Lá vem o Sol
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Foco da lição
A lição enfoca o projeto de painéis de energia solar e sua aplicação em calculadoras
padrão. Ela explora como funcionam painéis solares e calculadoras e estuda circuitos
simples usando energia solar.
Resumo da lição
A atividade Lá vem o Sol explora o conceito de como a energia solar é coletada por
painéis solares e usada para fornecer energia a diversas máquinas, desde calculadoras até
naves espaciais. Os alunos desmontarão uma calculadora alimentada por energia solar e
explorarão seus componentes. Os estudantes trabalharão em equipe para sugerir
melhorias de projeto à calculadora, para incrementar seu desempenho.
Faixa etária
8-18.
Objetivos
 Aprender sobre energia solar e projeto e funcionamento de painéis solares.
 Aprender como as calculadoras funcionam e como o produto é composto de
diferentes peças componentes.
 Aprender sobre trabalho em equipe e o processo de projeto/solução de problemas
da engenharia.
Resultados esperados para os alunos
Como resultado desta atividade, os estudantes devem desenvolver uma compreensão de:





Energia solar e engenharia de painéis solares.
Projeto e funcionamento de calculadoras.
O impacto da engenharia e da tecnologia na sociedade.
Solução de problemas de engenharia.
Trabalho em equipe.
Atividades da lição
Os estudantes aprenderão como a energia solar é coletada e convertida em energia
elétrica em painéis solares. Os tópicos examinados incluem painéis solares, circuitos
simples e o funcionamento interno de uma calculadora simples. Os alunos trabalharão em
equipe para desmontar uma calculadora, avaliar o projeto e operação de seus
componentes, recomendar alterações, para melhorar sua funcionalidade, através de
reprojeto e/ou seleção de materiais, e apresentá-lo à turma.
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Recursos/Materiais
 Documentos de recursos do professor (anexos).
 Folhas de recursos do aluno (anexas).
 Folhas de trabalho do aluno (anexas).
Alinhamento a grades curriculares
Consulte a folha de alinhamento curricular anexa.
Recursos na internet
 TryEngineering (www.tryengineering.org).
 Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Eficiência Energética e Energia
Renovável (www.eere.energy.gov).
 Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (www.nrel.gov).
 Vídeo do NREL: “Photovoltaics: Turning Sunlight Into Electricity”
(www1.eere.energy.gov/solar/video/pv4.mov).
 Museu virtual do IEEE - satélites movidos a energia solar (www.ieee-virtualmuseum.org/collection/tech.php?taid=&id=2345888&lid=1).
 História da energia solar (www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf).
 Compêndio McREL de Padrões e Marcas de Referência (www.mcrel.org/standardsbenchmarks). Uma compilação dos padrões atuais do currículo K-12 (ensino
fundamental e médio) dos EUA, em formatos pesquisável e navegável.
 Padrões Educacionais de Ciência dos EUA (www.nsta.org/standards).
Leituras recomendadas
 Got Sun? Go Solar, de Rex A. Ewing (ISBN: 0965809870).
 21st Century Complete Guide to Solar Energy and Photovoltaics CD-ROM do
Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (ISBN: 1592482694).
Atividades escritas opcionais
 Escrever um ensaio ou parágrafo descrevendo como os painéis de energia solar
foram desenvolvidos até um produto que pode ser encontrado em casa ou na
escola. Explicar por que a energia solar é uma boa opção para fornecer energia a
esse produto.
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Para professores:
Alinhamento a grades curriculares
Nota: Todos os planos de aula deste conjunto são alinhados ao National Science Education
Standards dos EUA, produzidos pelo National Research Council e endossados pela National
Science Teachers Association, e, se aplicável, ao Standards for Technological Literacy da
International Technology Education Association e ao Principles and Standards for School
Mathematics do National Council of Teachers of Mathematics.
‹ Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, séries K-4 (idades de
4 a 9 anos)
CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
 Compreensão sobre a investigação científica.
CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma
compreensão de:
 Propriedades de objetos e materiais.
 Luz, calor, eletricidade e magnetismo.
CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
 Habilidades de projeto tecnológico.
 Compreensão de ciência e tecnologia.
‹ Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 5ª a 8ª séries (idades de
10 a 14 anos)
CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
 Compreensão sobre a investigação científica.
CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma
compreensão de:
 Transferência de energia.
CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia
Como resultado das atividades da 5ª a 8ª série, os estudantes devem desenvolver:
 Habilidades de projeto tecnológico.
 Compreensão de ciência e tecnologia.
‹ Padrões Educacionais de Ciências dos EUA, 9ª a 12ª séries (idades de
14 a 18 anos)
CONTEÚDO PADRÃO A: ciência como investigação
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
 Compreensão sobre a investigação científica.
CONTEÚDO PADRÃO B: ciências físicas
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma
compreensão de:
 Interações entre matéria e energia.
CONTEÚDO PADRÃO E: ciência e tecnologia
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver:
 Habilidades de projeto tecnológico.
 Compreensão de ciência e tecnologia.
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CONTEÚDO PADRÃO F: ciência em perspectivas pessoais e sociais
Como resultado das atividades, os estudantes devem desenvolver uma
compreensão de:
 Ciência e tecnologia em desafios locais, nacionais e globais.
‹ Padrões para a Educação Tecnológica - todas as idades
A natureza da tecnologia
 Padrão 1: Os estudantes desenvolverão uma compreensão das
características e do escopo da tecnologia.
 Padrão 3: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos
relacionamentos entre tecnologias e as conexões entre tecnologia e outros
campos de estudo.
Tecnologia e sociedade
 Padrão 4: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos efeitos
culturais, sociais, econômicos e políticos da tecnologia.
 Padrão 5: Os estudantes desenvolverão uma compreensão da influência da
tecnologia no meio ambiente.
 Padrão 6: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da
sociedade no desenvolvimento e uso da tecnologia.
Projeto
 Padrão 8: Os estudantes desenvolverão uma compreensão dos atributos
de projeto.
 Padrão 9: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do projeto
de engenharia.
 Padrão 10: Os estudantes desenvolverão uma compreensão do papel da
busca de erros, pesquisa e desenvolvimento, invenção e inovação e
experimentação na solução de problemas.
Habilidades para um mundo tecnológico
 Padrão 13: Os estudantes desenvolverão habilidades para avaliar o impacto
de produtos e sistemas.
O mundo projetado
 Padrão 16: Os estudantes desenvolverão uma compreensão e serão capazes
de selecionar e usar tecnologias de energia e alimentação de energia.
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Para professores:
Recursos do professor
Propósito da lição
Explorar a energia solar e como funcionam os painéis solares. Os alunos aprenderão sobre
projeto de engenharia desmontando uma calculadora alimentada por energia solar,
examinando suas peças componentes e como elas interagem, e determinando uma
melhoria de projeto que eles apresentarão à turma.
‹
‹
Objetivos da lição
 Os estudantes aprenderem sobre energia solar e projeto e funcionamento de
painéis solares.
 Os estudantes aprenderem como as calculadoras funcionam e como o produto é
composto de diferentes peças componentes.
 Os estudantes aprenderem sobre trabalho em equipe e o processo de
projeto/solução de problemas da engenharia.
‹
Materiais
• Folhas de recursos do aluno.
• Folhas de trabalho do aluno.
• Um conjunto de materiais para cada grupo de
estudantes:
o Uma calculadora usada ou nova
alimentada por energia solar (muitas
custam bem barato) - procure por
aquelas com parafusos na parte de trás,
para facilitar a desmontagem.
o Kit de reparo de óculos ou mini-chave de
fenda (deve ser para parafusos bem
pequenos).
o Fita adesiva.
‹
Procedimento
1. Mostre aos estudantes as diversas folhas de referência do aluno. Elas podem ser
lidas em sala ou fornecidas como material de leitura como lição de casa para a
noite anterior à aula.
2. Divida os alunos em grupos de 3 a 4 estudantes; forneça um conjunto de materiais
por grupo.
3. Peça aos estudantes para preencher a folha de trabalho do aluno. Como parte do
processo, os alunos trabalharão em equipe para dissecar uma calculadora, avaliar
seus componentes, inclusive o painel solar, e então, em equipes de “engenheiros”,
projetarão uma nova melhoria para a calculadora. Eles planejarão e então
apresentarão suas idéias à turma.
Tempo necessário
De uma a duas sessões de 45 minutos.
‹
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Recurso do aluno:
Como funcionam os painéis solares
Conceitos básicos de painéis solares
A luz do Sol é composta de pacotinhos
muito pequenos, chamados de fótons. A
cada minuto, chega ao mundo uma
quantidade suficiente desse tipo de
energia para suprir a demanda de energia
do mundo inteiro. Os painéis solares convertem a energia do Sol em eletricidade, a qual
pode então ser usada para fornecer energia para muitos produtos, desde pequenas
calculadoras até naves espaciais. Em alguns lugares, muitos painéis de tráfego e placas
de sinalização ao longo das rodovias já são abastecidos pelo Sol. Também já existem
luzes de jardim e em caminhos que são alimentadas por energia solar,
ligando-se automaticamente à noite.
‹
Cada painel solar é composto de células solares, ou semicondutores
ligados a um circuito por fios elétricos. A luz que atinge o semicondutor é
convertida em eletricidade, a qual então flui pelo circuito. As células
solares só funcionam quando há luz presente. Por isso, os painéis solares
de naves espaciais normalmente são ajustados de forma a ficarem
voltados para o Sol, independentemente da direção da nave. Quanto mais
células solares forem incluídas em um painel solar, maior a eletricidade que pode ser
gerada. Um painel pequeno é suficiente para fornecer energia a uma bateria, ao passo
que uma nave espacial exige painéis enormes. Baterias são incluídas na maioria dos
sistemas, para armazenar energia para uso quando o Sol não está brilhando.
Concentradores solares
Algumas espaçonaves usam concentradores solares, para
intensificar a luz disponível. Eles funcionam da mesma forma que
lentes de aumento quando multiplicam a intensidade da luz ao
concentrar os raios de luz em gravetos, para acender um fogo.
Concentradores solares usam lentes Fresnel para pegar a energia
solar de uma grande área e apontá-la para painéis solares,
aumentando a quantidade de energia que pode ser obtida do sol
por uma nave espacial em órbita.
‹
Componentes dos painéis solares
Algumas células fotovoltaicas usadas em naves espaciais são feitas
de arseneto de gálio (GaAs). O GaAs é transformado em um cilindro que então é fatiado
em células. As células solares são conectadas ao resto da rede de energia.
Concentradores solares, feitos de plástico transparente, são colocados sobre as células,
para focalizar os raios do Sol. Mais comuns em sistemas comerciais, usados na Terra, são
os tabletes de silício cristalino, que são cultivados até a formação de cilindros e então
fatiados, para fazer as células. Eles são menos eficientes do que as células de GaAS, mas
de fabricação bem mais barata.
‹
(Algum conteúdo/imagens são cortesia da NASA e do Laboratório Nacional de Energia
Renovável dos EUA)
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Recurso do aluno:
História da energia solar e inovações
Em 1839, Edmond Becquerel descobriu o processo de usar a luz do Sol para produzir uma
corrente elétrica em um material sólido. Mas levou mais de um século para que o
processo fosse totalmente compreendido. Cientistas eventualmente descobriram que o
efeito fotoelétrico, ou fotovoltaico (FV) fazia com que determinados materiais
convertessem energia luminosa em energia elétrica em nível atômico.
Mas como funciona?
Física fotovoltaica
O que queremos dizer com fotovoltaico? Esse termo, que
começou a ser usado na década de 1890, tem duas partes:
foto, derivada da palavra grega para luz, e volt,
relacionada a Alessandro Volta, pioneiro da eletricidade.
Assim, fotovoltaico pode ser literalmente traduzido como
luz-eletricidade. E é isso que os materiais e dispositivos
fotovoltaicos (FV) fazem: convertem energia luminosa em
energia elétrica através do efeito fotoelétrico, descoberto
pelo físico francês Edmond Becquerel em 1839.
Normalmente chamadas de células solares, as células FV
individuais são dispositivos geradores de energia feitos de
materiais semicondutores. Existem células FV de diversos
tamanhos e formatos — algumas são menores do que um
selo, outras são bem maiores. Elas são muitas vezes ligadas em conjunto para criar
módulos FV que podem ter vários metros de comprimento e alguns metros de largura. Os
módulos, por sua vez, podem ser combinados e conectados para criar conjuntos FV de
diferentes tamanhos e capacidades de geração de energia.
‹
Para induzir um campo elétrico interno em uma célula
fotovoltaica, duas camadas de materiais semicondutores
relativamente diferentes são colocadas em contato uma
com a outra. Uma camada é de um semicondutor “tipo
n”, que possui uma fartura de elétrons e carga elétrica
negativa. A outra camada é de um semicondutor “tipo
p”, que possui uma abundância de “buracos” e carga
elétrica positiva.
Embora ambos os materiais sejam eletricamente neutros,
o silício tipo n possui excesso de elétrons e o silício tipo p
possui excesso de buracos. Imprensá-los juntos cria uma
junção p-n em sua interface, criando assim um
campo elétrico.
Quando lâminas de silício tipo n e tipo p entram em contato, os elétrons em excesso se
movem do lado tipo n para o lado tipo p. O resultado é um acúmulo de carga positiva ao
longo do lado n da interface e de carga negativa ao longo do lado p.
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Devido ao fluxo de elétrons e buracos, os dois semicondutores se comportam como uma
bateria ou pilha, criando um campo elétrico na superfície onde eles se encontram chamada de junção p-n. O campo elétrico faz com que os elétrons se movam do
semicondutor em direção à superfície negativa, onde eles ficam disponíveis para o circuito
elétrico. Ao mesmo tempo, os buracos se movem em direção oposta, em direção à
superfície positiva, onde aguardam ficam aguardando os elétrons que chegam.
Para criar os materiais de silício tipo p (“positivo”) e tipo n (“negativo”) que vão compor
as células fotovoltaicas (FV) que produzem eletricidade a partir da energia solar, é
adicionado ao silício um elemento que possui um elétron extra ou que tem carência de um
elétron. Esse processo de adição de outro elemento é chamado de dopagem.
(Algum conteúdo/imagens são cortesia do Departamento de Energia dos EUA, Escritório
de Eficiência Energética e Energia Renovável.)
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Recurso do aluno:
O que é um circuito simples?
‹
Circuito simples
Um circuito simples consiste em três elementos básicos, que são necessários para
constituir um circuito elétrico funcional: uma fonte de eletricidade (pilha), uma rota ou
condutor pela qual a eletricidade flui (fio elétrico) e um resistor elétrico (lâmpada), que é
qualquer dispositivo que exija eletricidade para funcionar. A ilustração a seguir mostra um
circuito simples que consiste de uma pilha, dois fios elétricos e uma lâmpada. O fluxo de
eletricidade sai do terminal de potencial mais alto (+) da pilha, passa pela lâmpada
(iluminando-a) e retorna pelo terminal negativo (-), em um fluxo contínuo.
‹
Circuito simples
A ilustração a seguir mostra um circuito simples que usa um painel solar como fonte
de energia.
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Folha de trabalho do aluno:
Dissecar uma calculadora movida a energia
solar
Passo um: Em equipe, observem se a calculadora funciona quando vocês bloqueiam
totalmente o painel de energia solar. O que acontece se vocês bloquearem o painel solar
parcialmente? Escrevam suas observações e explicações do que descobriram abaixo.
Passo dois: Sugiram cinco outros produtos que vocês acham que são total ou
completamente alimentados/movidos por painéis de energia solar.
Passo três: Em equipe, desmontem uma calculadora
alimentada por energia solar nova (barata) ou velha
(quebrada), usando os materiais fornecidos. Assegurem-se
de remover todos os parafusinhos que seguram as partes
do corpo da calculadora (muitas vezes, alguns ficam
escondidos debaixo de blocos ou fitas de borracha). Vocês
precisarão de uma chave de fenda bem pequena, daquelas
normalmente encontradas em kits de reparo de óculos. Em
seguida, tentem desparafusar a placa de circuitos do painel
frontal da calculadora (pode haver muitos parafusos).
Nota de segurança: Tenham cuidado ao tocar o painel
solar e o LCD (visor de cristal líquido), já que suas bordas de vidro podem ser cortantes.
Passo quatro: Em equipe, observem o painel solar e vejam como ele é conectado às
outras partes da calculadora. Examinem todas as outras partes da calculadora e discutam
o que encontraram. Em seguida, responda às perguntas abaixo.
Perguntas:
1. Quantas peças individuais vocês encontraram?
Descrevam-nas.
2. O que mais os surpreendeu a respeito das peças
interiores da calculadora?
3. Como o painel solar estava conectado à placa de circuitos?
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Folha de trabalho do aluno:
Dissecar uma calculadora (continuação)
4. Se esta calculadora tinha uma bateria/pilha de reserva, como ela estava conectada à
placa de circuitos?
5. Algumas calculadoras continuam funcionando mesmo desmontadas, desde que os fios
do painel solar (e eventual bateria/pilha) ainda estejam conectados à placa de circuitos. A
calculadora ainda funciona? Se os fios forem reconectados à placa, usando-se fita adesiva,
ela funciona?
6. Por que vocês acham que havia uma folha de plástico
ou borracha separando a placa de circuitos dos botões
que você pressiona?
7. Que tipo de material vocês acham que é colocado
debaixo da folha de plástico/borracha e a placa de
circuitos? Por que vocês acham que os engenheiros
incluíram essa folha em seu projeto?
8. Supondo que vocês possam ligar a calculadora novamente, se ela fosse remontada com
todos os botões em posições diferentes, ela continuaria funcionando corretamente? Por
que ou por que não?
9. Existe algo que vocês recomendariam, como parte de uma equipe de engenharia, para
melhorar a funcionalidade da calculadora que vocês desmontaram? Anexem um desenho
ou esboço da peça componente ou melhoria proposta e respondam as perguntas abaixo:
Que novos materiais Que materiais ou
Como este novo
Qual vocês acham
seriam necessários
peças seriam
componente/melhori que será o impacto
(se algum)?
eliminados (se
a aperfeiçoaria a
do seu novo projeto
algum)?
funcionalidade de
no custo desta
uma calculadora?
calculadora? Por
quê?
5. Apresentem suas idéias à turma.
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