Simulador solar da USP já está ativo e poderá ser usado para produzir combustíveis limpos

Produzido na Escola Politécnica, o equipamento gera radiação térmica semelhante à do Sol. E permite realizar testes de dispositivos e tecnologias em laboratório, sem a dependência de condições climáticas ideais

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – O simulador solar indoor é um equipamento projetado para simular artificialmente a radiação solar em ambientes controlados. E utilizado para testar dispositivos e tecnologias que utilizam a radiação solar, como reatores termoquímicos, produção de vapor e óleos quentes, entre outros. Lâmpadas de xenônio de alta intensidade emitem a luz, que é refletida e concentrada por espelhos parabólicos, gerando um feixe termoluminoso semelhante ao do Sol. Dessa forma, é possível realizar os testes sem a necessidade de condições climáticas externas ideais, de céu limpo sem nuvens.

Pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP) desenvolveram e testaram um novo simulador solar indoor de alto fluxo, desenhado para otimizar processos térmicos de alta temperatura e aprimorar tecnologias de energia solar concentrada. O trabalho foi feito no Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos e Renováveis (Sisea). E o simulador já está operacional, podendo ser utilizado em diversas aplicações, como reações termoquímicas para produção de hidrogênio e gás de síntese (mistura de hidrogênio e monóxido de carbono, com alto valor energético); pesquisa de catalisadores para otimizar reações químicas; fundição de metais e outros materiais que demandam temperaturas elevadas; testes em fornos solares para processos industriais etc.

“Nosso simulador utiliza oito lâmpadas de arco de xenônio de alta temperatura. A luz emitida é refletida por um conjunto de espelhos parabólicos, que geram feixes de radiação colimados, ou seja, com raios paralelos. Esses feixes incidem em um segundo conjunto de espelhos parabólicos, para serem concentrados em um ponto focal comum, permitindo a simulação de condições solares intensas dentro do laboratório. O principal objetivo de criar esse ‘sol artificial’ é viabilizar experimentos controlados em ambientes fechados, superando a dependência da radiação solar natural, que está sempre sujeita ao ciclo diurno e a variações climáticas”, conta o pesquisador José Roberto Simões Moreira, professor titular da Poli-USP, coordenador do Sisea e principal responsável pelo trabalho em pauta.

A radiação termoluminosa é gerada por oito lâmpadas de arco de xenônio de alta temperatura. E, depois de colimada e concentrada por espelhos parabólicos,
a radiação final é absorvida em uma cavidade negra (posicionada no foco comum) (foto: José Roberto Simões Moreira)

As reações ocorrem em um reator termoquímico baseado no conceito de “cavidade negra”, instalada no foco comum dos espelhos refletores, na qual a radiação concentrada é absorvida, podendo atingir temperaturas capazes de superar 2 mil °C. Essas condições são ideais para a realização de reações químicas específicas, como a produção de gás hidrogênio por processo de oxirredução de metais. Nesse caso, isso se dá em duas etapas: na primeira, um metal é oxidado na presença de vapor d'água, liberando o gás hidrogênio; na segunda, o metal oxidado é reduzido para reutilização, fechando o ciclo. Alternativamente, o equipamento possibilita produzir também o gás de síntese, por meio da reação do metano (CH₄) com vapor d'água (H2O), gerando monóxido de carbono (CO) e hidrogênio (H₂), um processo amplamente utilizado na indústria. Outras reações também podem ocorrer, envolvendo como matéria-prima a biomassa, por exemplo.

Simões informa que o principal diferencial do novo simulador da Poli-USP em relação a outros equipamentos do gênero é o emprego de espelhos parabólicos secundários. “Eles refletem os raios colimados para o foco do espelho parabólico mestre, possibilitando condições mais realistas para os testes de laboratório e eventuais aplicações em ambientes externos, ao contrário do que ocorre com os refletores elipsoidais tradicionais”, afirma.

Medidas especiais de segurança foram adotadas para garantir a integridade dos operadores. Para evitar riscos de explosão de lâmpadas, uma placa associada a um sistema de resfriamento mantém a temperatura do sistema dentro de uma faixa segura. Além disso, cada lâmpada é protegida por uma janela de vidro frontal que bloqueia a exposição acidental a emissões ultravioleta e, em caso de explosão, impede que os detritos voem. Um sistema de travamento possibilita a ativação e desativação das fontes de luz externamente à sala de testes. E cada lâmpada é controlada de forma individual, permitindo ajustar a quantidade de irradiação no alvo conforme necessário. Adicionalmente, todo o conjunto está instalado em uma sala dotada de um sistema de intertravamento de forma que, se alguém adentrar na sala durante a operação, todo o conjunto de lâmpadas é desligado. Pois a exposição à radiação térmica concentrada das lâmpadas pode ser fatal, sobretudo nas adjacências do foco principal.

O conjunto de espelhos parabólicos, que colima e concentra os raios termoluminosos (foto: José Roberto Simões Moreira)

O estudo utilizou técnicas computacionais (método de Monte Carlo) para rastrear os raios, simular o caminho óptico da luz e quantificar a eficiência do sistema. As medições experimentais foram realizadas com um espectrofotômetro e um sensor de fluxo de calor para determinar a potência térmica concentrada e mapear a distribuição.

“O simulador já está em atividade e a próxima etapa é viabilizar reações termoquímicas dentro da cavidade negra. Para tanto, nosso grupo está focado na pesquisa de catalisadores. Além disso, estamos estudando a adaptação da tecnologia para aplicações externas, utilizando diretamente a radiação solar em vez de lâmpadas. Há um grande potencial de aplicações na indústria e na produção de combustíveis limpos, vapor de água e ciclos térmicos de potência”, sublinha Simões.

O trabalho recebeu apoio da FAPESP por meio do projeto “Produção de combustíveis solares a partir de energia solar concentrada”. E uma primeira apresentação dos resultados foi feita no artigo “Novel high-flux indoor solar simulator for high temperature thermal processes” , publicado no periódico Applied Thermal Engineering.