima captao e

isolamento dos raios solares.

Relativamente aos materiais, conclumos que estes esto includos em quatro

categorias diferentes. Existem os materiais estruturais, os materiais isolantes, os

materiais transparentes e os materiais reflectores. Cada um destes grupos divide-se

em vrios subgrupos compostos por diferentes materiais. De uma gama variada e aps

vrias pesquisas chegamos concluso que o material indicado no projecto o

apropriado para a construo do forno solar, uma vez que, de fcil acesso e tem as

propriedades necessrias para que o forno funcione. O material escolhido para

estrutura a madeira, para o isolamento a cortia, o material transparente o vidro

e por ltimo o material refletor o espelho.

Achamos importante que o forno no fosse apenas utilizado em perodos

solares, por isso decidimos juntar um acumulador de calor. Este acumulador ser

constitudo por um depsito escuro que contem gua, esta ser aquecida durante o

perodo solar, para circular atravs de um circuito de serpentinas.

O projecto no foi concludo ao nvel da construo, no sendo por isso possvel

relatar a eficcia do mesmo.

50

13. Bibliografia

http://solarcooking.wikia.com/wiki/Solar_box_cookers

http://www.solarcooker.nl/index.php?page=solartype&lang=uk

http://nelson-avelar.planetaclix.pt/permacultura/energia/p_en_fornos.htm

http://solarcooking.org/portugues/minimum-pt.htm

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http://www.solarovenreflectors.com/about-solar-cooking/types-of-solar-

cookers

http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

espelhos-esfericos/tipos-de-reflexao.html

http://objetoseducacionais2.mec.gov.br/bitstream/handle/mec/8223/open/fil

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http://victaoml.files.wordpress.com/2009/10/apostila-de-fisica-35-e28093-

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http://www.sofisica.com.br/conteudos/Otica/Reflexaodaluz/espelhoesferico.p

hp

http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

espelhos-esfericos/raio-de-luz-paraxial-incidente-pelo-foco.html

http://www.colegioweb.com.br/trabalhos-escolares/fisica/reflexao-da-luz-

espelhos-esfericos/espelho-convexo.html

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espelhos-esfericos/campo-visual-de-um-espelho-plano.html

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espelhos-esfericos/construcao-de-imagem-em-espelho-convexo.html

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espelhos-esfericos/formacao-de-imagens-em-espelhos-concavos.html

http://pt.wikipedia.org/wiki/Espelho

http://en.wikipedia.org/wiki/Speculum_metal

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52

http://www.infoescola.com/fisica/leis-da-reflexao/