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. 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 aprimorar processos térmicos de alta temperatura e tecnologias de energia solar concentrada. O trabalho foi feito no Laboratório de Sistemas Energéticos Alternativos e Renováveis (Sisea).
O simulador já está em operação, 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.
“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.
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. Medidas especiais de segurança foram adotadas para garantir a integridade dos operadores. 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.
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