•    Como aplicar o uso direto da energia solar por meio de dispositivos simples.

•    Diferenciar transformações da energia solar para obtenção de energia útil, da maneira direta ou indireta.

•    Como usar a energia solar para obtenção de energia elétrica.

50 minutos (uma aula)

          Energia térmica, energia elétrica, transformação de energia, radiação eletromagnética, efeito fotoelétrico.

          Sugerimos que o(a) professor(a) inicie sua aula apresentando a figura que se encontra disponível no Link abaixo para explicar o que é constante solar.  

          A constante solar corresponde ao fluxo de radiação solar que incide perpendicularmente numa superfície plana de área unitária, durante uma unidade de tempo, no topo da atmosfera; seu valor é estimado em 1367 watts/m², aproximadamente 1370 watt/m² como na figura.

 

Fluxo da energia solar 

 

 

 

          Depois deverá explicar que a energia armazenada nos combustíveis fósseis: carvão, petróleo e gás natural resultam da captação e armazenagem da energia solar em plantas, algas e animais pré-históricos, que existiram a milhões de anos atrás, portanto constitui energia armazenada recebida do Sol. Também tem como origem o Sol, a energia resultante da biomassa, armazenada pelos vegetais durante a fotossíntese. A energia do vento, da água de uma cachoeira ou de uma represa, das ondas, provém do Sol, resultante, sobretudo do aquecimento diferenciado em várias regiões na superfície terrestre, sincronizados com o movimento da Terra.

          Deverá explicar que apesar de todas essas formas de energia derivadas da energia solar, o uso da energia radiante do Sol que atinge a Terra convertida em energia útil, divide-se em dois tipos:

1.      Direto significa que há apenas uma transformação para fazer com que a energia solar torne um tipo de energia útil pelo homem.

Exemplos: coletores solares para aquecimento de água, células fotovoltaicas.

2.      Indireto significa que precisará haver mais de uma transformação para que a energia solar seja convertida em energia utilizável.

Exemplo: usina termo-solar.

Atividade I

          Após essas explicações deverá fazer uma demonstração experimental de um dispositivo, bem simples, para exemplificar o princípio de funcionamento de um aquecedor solar. Para evitar surpresas desagradáveis, faça sua montagem e teste-a antes, depois faça sua exposição durante a aula.

 Para essa montagem será preciso do seguinte material:

1.      Duas garrafas de plástico transparentes iguais; de 1 a 2 litros.

2.      Cerca de 1 metro de uma mangueirinha fina flexível.

3.      Uma lâmpada de 100 watts.

4.      Um bocal para lâmpadas e fios para ligar à tomada de 110 V se necessário. Há um bocal que pode ser ligado diretamente à tomada sem auxílio de fios condutores.

5.      Um termômetro de mercúrio ou de outro líquido, com faixa de temperatura cobrindo pelo menos de 10 a 60 graus Celsius.

Montagem:

·        Em cada uma das garrafas faça um corte transversal ortogonal, ou seja, um corte paralelo ao fundo da garrafa, sendo que em uma delas o corte deverá ser próximo ao fundo e na outra o corte deverá ser próximo ao gargalho, veja esquema na Figura 01; A e B ilustrando a região do corte em cada garrafa, C e D as garrafas já cortadas.

·        Sem a tampa, introduza pela boca da garrafa as extremidades da mangueira para dentro dela de modo que uma das extremidades fique bem próxima à boca da garrafa e a outra extremidade próxima ao corte feito na garrafa, veja esquema E da Figura 02. Vede a boca da garrafa com cola ou pasta própria para plástico, pasta epóxi, por exemplo; após a cola ficar seca, se necessário use parafina para uma vedação perfeita. 

·        Inverta essa garrafa sobre a outra, de modo que a mangueira fique dentro da segunda garrafa, veja ilustração no esquema F da Figura 02. Para melhorar a absorção de calor coloque antes objetos escuros na garrafa, uma ou mais pedras, por exemplo, como neste esquema. Após ajustar-se bem a parte de contato entre as duas partes das garrafas, cole uma fita adesiva para que não escape ar nestes pontos, esquema F da figura.

·        Leve essa montagem para a sala de aulas ou laboratório, em um ponto próximo à tomada da rede elétrica, coloque água na parte da garrafa superior, despejando aos poucos e esperando que a água penetre na mangueira e expulse o ar, esquema G na Figura 02.

·        Após colocar água até cobrir totalmente a extremidade superior da mangueira, se permanecer alguma bolha de ar na mangueira, injete água nela com uma seringa para expulsar todo o ar.

·        Coloque o conjunto em um local de modo que a parte inferior da garrafa fique próximo à lâmpada. Prenda o termômetro com o bulbo imerso na água próximo à sua superfície, Figura 03.

·        Antes de ligar a lâmpada peça aos alunos que em duplas faça leitura da temperatura inicial da água, indicada pelo termômetro, e anote o valor.

·        Depois acenda a lâmpada e peça que aguardem cerca de 20 minutos, para fazer novamente a leitura do termômetro, sempre anotando o resultado.

1.      Primeira leitura: Temperatura da água = ...................

2.      Segunda leitura: Temperatura da água = ..................

 

 

 

 

Atividade II

            Enquanto aguardam o tempo para a segunda leitura da temperatura, poderá fazer uma segunda demonstração cuja montagem e teste também devem ser previamente executadas. Para essa segunda demonstração será preciso o seguinte material:

1.      Um LED de cápsula transparente. (LED: diodo emissor de luz).

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. Há um bocal que pode ser ligado diretamente à tomada sem auxílio de fios condutores.

Obs. Se conseguir uma célula fotovoltaica use-a substituindo o LED.

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

          Sendo possível usar local e horário em que as condições sejam 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, uma vez que a radiação emitida pela lâmpada é para substituir 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 integrantes por grupo, e no laboratório de Física ou em um espaço adequado instrua-os 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 grupos de 4 a 6 pessoas por vez para fazer as observações, montagem e leitura da tensão, indicada pelo voltímetro.

Obs. Teste o material antecipadamente, fazendo o experimento durante o tempo que estiver planejando a aula, para evitar contra tempo.

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 04; figura ilustrativa fora de escala, meramente para efeito didático.

·        Aproximar o LED da lâmpada acesa, procurando a posição em que os raios incidam nos pontos fotossensíveis do LED, consegue-se isso observando a leitura no voltímetro. Se for ao Sol, coloque o LED de modo a receber radiação solar direta na região sensível. 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.

          Durante a apresentação da demonstração experimental para cada grupo, faça perguntas relacionadas aos fatos que deverão ser observados. Deverão responder oralmente, cabe ao professor discutir com eles o teor das respostas e fazer comentários que julgar pertinente:

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

Quais e quantas transformações de energia ocorreram nesta observação?

Então, que tipo de transformação de energia do Sol foi usado?

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

·        Apenas uma transformação, energia luminosa diretamente em energia elétrica.

·        Uso direto da energia solar.

 

          Para reforçar este assunto sugerimos que divida os alunos em duplas, faça perguntas sobre obtenção e uso das células fotovoltaicas, por exemplo, as seguintes questões:

          A corrente elétrica gerada por uma célula fotoelétrica é contínua ou alternada?

          A tensão e a potência geradas em uma única célula fotoelétrica são muito pequenas, como é possível aumentar a tensão e obter maior potência?

          Se a corrente gerada for contínua como será possível seu consumo para uso doméstico?

          Antes de responderem, se tiver recursos para os alunos, divida a turma em duplas ou em equipes de no máximo 4 integrantes e peça que acessem a animação sobre Painel solar fotovoltaico, disponível no link abaixo. Não sendo possível, acesse essa animação e apresente-a numa tela para a turma, a fim de que após a apresentação respondam as perguntas acima por escrito, em duplas ou em grupos.

Depois de terem assistido à animação correspondente ao link e pelo que aprenderam da experimentação, deverão responder:

·        A corrente gerada numa célula fotovoltaica é contínua.

·        Nos painéis, as células são ligadas em série para aumentar a tensão e esses conjuntos são associados em paralelo para aumentar a potência elétrica.

·        Um dispositivo denominado conversor transforma a corrente contínua em alternada, depois a energia é transportada até o local de consumo.

Painel solar fotovoltaico 

 

 

 

          Depois, retorne ao primeiro experimento e peça aos alunos, que em duplas, façam nova leitura do termômetro e anotem o resultado numa folha ou no caderno de anotações.

Pergunte para que respondam por escrito:

          O que se pode concluir com base nos dados observados da temperatura da água?

          Quais e quantas transformações de energia houve nesta observação?

          Então, que tipo de energia derivada do Sol foi usado?

          Após esperar cerca de 3 minutos para que respondam as questões, forneça as respostas para que possam conferir.

·        Como observaram e inclusive anotaram as temperaturas, vão responder que a temperatura da água aumentou e concluirão que este aumento de temperatura se deve à radiação do Sol, ou da lâmpada se foi essa usada. 

·        Apenas uma transformação, energia radiada pelo Sol ou pela lâmpada em energia térmica.

·        Considerando que isto ocorre com o Sol, uso direto da energia solar.

          Para reforçar a aplicação da energia solar para aquecer água em uso doméstico, poderá apresentar o esquema de um aquecedor solar destinado a uso doméstico de baixo custo para a turma, "Aquecedor solar de baixo custo de porte médio" na forma de link; divida os alunos em grupos de 4 integrantes para que, tomando como base o esquema, explique o funcionamento do aquecedor solar em questão. O professor então poderá escolher aleatoriamente um ou mais grupos para que explique, para o resto da turma, o funcionamento do aquecedor, permitindo intervenção de algum aluno da turma, quando discordar de algum momento da explicação. Deverá então, fazer correções, discutir com a turma e complementar alguns detalhes, se necessário.

 

 

Aquecedor solar de baixo custo de porte médio 

 

 

 

 

Atividade III

          Para que o aluno assimile o uso da energia solar do tipo indireta, poderá apresentar a Figura 05 que ilustra o esquema básico de uma usina termo-solar.

          As instalações dessas usinas são compostas de milhares de painéis refletores, que fazem com que a radiação solar incidente reflita e se concentre numa certa região.

          Nessa região onde ocorre a concentração da radiação, a temperatura se torna altíssima e é aí que se encontra a caldeira.

          Na caldeira, a água recebe grande quantidade de calor e forma vapores a alta pressão. Esses vapores são conduzidos por tubos até uma turbina, forçando-a girar.

          Por sua vez, a turbina é acoplada a um gerador, não representado no esquema da figura, fazendo-o girar, transformando energia mecânica em energia elétrica.

          Divida a turma em duplas e peça que, observando o esquema da Figura 05, escrevam as etapas de transformação de energia a partir dos raios solares até obter energia elétrica no gerador.

Classifique o tipo da energia derivada do Sol, justifique sua resposta.

Deverão descrever que:

• A energia solar é absorvida pela caldeira e convertida em forma de energia térmica. Depois a energia térmica é transformada em energia mecânica no sistema caldeira e turbina, e finalmente no gerador a energia mecânica é convertida em energia elétrica.
• Indireta, pois houve mais de uma transformação de energia para gerar energia elétrica a partir da energia solar.

http://www2.elektro.com.br/ElektroEscolas/imagens/esquema_termosolar.jpg

Nome	Tipo
Painel solar fotovoltaico	Animação/simulação
Aquecedor solar de baixo custo de porte médio	Imagem
Fluxo da energia solar	Imagem

         Poderá acessar os endereços relacionados abaixo e após analizá-los, repassar os três primeiros aos alunos:

 

 

Rickie o Hippie na EcoCasa

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnica.html?id=19903

 

 

Energia Solar: Fotovoltaica x Fototérmica

http://www.infoescola.com/desenvolvimento-sustentavel/energia-solar-fototermica-x-fotovoltaica/

 

 

Energia renovável

http://www.escolakids.com/energia-renovavel.htm

 

 

O Efeito Fotoelétrico

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=10495

 

 

Princípios básicos do efeito estufa

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=7661

 

 

Introdução ao estudo do efeito estufa

http://portaldoprofessor.mec.gov.br/fichaTecnicaAula.html?aula=7561

          Sugerimos que divida os alunos em equipes de 5 a 8 integrantes com objetivo de construir um dispositivo que seja capaz de transformar energia solar em energia útil, de baixo custo, para exposição no colégio, em data e horário planejado pelo(a) professor(a).