Energia Solar Térmica

A ciência por trás dos balões sem fogo.


   Coloco aqui um resumo sobre Energia Solar Térmica, a força que eleva os balões sem fogo, e suas limitações. Os números são aproximados e apenas com a análise de mais balões teremos resultados mais precisos, mas já serve de referência.


Como funciona?

   O balão sobe com a força do ar aquecido por um maçarico. No alto o balão recebe a luz do sol e, por ser de papel escuro, este papel esquenta e mantém o ar interno aquecido, mais leve que o ar de fora, mantendo o balão no alto.

Conceitos:
- A luz pode ser absorvida e/ou refletida. A luz refletida é a cor que vemos.
- A luz solar é na verdade um conjunto de várias faixas de cor, as cores do arco-íris (vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta).
- Uma superfície é branca porque reflete todas as cores.
- Uma superfície é preta porque ela não reflete nenhuma cor, ela absorve todas as cores. Por isso, preto não é cor, é ausência de cor.
- m2 = metro quadrado
- m3 = metro cúbico (= 1.000 litros)

Testes de campo:

Cubos de 50x50x50cm:

 

Termômetro posicionado internamente:

Temperatura do balão de papel preto com teto de celofane após 15 minutos sob o sol das 14:00.

 

 

Resultados:

 

 

 

 

Temperatura interna após:

Estrutura

Teto

Temperatura Ambiente Sombra

Temperatura Ambiente Sol

15 minutos

30 minutos

60 minutos

1

Transparente

Transparente

28ºC

30ºC

30ºC

x

x

2

Seda branca

Seda Branca

28ºC

30ºC

33ºC

38ºC

39ºC

3

Seda clara

Seda clara

28ºC

30ºC

34ºC

38ºC

40ºC

4

Seda escura

Seda escura

28ºC

30ºC

34ºC

39ºC

43ºC

5

Seda preta

Seda preta

28ºC

30ºC

35ºC

40ºC

46ºC

4

Plástico preto

Plástico preto

28ºC

30ºC

39ºC

44ºC

49ºC

5

Seda preta

Celofane transparente

28ºC

30ºC

47ºC

52ºC

54ºC

6

Seda branca

Celofane transparente

28ºC

30ºC

x

x

46ºC

(Testes realizados das 11:00 às 15:00, em dia de céu claro e com vento forte. ‘Balões’ estabilizados com pesos, mas a cada balançada forte o balão esfriava um pouco. No alto atinge a temperatura máxima em menos tempo, porque após estabilizar, o balão segue com o vento e não balança mais.)

1) Transparente:

   Imagine um balão todo de celofane transparente. O material transparente não retêm nenhuma luz. A luz passa por ele, logo não esquenta o material. O balão não ganha força nenhuma.

2) Branco:

   Quando a luz bate no papel branco, que retêm apenas 10% da luz e reflete 90%, este papel esquenta muito pouco. O balão não esquenta praticamente nada. Num dia de 30ºC, em 15 minutos a temperatura interna chega a 33ºC e após 30 minutos chega a 38ºC, atingindo o limite de temperatura deste balão.

3) Seda clara:

   A seda clara absorve cerca de 35% da luz. Chega a 40ºC.


4) Seda bem escura:

   A luz bate no papel escuro, que retêm cerca de 60% da luz, fazendo este papel esquentar bem mais que o papel branco, mas ainda é menos do que esquenta o papel preto. Chega a 43ºC.

5) Preto:

   O papel preto absorve cerca de 90% da luz que recebe. Em 15 minutos a temperatura interna chega a 35ºC. Em 30 minutos chega a 40ºC. Em 60 minutos atinge o pico, de 46ºC. A temperatura de papel preto chega a 50ºC, mas parte deste calor se perde em contato com o ar externo, subindo e se dissipando na atmosfera.

   É o que chamo de Efeito Asfalto, quando a superfície esquenta muito mas manda a maior parte do calor para a atmosfera, já que o calor é gerado do lado de fora. Apenas uma parte do calor do papel vai para dentro do balão, o resto se perde.

6) Plástico Preto:

   O plástico preto, além de mais leve que a seda (9 contra 20gr/m2), esquenta mais e mais rápido. É que além de esquentar na superfície, este material é mais translúcido (passa mais luz) que a seda, permitindo que uma pequena parte da luz entre no balão. A luz que passa pelo plástico bate no balão pela parte de dentro, onde encontra uma superfície escura (o plástico preto do outro do balão) e gera calor, calor gerado por dentro e que ficará todo retido no balão, já que o plástico é menos poroso (furadinho) que a seda, retendo melhor o ar quente, que tende a subir e encontrar saídas para a atmosfera. A temperatura interna chega a 49ºC.

   É o Efeito Janela, como no caso dos carros sob o sol, em que a luz passa pela janela e bate do estofamento preto. O material esquenta e aquece o ar perto dele. Este ar quente sobe, bate no vidro e fica preso dentro do carro, fazendo a temperatura chegar aos mortais 70ºC.

7) Seda preta com teto de celofane

   Neste caso, juntamos o Efeito Asfalto do papel preto com o Efeito Janela do celofane transparente. Além de absorver um pouco de luz por fora, permite a entrada de bastante luz, gerando calor DENTRO do balão, calor retido no celofane e não perdendo calor para a atmosfera. A temperatura interna chega a 54ºC.

   É sem dúvida o balão mais forte que podemos criar usando a Energia Solar Térmica. É a mesma técnica usada nos aquecedores solares de água.

   O problema é saber a quantidade certa de celofane, porque se tiver pouco celofane, vai entrar pouca luz, tendo a maior parte do calor gerado na superfície externa (papel preto). Se tiver celofane demais, a luz entra por uma ‘janela’ de celofane e sai por outra, não gerando calor nenhum, pois na entrada e na saída não encontra superfície preta para aquecer.

Como o balão sobe?

   Quanto mais o ar esquenta, mais leve ele fica.

  

Conceitos:
- Em calor e umidade, quem tem mais empresta para quem tem menos, até se igualarem.
- Dentro do balão o ar quente fica em cima.
- Quanto mais alto na atmosfera, mais fria será a temperatura do ar ambiente.
 - 01 Metro cúbico de ar quente a 30ºC pesa cerca de 1,165kg.


Os dados abaixo se baseiam em estudos iniciais e precisam ser confirmados com mais testes práticos.

Material do balão

Temperatura do

Ar Interno chega a:

Peso do ar externo (kg/m3)

Peso do ar interno (kg/m3)

Força do balão por m3 de volume

(Densidade Externa - Densidade interna

1

Transparente

30ºC

1,165

1,165

1,165 – 1,165 = 0

2

Seda branca

39ºC

1,165

1,135

= 30,00 gr/m3

3

Seda clara

40ºC

1,165

1,131

= 34,00 gr/m3

4

Seda bem escura

43ºC

1,165

1,121

= 44,00 gr/m3

5

Seda Preta

45ºC

1,165

1,115

= 50,00 gr/m3

6

Plástico Preto

49ºC

1,165

1,001

= 64,00 gr/m3

7

Seda preta com janelas de celofane

54ºC

1,165

1,085

= 80,00 gr/m3

8

Balão com fogo*

100ºC

1,165

0,947

= 218 gr/m3

* Quanto menor o balão com fogo, mais quente ele fica; já viu o bico de chinesinho torrando? O balão com fogo tem um ar muito mais leve dentro, porém tem bem mais peso já que tem boca de metal, muito peso de bucha e ainda carrega um peso bem maior. Mas em alguns casos de balão com pouca carga o balão levaria o mesmo peso com ou sem bucha, e sem bucha ficaria mais tempo no alto.

Qual a força do balão?

   Vai depender da cor do balão. Veja a força por m3 no quadro acima.

   A força do balão é a diferença entre o peso do ar externo, menos o peso do ar interno (mais leve), multiplicado pelo volume do balão.

   Temos de lembrar que, antes de mais nada, o balão precisa levantar seu próprio peso. E na conta final temos de incluir todo e qualquer peso, inclusive o peso da guia.

   Um modelado de 2,00m todo preto usa 4,8m2 de papel e gera 1,00m3 de volume. Este balão sobe apenas com o ar quente? Não, porque sua força de 50gr não eleva nem o próprio balão, que só de papel já pesa 96gr (4,8m2 x 20gr).

Veja abaixo o exemplo real de um Truff Magico de 12m:

Item

Valor ou Fórmula

Peso (gramas)

Superfície (m2)

186,5 m2

 

Volume (m3)

235,5 m3

 

Peso do Balão

=186,5*20 *1,25
(seda pesa 20gr/m2)
1,25 = valor fixo da fórmula

4662gr

Peso da Boca

300 gr

300gr

Largura Bandeira

L = 8m

 

Comprimento Bandeira

C = 11m

 

Peso Bandeira

=8*11*20 *1,25
(seda pesa 20gr/m2)
1,25 = valor fixo da fórmula

2200gr

Peso máximo da Antena

=L*C*L*1,5
=8*11*8*1,5
1,5
= valor fixo da fórmula

1056gr

Pesos diversos

150gr (guia e outros)

150gr

Peso Total

=4662+300+2200+1056+150

8368gr

Relação Peso/m3

= Peso Total / Volume

= 8368/235,5

35,54 gr/m3

    No caso acima, como o balão era todo preto ele subiu e ‘não caiu’ pois o peso total está abaixo do limite de 50,00gr/m3 para balões pretos. EM TESE, levaria uma bandeira de até 11x14m. Faça as contas e comprove.

    Se fosse colorido escuro (limite de 40,00gr/m3) também não cairia. Fosse colorido claro arrastaria muito e cairia logo, pois está um pouco acima do limite de 34,00 gr/m3. Se fosse todo branco cairia rápido pois o limite para balões brancos é de 30,00gr/m3.

   Se a carga for totalmente aliviável (asas-delta e pára-quedas), o balão pode levar mais peso porque quando ele sai do chão ele está com o ar aquecido pelo maçarico, que é bem mais leve, deixando o balão muito mais forte do que só com o calor do sol. Mas quanto menor o balão, mais rápido ele esfria. Balões pequenos (+/-6metros) esfriam em uns 5 minutos. Ou seja, em um balão pequeno com peso acima do limite para sua cor, se o paviu demorar mais de 5 minutos o balão pode cair antes de aliviar a carga.

Pré-condições

   O ideal é soltar os balões em dias com temperatura de ao menos 28ºC, porque além de esquentar mais o papel, o balão perde o calor do maçarico mais devagar, já que o ar externo está quente. Quanto mais cedo, venta menos, porém o sol é mais fraco. Normalmente entre 8:30 e 9:30 pode-se encontrar temperatura já alta e vento ainda fraco.

Quanto o balão sobe?

   Com peso muito abaixo do limite, pode chegar a +-3.000m. Com peso perto do limite chega a +-1.5000m. Com peso acima do limite dependerá muito do tamanho do balão, mas em balões grandes pode chegar a 1.000m e já começar a cair.

Quando o balão cai?

   O balão sai do chão pelo calor do maçarico e enquanto este esfria, o ar vai esquentando pelo calor gerado na folha, que absorve a luz solar.

   Mesmo que o peso total esteja um pouco abaixo do limite para aquela cor do balão, a força da gravidade e o vento irão empurrar o balão para baixo, fazendo-o arrastar até cair, lentamente.

   Se o peso total estiver bem abaixo do limite, o balão pode cair só no fim da tarde, quando diminuir a força da luz solar, ou se o sol ficar encoberto por nuvens durante muito tempo.

   Tenho dúvida se o mesmo se aplica a balões gigantes, porque neste caso o balão tem muito pouco papel em relação à enorme quantidade de ar interno. É pouco papel para esquentar tanto ar. Em compensação, o ‘núcleo de calor’ é maior, mantendo o ar do maçarico aquecido por menos tempo.

Boca aberta ou fechada?

   Vai depender de como o balão sobe e do vento. Quanto mais ele chacoalhar ou tombar, mais ar quente vai sair e mais ar frio vai entrar. No geral o ideal seria uma tampa com um furo no meio, que além de impedir a saída de muito ar quente duma vez, serve como válvula para sair o ar mais frio e ainda ajuda para dar aquela última maçaricada após colocar a tampa da boca.

Lastro

   Se o balão tiver pouco peso, pode-se colocar algum lastro para não balançar na saída, como uma garrafa furada cheia com água. Quanto mais estável o balão, mais rápido ele se aquece com a luz solar.

Considerações Finais  

   Este trabalho será complementado com as informações que obtivermos analisando todos os balões que participarem do 1º Festival de Balões de Fogo de São Paulo, com base nas fichas de inscrição e nos dados de campo.

Autor: Neb