Investigação Experimental do Desempenho Térmico de Óleos Selecionados para Armazenamento de Energia Solar e Cozinha

1. Introdução & Visão Geral

Esta investigação analisa o desempenho térmico de óleos disponíveis localmente no Uganda — especificamente óleo de girassol refinado, óleo de palma refinado e o óleo mineral industrial Thermia B — para aplicação em sistemas de armazenamento de energia térmica solar e de cozinha rural. O principal desafio abordado é identificar um fluido de transferência de calor (FTC) e meio de armazenamento económico, seguro e eficiente, adequado para contextos rurais fora da rede elétrica, onde os FTCs industriais convencionais são proibitivamente caros.

O estudo é motivado pelas limitações de meios comuns como o ar (baixa capacidade térmica) e a água (risco de vaporização a altas temperaturas). Os óleos vegetais apresentam uma alternativa promissora devido à sua maior estabilidade térmica, segurança em caso de fuga e disponibilidade local, o que está alinhado com os objetivos de desenvolvimento sustentável.

2. Metodologia Experimental

A abordagem experimental foi concebida para avaliar tanto as capacidades de retenção de calor estática como de transferência de calor dinâmica, em condições que simulam o carregamento térmico solar.

2.1. Amostras de Óleo & Propriedades

Três óleos foram selecionados com base na disponibilidade e relevância local:

Óleo de Girassol Refinado: Um óleo vegetal comum.
Óleo de Palma Refinado: Outro óleo vegetal amplamente disponível.
Thermia B: Um fluido de transferência de calor comercial à base de mineral, utilizado como referência.

As principais propriedades termofísicas (densidade $\rho$, capacidade térmica específica $c_p$, condutividade térmica $k$) foram obtidas da literatura (Mawire et al., 2014), mostrando que os óleos vegetais geralmente têm maior densidade e capacidade térmica específica do que o Thermia B.

2.2. Teste de Capacidade de Retenção de Calor

Uma experiência primária mediu a retenção de calor passiva. Um tanque cilíndrico de 4,5L, isolado e equipado com um aquecedor elétrico de 1,5 kW, foi preenchido com 4L de cada óleo. O óleo foi aquecido até uma temperatura próxima do seu ponto de fumo (um limite de segurança e desempenho). O aquecimento foi então interrompido, e a curva de arrefecimento foi registada ao longo de aproximadamente 24 horas usando termopares tipo K conectados a um registador de dados TC-08 (ver esquema da Fig. 1). Este teste quantificou a capacidade do óleo de armazenar e reter energia térmica sem circulação ativa.

Descrição do Gráfico/Figura (Fig. 1): O esquema mostra um tanque cilíndrico isolado contendo a amostra de óleo. Está presente um aquecedor de imersão. Três termopares são inseridos a diferentes alturas (a 5cm de distância) para medir a estratificação de temperatura. Os fios dos termopares ligam-se a um registador de dados (TC-08), que está ligado a um computador para monitorização em tempo real e registo de dados.

3. Resultados & Análise

3.1. Comparação de Desempenho Térmico

Os dados experimentais revelaram hierarquias de desempenho claras:

Taxa de Ganho de Calor

Óleos Vegetais > Thermia B
O óleo de girassol e o óleo de palma atingiram as temperaturas-alvo mais rapidamente do que o óleo mineral durante a fase de carregamento, indicando uma potencial melhor absorção de calor num coletor solar.

Duração da Retenção de Calor

Óleo de Girassol > Óleo de Palma > Thermia B
O óleo de girassol demonstrou a taxa de arrefecimento mais lenta, retendo calor utilizável pelo período mais longo após a remoção da fonte de calor.

Energia Total Armazenada

Óleo de Girassol > Óleo de Palma > Thermia B
Cálculos baseados nas curvas de arrefecimento e na capacidade térmica mostraram que o óleo de girassol armazenou a maior quantidade de energia térmica por unidade de volume.

3.2. Principais Conclusões & Dados

O estudo identificou conclusivamente o óleo de girassol refinado como o candidato mais adequado entre os óleos testados para a transferência e armazenamento integrados de calor em sistemas de cozinha solar. A sua capacidade térmica específica e retenção térmica superiores traduzem-se diretamente numa maior eficiência do sistema e tempos de cozedura mais longos a partir de uma única carga. O óleo de palma teve um desempenho respeitável, mas foi superado pelo óleo de girassol. O Thermia B, embora seja um fluido industrial dedicado, foi menos eficaz neste contexto de aplicação específico, provavelmente devido à sua menor capacidade térmica volumétrica.

Conclusão Principal: O melhor desempenho não foi do fluido industrial especializado, mas de um óleo vegetal de grau alimentar de origem local, destacando o valor da tecnologia apropriada ao contexto.

4. Análise Técnica Aprofundada

4.1. Modelos Matemáticos & Fórmulas

A energia armazenada no óleo durante a experiência pode ser modelada usando a equação fundamental da calorimetria:

$$Q = m \int_{T_{inicial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$

Onde $Q$ é a energia térmica (J), $m$ é a massa de óleo (kg), e $c_p(T)$ é a capacidade térmica específica dependente da temperatura (J/kg·K). O estudo utilizou fórmulas empíricas para $c_p$ de Mawire et al. (2014), por exemplo, para óleo de girassol: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

O processo de arrefecimento pode ser analisado usando a Lei de Arrefecimento de Newton, aproximando a taxa de perda de calor:

$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambiente})$$

Onde $k$ é uma constante de arrefecimento dependente das propriedades do óleo e do isolamento do sistema. O $dT/dt$ mais lento para o óleo de girassol indica um $k$ mais favorável para o armazenamento de energia.

4.2. Descrição da Configuração Experimental

O aparelho central era um tanque bem isolado para minimizar as perdas de calor parasitas para o ambiente, garantindo que as curvas de arrefecimento medidas refletissem principalmente as propriedades intrínsecas do óleo. O uso de múltiplos termopares permitiu a observação da estratificação térmica — uma camada mais quente sobre uma mais fria — o que é típico no armazenamento de fluidos estagnados. O sistema de registo de dados forneceu dados temporais de temperatura de alta resolução, críticos para cálculos de energia precisos e análise comparativa.

5. Análise Crítica & Perspetiva da Indústria

Conclusão Central: Este artigo apresenta um argumento poderoso e contra-intuitivo: no nicho do armazenamento térmico solar rural de baixo custo, um produto básico de cozinha comum (óleo de girassol) pode superar um fluido industrial construído para o efeito (Thermia B). O verdadeiro avanço não é um novo material, mas uma recontextualização radical de um existente. Desloca o foco da inovação da síntese de alta tecnologia para a seleção inteligente de tecnologia apropriada.

Fluxo Lógico: A lógica da investigação é admiravelmente direta e orientada para a aplicação. Começa com um problema real claro (custo e segurança dos FTCs para cozinha rural), define métricas de desempenho relevantes (ganho de calor, retenção, armazenamento total) e configura uma experiência controlada que simula diretamente as operações-chave do sistema (carregamento e arrefecimento passivo). A comparação entre óleos vegetais locais e uma referência industrial é o seu golpe de mestre, proporcionando relevância imediata e acionável.

Pontos Fortes & Fraquezas:
Pontos Fortes: A maior força do estudo é a sua validade pragmática. As condições experimentais (temperaturas próximas do ponto de fumo, arrefecimento de 24 horas) espelham de perto cenários de uso real. A escolha de óleos disponíveis localmente garante que as conclusões sejam imediatamente implementáveis, reduzindo as barreiras à transferência de tecnologia. Isto está alinhado com o campo crescente da "inovação frugal" documentado por instituições como o Programa de Assistência à Gestão do Setor de Energia (ESMAP) do Banco Mundial.
Fraquezas: A análise é principalmente empírica e comparativa, faltando uma análise profunda do porquê por trás das diferenças de desempenho. Embora cite dados de propriedades, não explora totalmente as razões moleculares ou composicionais pelas quais o óleo de girassol supera o óleo de palma. Além disso, o estudo omite testes de estabilidade a longo prazo — críticos para aplicações reais. Os óleos vegetais podem polimerizar, oxidar e degradar-se sob ciclos térmicos repetidos (um fenómeno bem estudado na investigação de óleos de fritura). O óleo de girassol formará lodo após 100 ciclos de aquecimento? O artigo é silencioso sobre este ponto crucial operacional. Também não aborda os potenciais impactos na qualidade dos alimentos cozinhados ou na transferência de odor.

Conclusões Acionáveis: Para engenheiros e ONGs que trabalham em fogões solares para regiões em desenvolvimento, o mandato é claro: façam protótipos com óleo de girassol agora. O benefício de desempenho está provado. A próxima fase crítica de I&D deve ser o teste de durabilidade e ciclo de vida. Colaborem com químicos alimentares para compreender e mitigar a degradação térmica. Explorem estratégias simples de filtração ou aditivos para prolongar a vida útil do óleo. Além disso, este trabalho deve catalisar uma busca mais ampla de materiais: se o óleo de girassol funciona, e quanto a outros fluidos localmente abundantes e de alta capacidade térmica, como certos óleos de sementes ou mesmo soluções à base de açúcar? A estrutura de investigação aqui estabelecida é um modelo perfeito para um processo de triagem sistemático e específico da localidade.

6. Estrutura de Análise & Exemplo de Caso

Estrutura para Avaliar Fluidos Locais de Armazenamento Térmico:
Esta investigação fornece uma estrutura replicável para avaliar qualquer fluido potencial num contexto sociotécnico específico. A estrutura consiste em quatro filtros sequenciais:

Filtro de Contexto (Disponibilidade & Segurança): O material está disponível localmente, é económico e não perigoso (ex.: não tóxico, não inflamável de uma forma que a água é)? O óleo de girassol passa; um óleo sintético pode falhar no custo/disponibilidade.
Filtro de Propriedades (Termofísicas): Tem uma alta capacidade térmica volumétrica ($\rho c_p$) e uma gama de temperaturas operacionais? Dados da literatura ou testes laboratoriais simples aplicam-se aqui.
Filtro de Desempenho (Experimental): Como se comporta realmente num sistema simulado? Isto envolve os testes de ganho e retenção de calor descritos no artigo.
Filtro de Durabilidade & Ciclo de Vida (Longo Prazo): Mantém o desempenho ao longo de ciclos repetidos? Qual é o seu perfil de degradação e o custo total do ciclo de vida?

Aplicação de Exemplo de Caso:
Uma ONG na Índia quer desenvolver uma unidade de armazenamento térmico solar para cozinha comunitária. Usando esta estrutura:
1. Contexto: Identificam o óleo de mostarda e o óleo de coco como amplamente disponíveis, económicos e seguros para contacto incidental com alimentos.
2. Propriedades: A pesquisa bibliográfica mostra que o óleo de coco tem uma capacidade térmica específica alta (~2000 J/kg·K) e um ponto de fumo alto (~177°C), tornando-o promissor.
3. Desempenho: Constroem um aparato de teste idêntico ao da Fig. 1 do artigo, comparando óleo de mostarda, óleo de coco e uma linha de base de água. Descobrem que o óleo de coco retém calor 40% mais tempo do que a água para a sua banda de temperatura alvo.
4. Durabilidade: Executam 50 ciclos consecutivos de aquecimento-arrefecimento no óleo de coco, monitorizando a viscosidade e acidez. Um aumento significativo na viscosidade após 30 ciclos indica a necessidade de substituição ou tratamento do óleo, definindo protocolos de manutenção para o desenho final do sistema.

7. Aplicações Futuras & Direções de Investigação

As implicações desta investigação vão além dos simples fogões solares:

Sistemas Térmicos Solares em Cascata: O armazenamento à base de óleo de girassol poderia fornecer não apenas calor para cozinhar, mas também calor de baixo grau para aquecimento de espaços ou pré-aquecimento de água em clínicas ou escolas rurais, melhorando a economia geral do sistema.
Integração com Canais Parabólicos Solares: Coletores de canal parabólico de pequena escala poderiam usar óleos vegetais como FTC e meio de armazenamento diretos, simplificando a arquitetura do sistema para aplicações descentralizadas.
Híbridos de Ciência dos Materiais: A investigação futura deve investigar a criação de "óleos vegetais melhorados" com nanopartículas dispersas (ex.: alumina, grafite) para aumentar a condutividade térmica ($k$) sem sacrificar a segurança ou o custo, um conceito explorado na investigação avançada de nanofluidos (ex.: estudos publicados no International Journal of Heat and Mass Transfer).
Misturas Otimizadas por IA: Modelos de aprendizagem automática poderiam ser treinados em bases de dados de propriedades termofísicas para prever misturas ótimas de diferentes óleos locais para maximizar $\rho c_p$ e minimizar o custo para uma determinada zona climática.
Modelos de Economia Circular: Investigação sobre o uso de óleo de cozinha usado (após tratamento adequado) como meio de armazenamento térmico poderia criar um ciclo de economia circular convincente, reduzindo ainda mais os custos e o desperdício.

O próximo passo crítico é passar do desempenho laboratorial para o desenho de sistema durável validado em campo, abordando as questões de estabilidade a longo prazo que este estudo fundamental levanta.

8. Referências

Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Experimental Investigation of Thermal Performance for Selected Oils for Solar Thermal Energy Storage and Rural Cooking Application. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems. Applied Energy, 113, 1106-1115. (Fonte para dados de propriedades termofísicas).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Experimental investigation of a rock bed thermal energy storage system for solar cooking. International Journal of Sustainable Energy.
World Bank / ESMAP. (2020). Frugal Innovation in the Energy Sector: A Guide to Doing More with Less. [Relatório Online].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [Programa de Investigação].
Said, Z., et al. (2021). Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (Para contexto de melhoria com nanofluidos).