Conceção, construção e teste de um desidratador solar de alimentos

Abstract

Resumo O presente trabalho de projeto descreve a conceção, construção e ensaio experimental de um protótipo de desidratador solar de alimentos, que combina o calor do sol com um sistema de ventilação elétrica, desenvolvido no âmbito da Licenciatura em Engenharia das Energias Renováveis do Instituto Politécnico de Castelo Branco. O projeto visa responder ao desafio da conservação agroalimentar e a evitar que os alimentos se estraguem depois de serem colhidos, na região de Castelo Branco, associando um método tradicional de preservação a tecnologias de baixo custo e energeticamente autónomas. Do ponto de vista teórico, o relatório aborda os fundamentos da geometria solar variação da órbita terrestre, excentricidade, equinócios, solstícios, tempo solar verdadeiro (TSV) e equação do tempo, necessários à modelação da radiação solar incidente em superfícies inclinadas, bem como os princípios de conservação alimentar por desidratação: composição química dos alimentos, humidade em base húmida e seca, balanço de massa e energia associado à evaporação da água. O protótipo é constituído por três módulos principais: a câmara de secagem, o coletor solar térmico de ar e o sistema eletrónico de monitorização e controlo. A câmara e o coletor foram construídos em placas de poliestireno (XPS) de 40 mm, com estrutura de suporte em ferro, e o coletor foi orientado com uma inclinação de 25º, otimizada para a captação de radiação solar em Castelo Branco durante o verão. O princípio de funcionamento assenta na convecção do ar: o ar exterior é aquecido no coletor solar (superfície interior pintada de preto) e conduzido até à câmara de secagem, onde atravessa o produto e promove a evaporação da água nele contida. Um sistema de ventilação forçada, controlado automaticamente por um Arduíno Mega 2560 com base nas leituras de temperatura e humidade da câmara e do coletor, e alimentado por um conjunto fotovoltaico (painel, controlador de carga e bateria), assegura a operação autónoma do sistema. O protótipo foi submetido a dois ensaios experimentais, realizados nos dias 06 e 07 de agosto de 2026, com registo de dados a intervalos de 15 minutos ao longo de aproximadamente 9 horas por dia. Os resultados confirmaram um comportamento térmico consistente e repetível entre os dois dias, com a câmara de secagem a atingir picos de temperatura próximos dos 52 °C e a manter-se sistematicamente mais quente do que o coletor solar, validando o seu funcionamento como reservatório térmico. A aplicação do balanço de massa a uma amostra de 20 rodelas de banana permitiu quantificar uma redução de massa de 52,5% e uma diminuição da humidade de 75,0% para 47,4%, correspondendo a uma energia de evaporação estimada de aproximadamente 150 kJ. Este valor de humidade final, ainda distante do intervalo de referência para conservação segura (15–20%), evidencia que a duração dos ensaios foi insuficiente para uma desidratação completa, constituindo a principal limitação identificada e o ponto de partida para os trabalhos futuros propostos. Abstract: This project work describes the design, construction, and experimental testing of a solar food dehydrator prototype, which combines heat from the sun with an electric ventilation system, developed within the scope of the Bachelor's Degree in Renewable Energy Engineering at the Polytechnic Institute of Castelo Branco. The project aims to address the challenge of food preservation and to prevent food from spoiling after harvest in the Castelo Branco region, combining a traditional preservation method with low-cost, energy-autonomous technologies. From a theoretical standpoint, the report covers the fundamentals of solar geometry variations in Earth's orbit, eccentricity, equinoxes, solstices, true solar time (TST), and the equation of time, necessary for modelling solar radiation incident on tilted surfaces, as well as the principles of food preservation through dehydration: chemical composition of food, wet-basis and dry-basis moisture content, and the mass and energy balance associated with water evaporation. The prototype consists of three main modules: the drying chamber, the solar air collector, and the electronic monitoring and control system. The chamber and collector were built using 40 mm extruded polystyrene (XPS) panels, with an iron support structure, and the collector was oriented at a 25º tilt angle, optimized for solar radiation capture in Castelo Branco during the summer. The operating principle is based on air convection: outside air is heated in the solar collector (whose interior absorbing surface is painted black) and directed into the drying chamber, where it passes through the product and promotes evaporation of the water it contains. A forced ventilation system, automatically controlled by an Arduino Mega 2560 based on temperature and humidity readings from the chamber and the collector, and powered by a photovoltaic setup (solar panel, charge controller, and battery), ensures the system's autonomous operation. The prototype was subjected to two experimental trials, carried out on 6 and 7 August 2026, with data logged at 15-minute intervals over approximately 9 hours per day. The results confirmed consistent and repeatable thermal behaviour between the two days, with the drying chamber reaching peak temperatures close to 52 °C and remaining consistently warmer than the solar collector, validating its function as a thermal reservoir. Applying the mass balance to a sample of 20 banana slices quantified a mass reduction of 52.5% and a decrease in moisture content from 75.0% to 47.4%, corresponding to an estimated evaporation energy of approximately 150 kJ. This final moisture value, still far from the reference range for safe storage (15–20%), shows that the trial duration was insufficient for complete dehydration, which was identified as the main limitation of the study and the starting point for the future work proposed.