Fabricação e desenvolvimento do protótipo.

A partir dos resultados do estudo da concepção do concentrador solar, foi iniciada a etapa de aquisição dos materiais, construção do concentrador e instalação do equipamento na área anexa à estação agrometeorológica do Centro de Ciências Agrárias da Universidade Federal do Ceará. A escolha desta área foi motivada pela proximidade aos equipamentos de medição de dados agrometeorológicos lá existentes. Os parâmetros necessários para a análise do protótipo são radiação solar global, radiação líquida, temperaturas máxima e mínima, direção do vento, precipitação pluviométrica e quantidade de horas de brilho, velocidade do vento.

2.5.1.Escolha dos materiais

Existem diversos materiais que podem ser utilizados como suporte. Anjos (2008) utilizou uma parábola construída de madeira com cantoneiras de alumínio para assentar a

superfície refletora constituída de uma placa de aço inoxidável. Vianna (2008) também sugere a utilização da madeira como estrutura do concentrador por ser de baixo custo e de fácil manuseio para construção quando comparada com estruturas de aço ou alumínio.

A maior dificuldade no desenvolvimento do concentrador foi definir, exatamente, o material da estrutura da parábola. Os pré-requisitos mínimos eram: elevada durabilidade, baixo peso específico, elevada uniformidade e ausência de deformações que proporcionassem qualquer alteração no foco da parábola. Caso o tubo absorvedor saísse do foco ocorreria uma redução significativa da eficiência de transferência de energia entre a superfície parabólica e o tubo de cobre onde ocorre o fluxo de urina. Após um estudo do custo versus benefício e vantagens e desvantagens entre os seguintes materiais: madeira, aço e fibra de vidro, optou-se por este último.

Apesar de a madeira possuir um baixo peso específico e ser de fácil manuseio, o aspecto durabilidade foi decisivo na hora da escolha, e esse material foi descartado, uma vez que ao ser exposto às intempéries como chuva, radiação solar e umidade, o mesmo teria uma vida útil consideravelmente reduzida. A estrutura de aço chegou a ser planejada e projetada, contudo o andamento do projeto foi inviabilizado, pois as empresas de metalurgia não conseguiam confeccionar uma peça que obedecesse a parábola com tamanha precisão. Diante deste cenário, foi decidido que a estrutura da superfície parabólica seria feita de fibra de vidro, um material de elevada durabilidade e peso específico mediano, aproximadamente 1,5g/cm³, quando comparado com a madeira, 0,75g/cm³, e aço inox, 8g/cm³.

A parábola de fibra de vidro foi confeccionada em uma empresa especializada de Fortaleza. Houve um acompanhamento rigoroso em todas as etapas da construção e o resultado foi uma superfície lisa, livre de ondulações e respeitando a equação da parábola. A figura 3.13 apresenta as etapas de confecção da parábola em fibra de vidro. Na expectativa de uma elevada eficiência desse protótipo, foi fabricado um molde (gabarito) de madeira de boa qualidade que pode ser utilizado para confecção de outras superfícies parabólicas no futuro.

Figura 3.13 _{– Conjunto de imagens apresentando o acompanhamento das etapas de confecção} da superfície parabólica de fibra de vidro, fixação e alinhamento dos perfis em madeira.

Fortaleza-CE, 2009.

Fonte: Elaborado pelo autor (2013).

A superfície refletora é considerada o componente principal no sistema de concentração solar, pois dela depende toda a energia transmitida para o tubo absorvedor. Semelhante à estrutura, existem diversos tipos de superfícies pesquisadas. Uma solução bastante econômica é a utilização de papel alumínio comum, contudo essa vantagem econômica é comprometida pela baixa durabilidade do material, sendo de fácil oxidação natural. De acordo com Moura (2007), o aço inoxidável é um material a ser considerado, no entanto possui um preço elevado e a propriedade de absorver o espectro infravermelho, afetando o rendimento do concentrador. Ainda conforme o mesmo autor, o filme de poliéster mylar é parecido com o papel alumínio, porém com uma vida útil maior, mais resistente e com propriedades de refletividade e baixo coeficiente de absorção de radiação solar excelentes.

Embora sendo um material ainda importado e com mercado apenas em São Paulo, a película mylar possui características importantes para ser escolhida como superfície refletora do protótipo desenvolvido neste trabalho. O filme de poliéster mylar já é utilizado

para fins de concentração de energia há mais de duas décadas. Em uma pesquisa realizada por Bezerra (1979), ao comparar diferentes superfícies refletoras com a finalidade de construir um fogão a energia solar, a temperatura média obtida com a superfície de filme de poliéster mylar foi superior em 14 e 30%, respectivamente às temperaturas de alumínio polido e aço inox. Ele ainda considera que quanto maior o grau de polimento do alumínio, maior é a temperatura que esse material proporciona, situando-se bem próximo à película mylar. Levando em consideração os trabalhos anteriores e as propriedades dos materiais pesquisados, foi decidido utilizar a película mylar.

No entanto, após 6 meses de exposição direta à luz solar, a película que já estava instalada no concentrador começou a perder sua capacidade de refletividade. Foram verificadas diversas áreas sem o espelhamento, tornando-se apenas uma película plástica. Uma reação entre o silicone utilizado para aderir a película na parábola de fibra de vidro pode ser uma possível explicação para a perda da propriedade de reflexão do mylar.

O tubo de cobre foi escolhido por ser o material mais pesquisado e utilizado para este fim e por ser de fácil acessibilidade no mercado com preços razoáveis. O mesmo recebeu uma pintura de tinta preta fosca aumentando dessa forma a absorção de calor (espectro de radiação infravermelha). O tubo absorvedor de cobre classe E, possui um diâmetro nominal de 4” ou 104mm, diâmetro externo de 104,8 e uma espessura da parede de 1,2mm. Sua pressão de serviço é 14kgf/cm² e uma densidade de 3,48kg por metro de tubulação. Na figura 3.14 indicam-se os principais materiais utilizados no protótipo.

Figura 3.14 _{– Protótipo concentrador solar. (A) - detalhe do tubo de cobre pintado de preto,} parábola de fibra de vidro. (B) - filme de polyester mylar. Fortaleza-CE, 2010.

Fonte: Elaborado pelo autor (2013)

Além das superfícies e materiais de fundamental importância para a eficiência de transferência de calor, foram instaladas outras peças que facilitam e promovem um melhor controle do funcionamento do protótipo.

A figura 6.6 mostra as peças desenvolvidas para fazer a rotação da superfície refletora e assim acompanhar o movimento do sol ao longo do dia. Atualmente, esse movimento está sendo realizada por meio de uma manivela de forma manual. Para iniciar e finalizar o movimento foi instalado um manípulo, facilitando o manuseio e descartando o uso de ferramentas, conforme apresentado na figura 3.14. A angulação correta é determinada visualmente quando a radiação solar insere-se perpendicularmente à parábola, projetando a sombra do tubo de cobre sobre o vértice da mesma.

Figura 3.15 – Peças e equipamentos responsáveis pelo movimento de rotação da parábola concentradora de energia solar. (A) - manivela para rotação da parábola e suporte de apoio do

motor. (B) - catraca e manípulo. Fortaleza-CE, 2010.

Fonte: Elaborado pelo autor (2013) Parábola de fibra de vidro Tubo de cobre Filme de polyester mylar Tubo de cobre pintado de preto A B Manivela para rotação da parábola Suporte de apoio do motor Manípulo Catraca

Para realizar o controle do fluxo de urina no sistema, foram instalados uma bomba com vazão regulável, um tanque de sucção, uma tubulação de sucção e uma serpentina de cobre para troca de temperatura e condensação do fluído na saída do concentrador. O sistema de controle do fluxo de entrada e saída da urina no sistema está apresentado na figura 3.16.

Figura 3.16 - Peças responsáveis pelo fluxo de entrada e saída da urina do concentrador. (A) - Bomba com vazão regulável e tanque. (B) - tubulação de sucção e serpentina de condensação.

Fortaleza-CE, 2010.

Fonte: Elaborado pelo autor (2013)

Para a tubulação de recalque foi utilizado um tubo de silicone de 16 mm, o qual encaminha a urina para um sistema de pré-aquecimento. Este sistema era constituído de uma placa de metal pintada de preto a fim de poder absorver mais energia (calor) e de um tubo de pvc de alta resistência em forma de caracol (figura 3.17).

Figura 3.17 - (A) Tubulação de recalque (B) _{– Sistema de pré-aquecimento. Fortaleza-CE,} 2010.

Fonte: Elaborado pelo autor (2013) Bomba com vazão

regulável Tanque de sucção Tubulação de sucção Serpentina para condensação: saída do sistema Sistema de pré- aqucimento: Caracol com placa metálica e tubo de pcv de alta resistência

Placa metálica para pré- aquecimento

Tubulação de recalque

A B

2.5.2. Instrumentação do concentrador solar

Para monitoramento e coleta de dados do protótipo, foram instalados os seguintes instrumentos de medição: um manômetro na entrada do sistema para controle e monitoramento da pressão (figura 3.18); dois termômetros de hastes (figura 3.18), um na entrada do sistema e outro no sistema, 4 termopares tipo K e 1 multímetro digital com entrada para soquete termopar.

Figura 3.18 - (A) Termômetro de haste (B) – Registros de controle e manômetro. Fortaleza- CE, 2010

Fonte: Elaborado pelo autor 2.5.3.Instrumentação na estação agrometeorológica

A estação agrometeorológica da UFC está equipada com uma estação convencional e automatizada. Os parâmetros necessários para a análise do protótipo são radiação solar global, radiação líquida, temperaturas máxima e mínima, direção do vento, precipitação pluviométrica e quantidade de horas de brilho.

A Estação convencional possui os seguintes equipamentos: actinógrafo de Robitzsch, piranômetro de Epply, heliógrafo de Campbell, barômetro de mercúrio de cuba fixa, barógrafo para pressão em milibar, anemômetro elétrico, anemômetro de canecas, anemômetro Universal, termômetros de máxima e mínima, termômetros de bulbo seco e de bulbo úmido, termohigrógrafo, evaporímetro de Piche, pluviômetro tipo Ville de Paris, pluviômetro de Helmann, pluviógrafo de Helmann e de balança,tanque de evaporação Classe A e uma bateria de geotermômetros a diversas profundidades.

Manômetro Termômetros de haste Registro controle de pressão A B

2.5.4. Automação do sistema

Além do sistema manual de rotação da parábola, foram ainda instaladas peças para uma possível automação da rotação da parábola. O protótipo já está todo preparado para receber o motor e a placa eletrônica que farão a rotação da superfície refletora de forma automática, possuindo, atualmente, a catraca e o suporte metálico de apoio ao motor, conforme observado na figura. 3.15. Por não serem essenciais para o funcionamento do concentrador solar, esses componentes elétrico-eletrônicos não foram instalados, pois como já mencionado, o movimento está sendo realizado pelo conjunto de manivela e manípulo.