Fogão Solar

Um projeto que resolvi colocar em andamento neste verão de 2004 foi a construção de um fogão solar. A idéia é muito simples, vários pequenos espelhos refletindo a luz solar para o mesmo ponto focal. Resolvi fazer um protótipo pequeno de apenas 100 espelhos de 5 x 5cm cada um, assim teria um mosaico final de 0,5 x 0,5 m, bem leve e portátil. Encomendei numa vidraçaria os 100 espelhinhos a R$25,00. Numa madeireira comprei duas lâminas de MDF de 60 x 60 x 0.6 cm e uma ripa de madeira de 5cm x 200cm para montar a caixa. Também comprei perfis de alumínio para fazer a armação de suporte do fogão. Feita a caixa e a armação de alumínio começei a colagem dos espelhos. Esta é a parte crítica do projeto pois cada espelho deve ficar bem alinhado para que o reflexo dos raios solares convirjam para o ponto focal definido pelo suporte de alumínio onde posteriormente será colocado o objeto a ser aquecido. A princípio tentei fazer isso usando o próprio Sol. Colei o primeiro espelho como referência e segui colando os demais observando o reflexo do Sol no mesmo ponto. Mas este método se revelou muito dificultoso pois necessitava de Sol (à noite não era possível executá-lo) e também eu tinha que ficar exposto ao Sol por longo período. Resolvi tentar um outro método que se revelou muito mais prático e eficiente. Desenhei numa cartolina uma grade com as mesmas dimensões da caixa onde ficariam os espelhos. Numerei cada posição dos espelhos na caixa com a numeração correspondente da cartolina e colei a cartolina no teto da sala.

Alinhei a caixa com os espelhos no chão de maneira que observando bem pelo meio do suporte de alumínio eu via o reflexo do número correspondente na cartolina bem centrado no espelho que estava colando. Para colar os espelhos usei cola de borracha de silicone e pequenos taquinhos de madeira, empurrando os taquinhos com cola até que o reflexo estivesse alinhado e assim fui montando o fogão solar. A grande vantagem deste tipo de montagem (pequenos espelhos) sobre um espelho parabólico em peça única é o seu tamanho compacto, enquanto o parabólico seria muito volumoso, difícil de guardar e transportar, este modelo fica bem fino quando desmontado, apenas 5 cm de espessura. Este é o mesmo princípio das lentes Fresnel só que aplicada a espelhos.

Quando o fogão já tinha uns 40 espelhos colados fiz uns testes que podemos ver nas fotos abaixo. Colocando um pedaço de jornal no foco este fumegava instantaneamente e pegava fogo em dois ou três segundos, por isso é importante alertar que este forno não deve ser deixado sem proteção, sempre com um responsável por perto alertando crianças e mesmo adultos que colocar a mão no foco queima de verdade.

Dicas:
1 - Eu projetei o fogão solar para que o ponto focal ficasse num ponto acima da borda da caixa pois assim o objeto que fosse colocado no suporte não faria sombra em nenhum espelho, o que reduziria a eficiência do fogão. Com isso o espelho de referência que foi colado sem inclinação nenhuma, plano no fundo da caixa foi o do centro da segunda fileira a partir do suporte de alumínio, os demais espelhos devem convergir para o mesmo ponto que este primeiro espelho ilumina no ponto focal.
2 - Para centrar bem direito cada espelho usando o método descrito acima eu coloquei um papel cobrindo o suporte de alumínio com um furinho bem no centro. Observando pelo furinho teremos que ver o reflexo do número na cartolina fixada no teto bem centrado no espelho que estamos colando. Esta centragem não é tão crítica pois o objetivo seria aquecer, por exemplo, água em uma pequena chaleira. Então podemos admitir um erro de meio a um cemtímetro no foco de cada espelho pois ainda assim teremos a soma de todo espelhos na região central do foco.
3 - Exitem dois parâmetros que podemos variar na construção do fogão: o tamanho total da caixa e o tamanho de cada espelho. Se aumentarmos o tamanho da caixa teremos uma maior quantidade de luz solar captada e uma maior quantidade de calor para tranferir ao objeto a aquecer. Se variarmos o tamanho de cada espelho podemos mudar o grau de concentração da luz solar. Exemplo: diminuindo o tamanho de cada espelho mas mantemdo o tamanho da caixa teremos maior número de espelhos o que aumenta o calor no foco porém numa área menor. Resumindo: se você quer aqueder grande quantidade de água necessita de uma caixa maior, se deseja muito calor concentrado deve diminuir o tamanho de cada espelho aumentando, consequentemente, o número total de espelhos.
4 - Como temos que acompanhar o movimento do Sol para que o foco caia sempre no ponto desejado eu fiz uma espécie de "macaco sanfona" parecido com um macaco de automóvel para elevar e abaixar os espelhos. Veja nas fotos abaixo, apenas 4 hastes de alumínio com articulação e uma corrente que prende a um parafuso para regular a altura.

Depois de pronto consegui aquecer uma chaleira de água de cerca de 400 ml em pouco mais de 15 minutos. Se acharem muito lembre-se que não estamos gastando nada, nenhum tipo de energia, só energia solar que é grátis.

Curiosidades:
1 - Foi o grego Arquimedes quem teve esta idéia na antiguidade. Ele projetou um sistema de espelhos (naquela época feitos de metal polido) para proteção de uma cidade portuária da Grécia. Vários soldados portando espelho focariam as velas de navios inimigos ateando fogo neles. Não há registro de uso desta técnica embora seja perfeitamente factível. Pelos meus teste apenas 50 soldados poderiam executar a façanha.
2 - A tocha olímpica dos jogos modernos é acesa com a concentração da luz solar com um pequeno espelho parabólico. Veja figura abaixo.

3 - A superfície deste meu protótipo é menor que a superfície de pele que uma pessoa adulta expõe ao Sol na praia durante o verão.
4 - Tirando a energia vulcânica e nuclear, toda a energia que consumimos (petróleo, cavão, lenha, alcool, eólica, das ondas, etc.) é energia solar transformada. Estes espelhos apenas eliminam todos os intermediários químicos e mecânicos, estamos captando energia direto da nossa fonte primária.

Referências e links:
Universidade na Comunidade - blogger da escola Aníbal de Freitas com o projeto do fogão solar.
INFINITELY LARGE SOLAR FURNACE - a idéia para o meu protótipo. Leia o relato impressionante ao final da página.
RedRok - vários links.
The Olympic Flame - site oficial.
The Olympic Flame - texto sobre a tocha olímpica.