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Transformação de energia luminosa (solar) em energia elétrica

 

20/06/2012

Autor e Coautor(es)
JOSE ANGELO DE FARIA
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VICOSA - MG COL DE APLICACAO DA UFV - COLUNI

Daniel Rodrigues Ventura, Edson Luís Nunes, Emerich Michel de Sousa, José Higino Dias Filho.

Estrutura Curricular
Modalidade / Nível de Ensino Componente Curricular Tema
Educação de Jovens e Adultos - 2º ciclo Ciências Naturais Visões de mundo
Educação Profissional Recursos Naturais Técnico em Agroecologia
Ensino Médio Física Calor, ambiente e usos de energia
Dados da Aula
O que o aluno poderá aprender com esta aula
  • Descrever resumidamente o funcionamento básico de uma célula fotovoltaica.

  • Verificar por meio de uma célula fotovoltaica a ddp entre os terminais da placa quando exposta à luz solar.

  • Associar várias células fotovoltaicas para obter tensão e potência mais elevadas atendendo as necessidades de consumo.

Duração das atividades
50 minutos (uma aula)
Conhecimentos prévios trabalhados pelo professor com o aluno

          Circuito elétrico simples, efeito fotoelétrico, transformação de energia.

Estratégias e recursos da aula

Atividade I

          Sugerimos que o(a) professor(a) inicie a aula fazendo o seguinte questionamento para a turma:

          Como é possível gerar energia elétrica diretamente da radiação solar?

          Provavelmente alguns terão dificuldades em responder a esta pergunta, embora a maioria certamente já tenha visto alguma reportagem, algum texto ou mesmo por curiosidade e interesse próprio tenha se interessado em investigar o assunto e certamente alguém vai pelo menos citar o efeito fotovoltaico.

          Poderá então apresentar a Figura 01 que ilustra esquematicamente uma célula fotovoltaica e explicar o seu funcionamento básico. O material básico de uma célula fotovoltaica é o silício. Em uma das etapas de fabricação, o silício passa por um processo de fundição e purificação, formando um cristal cilíndrico. Depois, esse cilindro é cortado em fatias muito finas em lâminas que passam por etapas de limpeza e recozimento em fornos de alta temperatura, quando se difunde fósforo sobre elas, camada tipo N, Figura 01. O fósforo possui 5 elétrons na ultima camada e o silício apenas 4, ficando um elétron do fósforo desemparelhado, portanto mais livre, podendo ser mais facilmente retirado do átomo. Uma lâmina de silício é então prensada com outra enriquecida de fósforo formando uma junção. Uma fina camada de metal recobre as placas para que possa ser conectada em um circuito elétrico. Quando a luz solar incide na junção da célula, elétrons dos átomos de fósforos são arrancados de seus átomos e migram para a placa metálica formando um campo elétrico entre as placas.

Aula07Fig.01

http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSVREJUhuDZ6SAjdy8qLolX83zbVc5pUeypCxQrzOm195f87qYEXw

 

          Após apresentar a Figura 01 e fornecer as explicações básicas sobre célula fotovoltaica, poderá exibir a animação disponível no link a seguir:

 

 

 

 

 

          Divida a turma em duplas e peça que respondam por escrito as questões que seguem e após cerca de 3 minutos, tempo suficiente para as respostas, escolha as duplas que deverão responder e explicar cada pergunta.

         Quais as vantagens de transformar diretamente energia solar em energia elétrica? Cite algumas.

         A corrente gerada é de contínua ou alternada?

         Como é possível seu uso doméstico em aparelhos elétricos convencionais?

 

  • Algumas vantagens são: É renovável.  Pode ser instalada em locais isolados onde não existe energia elétrica. Pode ser consumida praticamente no local onde é gerada sem a necessidade de linha de transmissão, evitando gastos e desperdício de energia. Praticamente não há custo de manutenção. A energia solar é silenciosa e limpa sem poluição sonora e atmosférica, seu consumo não afeta o ambiente.

  • A corrente elétrica gerada é contínua.

  • Seu uso nas residências se torna possível transformado-a em corrente alternada, através de um conversor, para ser utilizada nos aparelhos elétricos e eletrônicos domésticos.

 

Atividade II

            Em seguida poderá apresentar uma demonstração sobre uma célula fotovoltaica. Para isso organize o seguinte material:

1.      Um LED de cápsulas transparente.

2.      Um multímetro.

3.      Uma lâmpada de filamento de 100 watts.

4.      Um bocal para lâmpada com extensão para ligar à tomada de energia elétrica.

          Explique para a turma que o LED funcionará como uma célula fotoelétrica na situação que será utilizado.

          Se puder usar um espaço ao ar livre no pátio de sua Escola, e as condições forem favoráveis, realize o experimento expondo o LED diretamente à radiação solar. Nesse caso dispensam-se os materiais que constam nos itens 3 e 4, acima, a radiação emitida pela lâmpada é para simular a radiação do Sol.

          Também, se for possível obter esse material em número suficiente e tiver um ambiente próprio, divida a turma em número de 4 componentes por grupo, e no laboratório de Física ou em um espaço adequado instrua para que cada grupo realize o experimento.

          Não sendo possível faça a demonstração experimental em um ponto da sala, na mesa do professor, por exemplo, e chame cada grupo por vez para observar o experimento e anotar a voltagem indicada pelo voltímetro.

Obs. Teste o material antecipadamente fazendo o experimento durante o tempo que estiver planejando a aula para evitar contra tempo. Se conseguir uma célula fotovoltaica poderá usá-la substituindo o LED.

Procedimento:

·        Ligar a lâmpada de filamento em uma tomada de 110 volts.

·        Ligar os terminais do LED aos pontos correspondentes no multímetro, usando a escala de voltagem que meça pelo menos décimos de volts. Deverá ter o cuidado de usar a polaridade correta, terminal mais comprido do LED indica que é o anodo, polaridade positiva, veja esquema na Figura 02, figura para efeito ilustrativo e didático, fora de escala.

·        Aproximar o LED da lâmpada acesa, procurando a posição em que os raios incidam nos pontos fotossensíveis do LED. Se for ao Sol coloque o LED de modo a receber radiação solar direta sob a região sensível à luz. Em ambas as situações observe a indicação no voltímetro para encontrar a posição correta que deve permanecer o LED. Peça aos alunos que anotem a voltagem máxima observada.

Pergunte aos grupos:

O que acontece quando o LED é exposto à luz solar ou à luz da lâmpada?

Que transformação de energia ocorreu?

·        Como observaram e inclusive anotaram vão dizer que aparece uma ddp em seus terminais indicada pela leitura no voltímetro e consequentemente poderá fornecer corrente elétrica a um circuito se conectado aos terminais do LED.

·        Transformação de energia luminosa em energia elétrica.

 

Aula07Fig.02

 

Pergunte também:

Alguém é capaz de citar um exemplo em que se utiliza célula fotovoltaica?

 

·        Como exemplo de aplicação prática da célula fotovoltaica, poderá citar a câmara fotográfica e a calculadora solar, esquema e figura a seguir:

  1. Em uma câmara fotográfica, o fotômetro é usado para indicar a abertura do diafragma ou necessidade do uso de flash. Sua função é medir a luminosidade ambiente numa cena a ser fotografada ou filmada. A Figura 03 ilustra um esquema do circuito de um fotômetro. Ao ser exposta à luz, a célula fotovoltaica da câmara produz uma corrente elétrica, medida por um galvanômetro ligado a ela. Embora fraca, o valor da corrente elétrica está associado à intensidade luminosa indicada pelo galvanômetro.
  2. Outro exemplo do uso de célula fotoelétrica é a calculadora solar, Figura 04. Ao ser exposta à luz, a célula fornece energia elétrica para a calculadora. Assim, ela funciona com luz solar ou artificial, sem necessidade de nenhuma outra fonte de energia.

 

Aula07Fig.03

 

 

Aula07Fig.04

 

http://www.adm.seasidegifts.com.br/produtos/500x500/calculadora-solar-7330-1.jpg

 

 

Atividade III

            Depois repita o procedimento da demonstração acima usando 3 ou mais LEDs ligados em série como na Figura 05. Explique como é feito essa ligação, terminal negativo de um LED conectado ao terminal positivo do LED seguinte e assim sucessivamente conforme ilustrado pelo esquema da Figura 05, também fora de escala. Pergunte então a cada grupo, após anotarem o valor da leitura no voltímetro, para que respondam oralmente:

            O que acontece com a voltagem quando se usam vários LEDs em série?

            O que se pode fazer para aumentar além da voltagem, a potência dessa fonte de energia?

  • O valor obtido é maior, igual à soma da ddp em cada LED, ou seja, é praticamente igual ao número de LEDs multiplicado pela ddp de cada um.

  • Como os LEDs funcionam como fonte de corrente contínua, é só ligar em paralelo, as baterias formadas pelo mesmo número de LEDs em série.

 

Aula07Fig.05

Recursos Educacionais
Nome Tipo
Painel solar fotovoltaico Animação/simulação
Recursos Complementares

          Sugerimos que acesse os endereços abaixo e repasse os dois primeiros aos alunos.

 

 

Energia solar fotovoltaica

http://fisicasmisterio.blogspot.com.br/2009/07/energia-solar-fotovoltaica.html

 

 

Energia solar

http://www.rc.unesp.br/pef/2003_projetos/Ludimila/Ludimila02_Energia%20solar.htm

 

 

Led como receptor fotovoltaico

http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol9/Num1/led.pdf

 

 

Energia solar

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/energia-solar/energia-solar.php

 

 

NASA Connect - HASB - Sun Basics

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=20999

Avaliação

          Divida os alunos em grupos de no máximo 6 integrantes por equipe e peça para pesquisarem e enumerar as vantagens e desvantagens da utilização da energia solar fotovoltaica em relação às outras formas de energia utilizadas.

Opinião de quem acessou

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