Princípios dos Projetos de Fogões Solares

A proposta desse artigo é resumir os princípios básicos que são usados nos projetos de fogões solares de caixa.

As pessoas usam os fogões solares principalmente para cozinhar e pasteurizar água, embora outros usos estão sendo continuamente desenvolvidos. Numerosos fatores, incluindo acesso a materiais, disponibilidade de combustíveis tradicionais para cozinhar, clima, preferências culinárias, fatores culturais, capacidade técnicas, afetam a aproximação das pessoas ao cozimento solar.

Com o entendimento dos princípios básicos da energia solar e o acesso de materiais simples como papelão, folhas de alumínio e vidro, qualquer um pode construir um esquema de fogão solar eficiente. Este artigo lista os princípios básicos para o projeto de um fogão solar de caixa e identifica largo campo de materiais potencialmente úteis para a sua construção.

Estes princípios são apresentados em termos gerais de tal forma que eles possam ser aplicados em uma grande variedade de problemas de projetos. Seja a necessidade de pasteurizar água, cozinhar comida, secar peixe ou grãos; os princípios básicos de energia solar, da transferência de calor e aplicação de materiais. Nós aguardamos ansiosamente por informações sobre a aplicação de uma grande variedade de materiais e técnicas por parte das pessoas que fazem o uso direto da energia solar.

A seguir, os conceitos gerais que são relevantes para a modificação de um fogão solar de caixa:

PRINCÍPIOS DE AQUECIMENTO

O propósito básico de um fogão solar de caixa é aquecer as coisas: cozinhar comida, purificar água e esterelizar instrumentos - para citar poucos.

A caixa solar cozinha porque o interior da caixa é aquecido devido à energia do sol. A luz do sol, tanto direta quanto refletida, entra na caixa através do topo de vidro ou plástico. Ela se torna energia calorífica e é absorvida por um um prato preto absorvente ou vasilha de cozimento. Esse calor interno faz com que a temperatura dentro do fogão solar de caixa aumente até que a perda de calor dentro do fogão seja igual ao ganho. Temperaturas suficientes para cozimento de comida ou pasteurização da água são facilmente alcançadas.

Dadas duas caixas que têm a mesma capacidade de retenção de calor, aquela que tem maior ganho, devido à luz solar mais forte ou a luz solar adicional devido a um refletor, ficará mais quente lá dentro.

Dadas duas caixas que tenham igual ganho de calor, aquela que tiver melhor capacidade de retenção de calor - melhor isolamento na paredes, fundo e topo - , irá alcançar uma temperatura interior mais alta.

A. GANHO DE CALOR

Efeito estufa: Esse efeito resulta do aquecimento em espaços fechados nos quais a luz solar passa através de um material transparente tal como vidro ou plástico. A luz vísivel facilmente passa através do vidro e são absorvidas e refletidas por materiais dentro do espaço fechado.

A energia luminosa que é absorvida pela vasilha escurecida e pelo prato absorvente escurecido abaixo das vasilhas é convertida em energia calorífica, que tem que um maior comprimento de onda e que irradia do interior dos materiais. A maior parte dessa energia radiante não consegue passar de volta através do vidro e então fica presa no espaço fechado.

A luz refletida também é absorvida por outros materiais dentro da caixa ou, porque ela não mudou seu comprimento de onda, passa de volta através do vidro.

Decisivo para a performance do fogão solar, o calor que é coletado pelo prato absorvente de metal preto e as vasilhas é conduzido através desses materiais para aquecer e cozinhar a comida.

Orientação do vidro: Quanto mais diretamente o vidro estiver voltado para o sol, maior será o ganho de calor solar. Embora o vidro seja o mesmo na caixa 1 e na caixa 2, mais luz solar passa pelo vidro na caixa 2, porque ele está voltado mais diretamente para o sol. Note que a caixa 2 também tem uma maior área de parede através da qual o calor é perdido.

Refletores, ganho adicional: Um refletor simples ou múltiplos refletores refletem luz solar adicional através do vidro e dentro da caixa solar. Essa energia solar adicional resulta em temperaturas mais altas.

B. Perda de Calor

A Segunda Lei da Termodinâmica diz que o calor sempre viaja do corpo mais quente para o corpo mais frio. O calor dentro de um fogão solar de caixa é perdido de três maneiras básicas: Condução, Radiação e Convecção

O cabo de metal de uma panela em uma trempe acesa ou no fogo se torna quente devido à transferência de calor através do material da panela em direção ao material do cabo. Da mesma forma, o calor em uma caixa solar é perdido através das moléculas da folha de estanho, do vidro, do papelão, do ar, do isolante, até o ar fora da caixa.

O prato absorvente de calor solar conduz o calor para o fundo das vasilhas. Para prevenir a perda de calor por condução através do fundo do fogão, o prato absorvente é elevado usando um pequeno espaço isolante, como na figura 6.

Radiação: As coisas que são mornas ou quentes - fogo, fogão ou vasilhas com comida em um fogão solar - liberam ondas de calor ou irradiam calor nas suas redondezas. Essas ondas de calor são irradiadas a partir objetos mornos através do ar ou do espaço. A maior parte do calor irradiado liberado pela vasilha morna dentro da caixa solar são refletidos da folha e do fundo de vidro para as vasilhas e a bandeja do fundo. Embora os vidros transparentes façam uma armadilha para a maior parte do calor radiante, algum calor realmente escapa diretamente através do vidro. O vidro prende o calor radiante melhor do que o plástico.

Convecção: As moléculas de ar movem para dentro e para fora da caixa através das frestas. Elas sofrem convecção. As moléculas de calor aquecido dentro da caixa solar escapam, primeiramente através das frestas ao redor do tampa do topo, um lado da abertura da "porta do forno" ou por imperfeições na construção. O ar frio de fora também entra por estas aberturas.

C. Estocagem de Calor:

Como a densidade e o peso dos materiais dentro da armação isolada do fogão solar de caixa cresce, a capacidade do fogão reter calor cresce. No interior da caixa, a inclusão de materiais pesados tais como rochas, tijolos, panelas pesadas, água ou comida pesada tornam mais longo o tempo de aquecimento por causa da capacidade adicional de estocar calor. A energia que entra é armazenada como calor nesses materiais pesados, aquecendo lentamente o ar na caixa.

Esses materiais densos, carregados com calor, irradiarão o calor dentro da caixa, mantendo-o aquecido por um período mais longo no final do dia.

EXIGÊNCIAS DE MATERIAIS

Existem três tipos de materiais que são tipicamente usados na construção das caixas solares. Uma propriedade tem que ser considerada na seleção dos materiais: é a resistência à umidade.

O material estrutural é necessário para que a caixa tenha e mantenha a forma dada e dure ao longo do tempo.

Os materias estruturais incluem papelão, madeira, compensado, alcatex, masonite, bambu, metal, cimento, tijolos, pedra, vidro, fibra de vidro, palha trançada, palha, plástico, papel machê, clay, terra batida, metais, casca de árvores, tecido engomado com cola ou outro material.

Muitos materiais que funcionam bem como estruturais são muito densos para serem bons isolantes. Para conseguir integridade estrutural e boas qualidades de isolamento, é necessário separar os materiais estruturais dos materiais de isolamento.

Para que a caixa mantenha as temperaturas interiores altas o bastante para o cozimento, as paredes e o fundo da caixa devem ter bom valor de isolamento (retenção de calor). Bons materiais isolantes incluem: folha de alumínio (refletor de radiação), penas (penas de baixo são melhores), fibra de vidro entrelaçada, lã de pedra, celulose, casca de arroz, lã, palha e jornal amassado.

Quando construir um fogão solar, é importante que o material cerque por todos os lados a cavidade de cozimento da caixa solar, com exceção do lado transparente – geralmente o topo. Materiais isolantes devem ser instalados de tal forma que permitam o mínimo de condução de calor do material estrutural da caixa interna para o material estrutural da caixa externa. Quanto menor a perda de calor, mais alta é a temperatura de cozimento.

C. Material transparente

Pelo menos uma superfície da caixa deve ser transparente e estar voltada para o sol para permitir a aquecimento pelo "efeito estufa". Os materias transparentes mais comuns são vidros e plásticos para alta temperatura, tal como plástico para assar em forno. Duplo envidraçamento usando ou vidro ou plástico afeta tanto o ganho quanto a perda de calor. Dependendo do material usado, a transmitância solar – ganho de calor – pode ser reduzida de 5 a 15%. De qualquer forma, a perda de calor através do vidro ou plástico é cortado pela metade e com isso o desempenho da caixa solar é aumentado.

D. Resistência à umidade

A maior parte da comida que é preparada no fogão de caixa solar contém umidade. Quando a água ou comida é aquecida na caixa solar, a pressão do vapor é criada, direcionando o vapor de dentro para fora da caixa. Existem várias maneiras que a umidade pode viajar. Ele pode escapar diretemante através das frestas e brechas da caixa ou forçar as paredes e fundo se não houver barreira para o vapor. Se a caixa é projetada com alta qualidade de vedação e barreira para umidade, o vapor da água pode ser retido dentro da câmara de cozimento. O projeto da maioria dos fogões solares de caixa, é importante que a maior parte da superfície interna seja uma boa barreira para o vapor. Esta barreira irá previmir que a água cause danos ao isolamento e à estrutura do fogão devido à lenta migração do vapor de água através das paredes e do fundo do fogão.

PROJETO, DIMENSÃO e OPERAÇÃO

O fogão de caixa solar deve ser dimensionado considerando os seguintes fatores:

Com todas as outras características permanecendo iguais, quanto maior a área de coleta da luz solar da caixa em comparação com a área de perda de calor na caixa, temperaturas mais altas de cozimento serão alcançadas.

Dadas duas caixas que tenham as áreas de coleta da luz solar de igual tamanho e dimensão, aquela que for de menor profundidade ficará mais quente porque ela tem menor área de perda de calor.

Um fogão de caixa solar virado para o sol do meio dia deve ser mais comprido em sua dimensão leste-oeste para fazer um melhor uso do refletor durante um período de várias horas. Como o sol atravessa os céus, essa configuração resulta em uma temperatura de cozimento mais constante. Com fogões quadrados ou aqueles tem mais dimensão norte-sul, uma maior porcentagem da luz solar do começo da manhã e do final da tarde é refletida do refletor para o chão, não atingindo a área de coleta de luz da caixa.

Um ou mais refletores são empregados para refletir luz adicional na caixa solar de maneira a aumentar a temperatura de cozimento. Embora seja possível que o fogão solar funcione sem refletores em regiões equatoriais, onde o sol está mais elevado, os refletores solares aumentam significantemente a temperatura nas regiões temperadas do mundo. Veja Refletores - figura 4.

OPERAÇÃO DO FOGÃO DE CAIXA SOLAR

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

Fogões de caixa solar com refletores nas zonas temperadas realmente trabalham em temperatura mais alta se for reposicionado em direção do sol a cada uma ou duas horas. O ajuste de posição torna-se menos necessário quando a dimensão leste-oeste da caixa é relativamente maior do que a dimensão norte-sul.

FATORES CULTURAIS

Além dos aspectos técnicos básicos do projeto do fogão de caixa solar, fatores incluindo cultura, tecnologia apropriada e estética tem um papel maior no sucesso da transferência da tecnologia da caixa solar de cozimento.

Através dos séculos, o poder do sol tem sido explorado de numerosas maneiras. Com o cozimento solar, assim como com outros esforços, algumas abordagens funcionam melhor do que outras. A tecnologia que é projetada para eficientemente executar uma determinada tarefa quando atende certos padrões ambientais, sociais, culturais, estéticos e de uso é freqüentemente chamada de "tecnologia apropriada."

Infelizmente, o campo de cozimento solar tem sua parte de estratégias que falham em testes técnicos e sociais básicos. Por exemplo, os fogões parabólicos podem cozinhar comida, mas quando comparados com o método da caixa solar, eles são mais difíceis de construir, necessitam de material especial e precisam ser constantemente reposicionados, podem queimar a comida e não são plausíveis de serem aceito na maioria dos contextos sociais e culturais. De fato, por causa da boa divulgação de falhas nos inventos feitos na maioria dos projetos desenvolvidos nos anos 60, muitas ainda acreditam que a cozinha solar não é viável.

Quanto mais determinado projeto de fogão solar se aproxima de um critério tecnológico apropriado, mais provavelmente ele será aceito por aqueles que vão usá-lo. Uma aproximação de baixa tecnologia é simplesmente cavar um buraco raso no chão, isolar o fundo com grama ou folhas secas, colocar comida ou água em um recipiente escuro e colocar um vidro tampando o buraco. Já em uma aproximação de alta tecnologia, os mesmos princípios podem ser usados com material de construção e isolamento e envidraçamento de baixa emissividade, integrando o fogão solar na arquitetura do lado sul da cozinha contemporânea. A porta do forno solar pode ser na parede a uma altura conveniente, próxima ao forno de microondas.

Fogões solares de caixa feitos de papelão são apropriados para muitas culturas porque os materiais são abundantes e baratos. Mas as desvantagens do papelão incluem susceptibilidade a danos causados pela umidade e uma falta de durabilidade comparada com muitos outros materiais.

Estética é freqüentemente importante. Culturas que tem formas arredondadas como norma podem rejeitar todo o conceito de cozimento solar porque a caixa é quadrada. E certas camadas sociais podem rejeitar o papelão porque ele é um material muito barato para eles usarem.

É importante que os princípios básicos do projeto solar não sejam rejeitados por causa da falha de um invento solar em particular ou por causa de método de transferência de tecnologia!

Certamente, uma das vantagens das pessoas projetarem seus próprios fogões solares de caixa é que elas aplicarão os princípios solares usando seus próprios materiais e senso estético. As pessoas que constróem suas casas em mobília de madeira ou bambu, é possível que incluam esses materiais nos seus projetos solares. A decoração da superfície das caixas solares usando várias pinturas e texturas também ajudam a integrar os fogões a dadas culturas. Existem muitas formas que podem servir à função solar.

A localização do fogão solar e da atividade de cozimento, permanência ou portabilidade do fogão solar, período do dia quando ele é usado e importância do cozimento como atividade social são outros fatores que irão afetar os projetos de fogões solares.

O projeto de fogão solar no Himalaia indiano, patrocinado pelo Projeto Indo-germano Dhauladhar, é uma aplicação bem-sucedida dos princípios do cozimento na caixa solar nas necessidades de uma cultura particular. Um fogão não-portável é construído na terra duplamente envidraçado com vidro. Um forno interno de estanho é fabricado com o uso de recipientes de manteiga ou óleo. Casca de arroz possibilita o isolamento ao redor do forno de estanho.

Os participantes do Projeto Dhauladhar Project, além da adaptação dos conceitos da cozinha solar às necessidades e costumes locais, demonstraram um processo efetivo de transferência de tecnologia.

Embora esteja de certa forma além do objetivo dessa discussão, outros fatores podem ser críticos para uma implantação da cozinha solar bem-sucedida e merecem ser observados.

De modo a transferir a tecnologia da cozinha solar com sucesso de uma cultura para outra, uma ponte durável e de longa duração é um ponto crítico. Indivíduos de ambas as culturas devem formar uma ponte. Pessoas da cultura transferidora devem ter um elevado grau de sensibilidade e fazer um tempo significativo de comprometimento. Sucesso é mais provável se cultura implementadora são líderes nas suas próprias comunidades. Comunidade é, por definição, uma rede de atividades interconectadas. Para que o cozimento solar se torne parte de uma cultura local, ele deve ser considerado no contexto das atividades comunitárias tais como economia local, trabalho, saúde, atividades sociais, fontes de energia, desmatamento, educação, infra-estrutura e outros.

O cozimento solar de caixa já tem sido praticado em variadas culturas. Mas nós temos apenas arranhado a superfície. O dramático benefício potencial destes recursos em termos da fome mundial, saúde, desmatamento, ainda, está para ser realizado.

Um dos primeiros propósitos do Solar Box Cookers Northwest é promover a causa do cozimento solar mundialmente através da distribuição de informação e transferência de tecnologia. Se você gostaria de trabalhar conosco, nós ficaríamos felizes de discutir nosso trabalho e algumas de suas idéias. Nós também gostamos de ver novos projetos e fotos. Por favor, entre em contato conosco no endereço da primeira página deste artigo.