Colégio Pedro II – U. E. Centro
Relatório de Replicação do Projeto de Aprendizagem #2
Forno Solar
Disciplina: Física
Prof.:Sérgio Lima
1ª Série do Ensino Médio
Turma: 2106
Componentes:
Clara Loureiro Gadelha de Azedias Nº: 05
Gerson Faustino Ribeiro da Silva Nº: 11
Lucas Barcellos Oliveira Nº: 19
Paulo Araújo
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Introdução:
Mais uma vez, tivemos a oportunidade de realizar um projeto escolar concernindo um tema de extrema importância ao redor do mundo atualmente: sustentabilidade.
Os fornos solares vem se difundindo em todo o planeta nas últimas décadas pois apresentam uma solução simples, prática, barata e “verde” para o cozimento de alimentos, algo que, de outra maneira, demandaria muita energia. Ao invés de gases inflamáveis e perigosos, utilizamos a radiação solar, segura e renovável, para realizar essa tarefa banal.
O forno construído consiste em um receptor de radiação solar, responsável por aquecer o conteúdo do forno. Utiliza-se um espelho para refletir raios que venha de outras direções para dentro do equipamento e o próprio ar é utilizado como isolante térmico.
É essa simplicidade que permitiu que fornos solares fossem cada vez mais usados e noticiados no mundo e mantendo a mesma eficiência de fornos convencionais. Não é necessário qualquer conhecimento em eletrônica ou a instalação de tubulações ou botijões de gás, basta um pouco de dedicação para construí-lo.
- Materiais necessários:
- Uma caixa de papelão comum e que pode ser encontrada em qualquer lugar;
- Outra caixa de papelão, com tamanho menor que primeira caixa;
- Uma placa de papelão com tamanho ligeiramente maior que a tampa da caixa maior;
- Rolo de papel alumínio;
- Tesoura, faca, canivete ou outro instrumento cortante;
- Um tubo pequeno (250 ml) de cola, fita dupla face ou durex;
- Pote pequeno de tinta preta fosca e pincel.
- Placa de papelão com mesmo tamanho do fundo da caixa menor.
- Material plástico ou placa de vidro com dimensões um pouco maiores que a caixa menor.
- Construção e Montagem:
- Primeiramente, foi necessário providenciar duas caixas de papelão de forma que uma seja cerca de 2,5 cm maior que a outra em comprimento e largura.
- É neste passo que a montagem realmente tem início. A caixa menor foi colocada no topo da caixa maior fechada e centralizada de forma que suas paredes equidistem. Foi desenhado o contorno da caixa menos na tampa da caixa maior.
Caixa menor no topo da caixa maior
- Recorta-se onde foi delimitado na linha.
Momento do recorte da caixa maior
Caixa maior após recorte. A abertura deve ser do tamanho da base da caixa menor!
- A caixa menor é inserida na caixa maior para verificar o encaixe das duas. O encaixe deve ser o mais justo possível. Se necessário, deve-se aparas as abas da caixa menor ou utilizar jornal ou isopor para nivelar as duas. Deve-se por jornal ou isopor em baixo da caixa menor caso ela seja mais baixa que a maior. Deve-se recortar parte das arestas da caixa menor caso ela seja mais alta.
Caixas devidamente cortadas, aparadas, niveladas e encaixadas
- Retira-se a caixa menor de dentro da maior.
- Revestir as paredes interiores das duas caixas com papel alumínio. Para tal, utilizamos fita dupla face e colocamos duas camadas de papel alumínio em cada caixa.
Aplicação do papel alumínio
Deve-se ter cuidado na manipulação do papel alumínio…
…resultado
- Agora podemos reservar as duas caixas.
- Providenciamos uma tampa já montada para utilizar em nosso forno. Caso, não seja possível providenciar uma, deve-se usar uma placa de papelão e recortá-la de forma a encaixar-se como tampa da caixa maior.
- Desenhamos em nossa tampa o contorno da caixa menor e recortamos três lados do contorno. Desta forma, obteremos uma abertura na tampa do tamanho da caixa menor.
- Dobramos a aba de papelão formada no passo anterior, fazendo dela nosso painel refletor.
- Cobrimos nosso painel refletor com papel alumínio.
Tampa adquirida, recortada e painel refletor revestido
- Coloca-se uma camada (dupla, se possível) de plástico ou uma placa de vidro na abertura da tampa. Desta forma, será possível fechar o interior forno, impedindo perda de calor, e ainda observar seu interior.
Utilizamos Durepoxi na colagem
Durepoxi foi passado no perímetro do vidro
Posicionamento do vidro sobre a tampa
- Basta colocar a tampa pronta sobre a base formada pelas duas caixas e o forno solar está pronto.
Voilá! (ainda não finalizado)
OBS: Deve-se utilizar um suporte (palito, tubo etc.) para manter o painel refletor na posição desejada.
Em nosso forno solar, entretanto, revestimos a caixa de fora com uma camada de borracha. A borracha funciona como mais um isolante térmico, reduzindo o calor que se dissipa para o ambiente.
Utilizamos cola quente para colar as folhas de borracha na tampa e na caixa.
Folhas de borracha
Colagem da borracha isolante
- Diferenciais em nossa montagem:
Em nossa montagem, utilizamos um vidro de 2mm no lugar de filme plástico pois o vidro é melhor isolante térmico que o plástico.
Revestimos toda a caixa maior do forno com folhas de borracha. A borracha é um isolante térmico. Desta forma, adicionamos mais uma capada de isolante térmico ao redor do forno, impedindo que o calor em seu interior escape. Além disso, o emborrachado aprimora o aspecto visual do forno.
As cores vermelha e laranja foram escolhidas pelo apelo visual e não afetam a eficiência do forno. O exterior da caixa não precisa, obrigatoriamente, ser pintado de preto. A absorção de calor pelo exterior da caixa não é desejável. Mesmo utilizando a cor preta, a camada isolante de ar impediria que a maior parte da radiação absorvida atingisse a caixa interna. Logo, a cor escolhida é indiferente.
Em nosso teste de funcionamento, pensamos em utilizar uma panela inox como objeto a ser aquecido, pois o inox possui menor capacidade térmica que a panela convencional. Entretanto, panelas inox possuem ao seu redor uma camada refletora que não será eficiente ao absorver a radiação solar. Por esta razão, utilizamos uma panela convencional preta, pois um recipiente nessa cor vai absorver de forma mais eficiente a radiação solar.
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Empecilhos na montagem:
Na montagem, também foram encontrados diversos obstáculos a serem superados.
Um deles foi revestir o interior das caixas com papel alumínio. Recomenda-se muita delicadeza ao manusear folhas de papel alumínio pois são frágeis e tendem a rasgar com facilidade. Primeiramente, deve-se passar cola ou fita na superfície da caixa e depois aplicar o papel alumínio lentamente e centímetro por centímetro.
Outro problema foi encontrado ao revestir a caixa externa com borracha. Primeiramente, tentamos grampear as folhas na caixa. Entretanto, com o manuseio, diversos grampos se soltaram. Afinal, decidiu-se utilizar cola extraforte para colar as folhas de borracha.
- Gráficos dos testes práticos:
Foram realizados três testes com o forno solar.
O primeiro ocorreu no período da manhã, das 09:15 às 10:15, com céu nublado.
O segundo ocorreu por volta das 17:00 às 17:40, com céu aberto.
O terceiro foi a própria apresentação da funcionlidade do forno, no colégio, dia 23/10/2012, guiada pelo Prof. Sérgio. Lima.
Os valores de temperatura dos dois primeiros testes foram obtidos por meio de um termômetro digital imerso em água, dentro de um recipiente no interior do forno. O termômetro digital opera normalmente e está devidamente regulado e calibrado.
Os valores do terceiro teste foram fornecidos pela aferição do próprio professor.
09:15 – 27°C
09:30 – 29°C
09:45 – 32 °C
10:00 – 35°C
10:15 – 36°C
17:08 – 31°C
17:09 – 35°C
17:10 – 38°C
17:11 – 39°C
17:15 – 42°C
17:20 – 48°C
17:25 – 50°C
17:30 – 53°C
17:40 – 56°C
12:20 – 21ºC
14:50 – 51°C
16:20 – 43°C
Acreditamos que, em nenhum dos três testes, a eficiência máxima do forno foi alcançada. Já que o aquecimento depende da incidência de radiação luminosa solar, o período mais adequado para utilizar o forno é nas horas de sol forte, de 10:00 às 16:00, com céu aberto, sem nuvens, condições não atendidas em nenhum dos três testes.
Para fins de referência, utilizaremos os dados do dia da apresentação para calcular uma função que informa o valor, em graus da temperatura, a partir de x minutos trasncorridos de exposição.
Em cerca de 2 horas e meia de exposição, a temperatura interna do forno elevou-se em 30°C. Sendo 2 horas e 30 minutos equialentes a 150 minutos, podemos afirmar que, a cada minuto, a temperatura elevou-se 0,2°C.
Logo, a função para determinar a temperatura final de uma semelhante de água após x minutos é:
f(x)=0,2x+b
Sendo b, a temperatura inicial do líquido, que no dia da apresentação era de 21°C, apresentando a função:
f(x)=0,2x+21
Sendo x o tempo, em minutos, de exposição e f(x) a temperatura do líquido em tal momento.
- Funcionamento:
Todo o sistema do forno solar consiste em focar toda a energia luminosa/radiação proveniente do Sol por irradiação em um só ponto: o recipiente. A luz proveniente do Sol viaja através do Sistema Solar até atingir o planeta Terra. Aqui após cruzar a atmosfera, a radiação (raios luminosos) atingiram o sistema. Parte dela entrará diretamente no forno e atingirá o recipiente. Outra parte considerável atingirá a aba refletora. Graças ao papel alumínio, tal luz será refletida para dentro do forno. Neste caso, o papel alumínio, devido aos amassados, reflete luz em direções diferentes, fazendo com que parte se perca porém evitando realizar constantes ajustes de ângulo. Caso um espelho fosse utilizado, a luz seria refletida diretamente para o interior, sem ser perdida para outras direções, porém seria necessário ajustar a posição do espelho de acordo com a posição do Sol. Caso contrário, o espelho não seria eficiente. O revestimento interno das duas caixas com papel alumínio faz com que tal energia seja refletida de volta para o interior da caixa menor, evitando que ela seja retida pela caixa e portanto perdida. A camada de ar entre as duas caixas (e a borracha utilizada por nosso grupo) servem como isolantes térmicos, impedindo que o calor se dissipe para o meio externo. Já o vidro (ou plástico) na tampa, impede que o ar quente saia do forno e também isola o ambiente, criando um efeito estufa em seu interior.
Forno solar em operação
Roteiro de Replicação do Projeto de Aprendizagem #2 – Forno Solar de Lucas Barcellos Oliveira é licenciado sob uma Licença Creative Commons Atribuição-SemDerivados 3.0 Não Adaptada.
