construção de um protótipo de uma casa que funciona

CONSTRUÇÃO DE UM PROTÓTIPO DE UMA CASA QUE
FUNCIONA COM ENERGIA SOLAR PARA O ENSINO
CONTEXTUALIZADO DE FÍSICA
Francisco Machado da Cunha – [email protected]
Márcia Maria Lucchese – [email protected]
Universidade Federal do Pampa, Campus Bagé
Bagé – RS
Resumo: Atualmente existe a necessidade de abordar temas relacionados a energias
renováveis com a população para a conscientização do uso correto da energia elétrica, assim
como a área do ensino de física necessita de uma maneira contextualizada para abordar os
seus conteúdos. Analisando estes fatos elaborou-se uma ferramenta de ensino para auxiliar o
professor em suas aulas. Mais precisamente nos tópicos de Eletromagnetismo, Energias
Renováveis, Astronomia e Ciências para Crianças. Utilizou-se de um modelo residencial em
pequena escala, na qual foi instalado um circuito elétrico composto por fios, resistores,
capacitores, regulador de tensão, motor elétrico e leds. Usa-se como fonte de energia uma
Placa Solar Fotovoltaica com características de 22 V, 0.220 A e 5W. Através deste método
lúdico de ensino espera-se que o aluno possa melhorar seu rendimento escolar, adquirindo
conhecimentos práticos e demonstrando um interesse maior sobre os conteúdos abordados.
Palavras-chave: Ensino de Física, Energias Renováveis, Eletromagnetismo, Astronomia,
Energia Solar.
1
INTRODUÇÃO
A geração de energia elétrica é um tema muito importante para ser debatido atualmente,
pois é algo que está presente na vida das pessoas. No Brasil, 39,4% da energia elétrica gerada
é oriunda de fontes renováveis e 60,6% de fontes não renováveis segundo o Relatório Síntese
do Balanço Energético Nacional (BEM, 2015). Caracteriza-se por não renovável as fontes que
de energia que levam muito tempo para serem restituídas pela natureza e renováveis, engloba
todas aquelas fontes de energia que são restituídas pela natureza em curto prazo. Um exemplo
são os combustíveis fósseis responsáveis pela geração de energia em termoelétricas nas quais
ocorre a combustão de carvão, petróleo e gás natural, que levam milhões de anos para serem
gerados na natureza.
Em relação às fontes de energia renováveis, a produção de energia é feita a partir dos
inúmeros recursos renováveis existentes no Brasil. Do ponto de vista hídrico, as hidrelétricas,
com grande insolação as placas fotovoltaicas, e o vento constante propicia a instalação de
usinas eólicas (BEM, 2015). Sem esquecer-se do potencial agrícola para a produção de
biodiesel e etanol. A geração de energia a partir de fontes renováveis é de grande importância
para o desenvolvimento econômico e social do país e também a para o meio ambiente.
Os Parâmetros Curriculares Nacionais no Ensino Médio (BRASIL, 1999) destacam a
importância de se trabalhar com uma física contextualizada, sem se elaborar novos tópicos em
conteúdos, mas de promover um ensino de física contextualizado e integrado a vida do
estudante, proporcionando assim, uma formação cidadã. Enfim, citando um trecho do próprio
PCN:
Uma Física que explique os gastos da “conta de luz” ou o consumo diário de combustível e também as
questões referentes ao uso das diferentes fontes de energia em escala social, incluída a energia nuclear, com
seus riscos e benefícios. Uma Física que discuta a origem do universo e sua evolução. Que trate do refrigerador
ou dos motores a combustão, das células fotoelétricas, das radiações presentes no dia-a-dia, mas também dos
princípios gerais que permitem generalizar todas essas compreensões.
Dentro do contexto de geração de energia elétrica, este trabalho propõe a elaboração de
um protótipo de uma casa que funciona com energia solar, com este recurso pode-se trabalhar
conceitos de Astronomia, eletromagnetismo e ciências com crianças. O protótipo foi
elaborado a partir de uma pequena casa de madeira na qual foi instalada uma placa solar de 5
W, elementos de circuito como LED, resistores, capacitores, interruptores, regulador de
tensão, motor e elementos lúdicos. Neste trabalho mostraremos como foi elaborado o
protótipo e como se pode trabalhar com ele em ensino de astronomia, eletromagnetismo e
ciências para crianças.
2
ELABORAÇÃO DO PROTÓTIPO
Na construção do protótipo utilizaram-se os seguintes materiais: placa solar fotovoltaica
de 5W, com tensão de 22 V e corrente de 225 mA, pequena casa de marcenaria, elementos
para montagem do circuito dispositivos do tipo LED, resistores de 640 ohm, capacitores,
interruptores, regulador de tensão 7815, cabos, pinos bananas, motor DC 5 V, tinta, elementos
decorativos.
A montagem do protótipo foi feita em 4 etapas, sendo elas: investigação a respeito da
utilização do modelo de placa solar escolhido, testes com os elementos do circuito com a
placa solar, fixação dos elementos na casa e decoração.
2.1
Investigação
Primeiramente realizaram-se as medições e testes com a placa solar, para poder
identificar quais e quantos componentes poderiam ser instalados no circuito. As medidas de
tensão e corrente foram feitas tanto em dias ensolarados quanto em dias nublados com a placa
estando direcionada perpendicularmente a incidência dos raios solares. A figura 01 mostra as
medições com o auxilio de um multímetro.
Figura 01: Medidas da corrente e tensão com o multímetro.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
Para os dias ensolarados, sem nuvens a tensão foi de 22 V, com nuvens 16V e medidas
feitas com iluminação artificial, lâmpadas de 100W a tensão obtida foi de 10V. A partir da
análise das tensões optou-se por adicionar no circuito um regulador de tensão de 15 V, para
que as variações de tensão não afetassem os elementos do circuito.
A modelagem do circuito foi feita a auxilio do software livre Fritzing (disponível em
http://fritzing.org/download/). No modelo há uma fonte de energia que é a placa solar,
capacitores, um regulador de tensão 7815, resistores, interruptores, LED e um motor DC de
5V. Como o objetivo é simular uma residência foram instalados dispositivos do tipo LED em
série e em paralelo, assim como os capacitores. O circuito elaborado está na figura 02.
Figura 02: Modelo do circuito da casa elaborado a partir do Software Fritzing (disponível
em http://fritzing.org/download/).
Fonte: Francisco Machado, 2016.
O cálculo do resistor usado para os dispositivos do tipo LED foi realizado usando a Lei
de OHM (YOUNG; FREEDMAN, 2003, p.142), equação 01, substituiu-se a queda de tensão
no LED, tensão da fonte (Vfonte) menos a tensão no LED (VLED,) divido pela corrente no LED.
R = Vfonte – VLED / I
(1)
No protótipo os valores para a tensão na fonte foi de 15 V (Vfonte ), a tensão da placa solar
utilizando-se regulador de tensão. A queda de tensão do LED (VLED) utilizada foi de 3.1 V e a
corrente 20 mA. Assim, a resistência calculara para os dispositivos do tipo LED foi de 595 Ω.
Utilizaram-se resistores de 680 Ω por ser mais próximo do valor teórico.
A placa solar opera somente quando iluminada, assim, para que a casa pudesse funcionar
sem incidência solar, poderiam ser instaladas baterias ou pilhas (como nos sistemas
fotovoltaicos reais). Neste caso optou-se pela instalação de dois capacitores em paralelo de
5600 F, que podem auxiliar também como uma ferramenta de ensino de associação de
capacitores.
2.2
Testes
Nesta etapa realizou-se a montagem do circuito em uma placa de testes (protoboard),
figura 03, antes de realizar a instalação em definitivo na casa. A etapa de testes é muito
importante, pois através dela podem-se identificar possíveis problemas e corrigi-los antes de
ser montado o circuito em definitivo.
Figura 03: Circuito de testes no Sol.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
2.3
Fixação dos Elementos
Após os testes fixaram-se os elementos do circuito na pequena casa de madeira, figuras
04 (a) e (b), são imagens da casa antes da fixação dos elementos, em (a) a frente da casa e em
(b) a parte interna na qual foram colocados os elementos do circuito.
(a)
(b)
Figura 04 (a) e (b): Casa antes de receber os elementos do circuito e a decoração, em (a) a
frente da casa e em (b) a parte interna. Fonte: o Autor.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
Primeiramente utilizou-se a furadeira para realizar a fixação dos dispositivos do tipo LED
e pequenos interruptores em seus respectivos lugares, figura 05 (a) e (b). Em seguida,
parafusou-se a chapa com os resistores e o regulador de tensão juntamente com uma placa de
metal para dissipar o calor e realizou-se a fixação dos capacitores, na parte lateral e entrada do
circuito, figura 05 (c).
(a)
(b)
(c)
Figura 05 (a), (b) e (c): Elementos do circuito sendo fixados na casa, em (a) os elementos que
ficaram em cima, fios e resistores dos dispositivos do tipo LED. Em (b) os interruptores, e em
(c) os capacitores.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
2.4
Decoração
A ludicidade da casa foi feita com resíduos de papel de parede, tecido e papel adesivo,
para poder esconder os fios que ficavam expostos nas paredes. Os móveis são miniaturas em
gesso facilmente adquiridos em lojas de artesanato, e os personagens são pequenos
brinquedos, figura 05 (a). Na figura 05 (b) apresenta-se a casa finalizada.
(a)
(b)
Figura 05: (a) Elementos lúdicos no interior da Casa. Em (b) a casa de frente com a placa
solar instalada.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
3
ENSINO
A casa foi elaborada pensando em como tornar a aprendizagem do aluno mais
significativa (MOREIRA, M. A.). Sendo uma ferramenta projetada para o aluno e o professor
interagirem. Podem ser abordados os seguintes temas: ensino de astronomia, ensino de
eletromagnetismo e ciências para crianças.
3.1
Ensino de Astronomia
A fonte de energia do Planeta é o Sol e sua utilização para gerar energia pode ser tanto do
ponto de vista de geração de energia térmica quanto elétrica. A energia térmica é aproveitada
através de coletores solares, cujo objetivo é aquecer a água em residências. A geração de
energia elétrica através do Sol utiliza-se de placas solares fotovoltaicas, que são um conjunto
de várias células ligadas em série formando módulos que ligados em série, ou em paralelo,
formam uma placa solar fotovoltaica, figura 06, e posteriormente as placas são instaladas nos
telhados das residências. A orientação das placas deve ser disposta de modo a receber a maior
quantidade de radiação solar durante o dia para um melhor rendimento. A incidência deve ser
o mais próximo a normal possível para gerar a maior quantidade de energia elétrica.
.
Quanto mais perpendicular a
incidência dos raios solares maior a
eficiência.
Célula
Conjunto painéis
Figura 06: Esquema elaborado pelo autor para representar a constituição de um painel
solar e a incidência da radiação sobre o painel.
Fonte: Márcia Lucchese, 2016.
Para o melhor aproveitamento da energia, é necessário saber como instalar o sistema,
sites da internet auxiliam nesta tarefa (http://www.americadosol.org/guiaFV/), mas neste caso,
ensinar ao aluno como devem ser instalados os dispositivos pode ser uma aula de astronomia,
as posições da Terra em relação ao Sol podem ser introduzidas, variações diárias da
incidência solar e as variações anuais aliadas as medidas de corrente e tensão na placa podem
ser analisadas.
Uma
sugestão
de
trabalho
é
a
construção
de
um
Gnômon
(http://www.seara.ufc.br/sugestoes/astronomia/astronomia01.htm), com ele determina-se a
posição dos pontos cardeais, a partir da determinação do Norte geográfico pode-se posicionar
a casa de forma a ter incidência mais direta dos raios do Sol sobre os painéis solares.
O telhado do protótipo elaborado neste trabalho é móvel, de forma que o aluno pode
verificar a variação de corrente gerada em um multímetro conforme a angulação dos raios
solares na superfície do painel placa.
3.2
Eletromagnetismo
A casa foi projetada com o intuito de ser utilizada como auxílio em aulas de
eletromagnetismo, por isso ela possui vários pontos de medições e com o auxilio de um
multímetro podem ser medidas a tensão, a corrente e as resistências do circuito.
O circuito é formado por uma fonte de energia fotovoltaica e elementos que estão em
série e em paralelo, conjuntos de dispositivos do tipo LED em série e em paralelo assim como
resistores e capacitores em paralelo. Possibilitando para o aluno perceber as diferenças nestas
ligações. Os resistores possuem a função de limitar a corrente do circuito para que não se
danifiquem os dispositivos do tipo LED. E os capacitores servem para armazenar carga e
evitar variações de tensão, funcionando também como pequenas baterias.
Utilizam-se os pontos de medições, figura 07, para identificar a tensão, corrente e
resistor, possibilitando verificar a Lei de Ohm.
Figura 07: Pontos de Medições. As setas indicam os pontos que podem ser medidos.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
A medida dos dados é realizada com o multímetro e as agulhas devem ser colocadas nos
pontos de medições que são dados pelas cores vermelho (positivo) e preto (negativo), com
isto pode-se verificar a tensão dos dispositivos do tipo LED. Colocando as agulhas no
regulador de tensão, figura 08 é possível analisar a corrente e as alterações da tensão
realizadas pelo regulador. Posicionando entre os resistores identifica-se e compara os valores
dos resistores.
Figura 08: Medidas de tensão e corrente no regulador de tensão, Fonte da Imagem: o
autor.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
3.3
Ciências para Crianças
A casa vem sendo utilizadas para um contato interativo com crianças, figura 09 (a) e (b),
tanto em escolas como em eventos científicos de divulgação na cidade. Com o intuito de
exemplificar o uso de energias renováveis como fonte alternativa de energia. Observa-se um
grande interesse das crianças em como a casa funciona, da necessidade do Sol para que elas
possam acender que a diminuição da incidência solar provoca uma diminuição na intensidade
dos dispositivos do tipo LED.
Sendo um método no qual elas demonstram um grande interesse em saber como que a
energia elétrica é gerada através do Sol. Ou como a energia elétrica chega até a suas casas e se
é possível utilizar a energia solar como alternativa.
(a)
(b)
Figura 09: (a) Apresentação realizada a alunos de uma Escola Municipal da cidade de Bagé;
(b) evento realizado em praça da cidade.
Fonte: Francisco Machado, 2016.
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A apresentação da casa foi muito interessante dentro dos espaços escolares e em
atividades da cidade. A casa foi exposta a professores do ensino médio e teve uma boa
aceitação. O uso da casa no componente curricular de fontes de energia do mestrado
profissional em ensino de ciências, na formação de professores e como formação em um
curso de Astronomia para professores do ensino fundamental teve boa aceitação.
A atividade de construção e utilização da casa já foi tema de oficina no VI Encontro
Estadual de Física (Oliveira, T. E. et al, 2015 p.268)
Como perspectivas futuras pretende-se testar esta ferramenta de ensino com alunos do
ensino médio e na elaboração de oficinas aos professores do ensino médio para que estes
possam construir suas próprias casas solares e usar deste recurso em suas aulas.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao Januário Dias Ribeiro pelo auxílio na elaboração do
protótipo e o apoio do Programa Observatório de Educação, da Coordenação de
Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES/Brasil.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
_________. BEN 2015. Relatório Síntese do Balanço Energético Nacional. Rio de Janeiro,
2015. Disponível em < https://ben.epe.gov.br/ > Acesso em 29 de jun 2016.
_________.BRASIL, Ministério da Educação (MEC), Secretaria da Educação Média e
Tecnológica (Semtec). Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio. Brasília:
MEC/ Semtec, 1999.
MOREIRA, M. A. O QUE É AFINAL APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA?.
Disponível em http://www.if.ufrgs.br/~moreira/, acessado em 04/07/2016.
Oliveira, T. E., Heidemann, L. A.; Veit, A. E; VI ENCONTRO ESTADUAL DE ENSINO
DE FÍSICA – RS; Porto Alegre, Instituto de Física, 2015.
Young, H. D.; Freedman, R. A.; Física III: Eletromagnetismo, 10ª Ed., São Paulo, Pearson
Addison Wesley, 2003.
CONSTRUCTION OF A HOUSE PROTOTYPE THAT WORKS
WITH SOLAR ENERGY FOR TEACHING CONTEXTUALIZED
PHYSICS
Abstract: Currently there is a need to approach the issues related to renewable energy to the
people to raise awareness of the correct use for electric energy, as well as the area of
physical education requires a contextualized way to address their content. Analyzing these
facts an educational tool was elaborated to help teachers in their classes. More precisely, it
was prepared to work on topics like electromagnetism, renewable energy, astronomy and
sciences for children. It was used a small residential scaled model, on which was installed an
electric circuit comprised for wires, resistors, capacitors, voltage regulator, electric motor
and leds. It is used as a source of energy a Solar Photovoltaic Module with characteristic of
22 V, 0,220 A and 5 W of power. Through this playful method of teaching it is expected that
the student can improve their school performance, acquiring practical knowledge and
demonstrating a greater interest on the covered concepts.
Key-words: Teaching in Physics, Renewable Energy, Electromagnetism, Astronomy, Solar
Energy.