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1 Fornecido pelo TryEngineering - Clique aqui para dar seu feedback sobre esta lição 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 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. Lá vem o Sol Página 1 de 11

2 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 (). Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável ( Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA ( 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 ( História da energia solar (www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf). Compêndio McREL de Padrões e Marcas de Referência ( 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 ( Leituras recomendadas Got Sun? Go Solar, de Rex A. Ewing (ISBN: ). 21st Century Complete Guide to Solar Energy and Photovoltaics CD-ROM do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (ISBN: ). 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. Lá vem o Sol Página 2 de 11

3 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. Lá vem o Sol Página 3 de 11

4 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. Lá vem o Sol Página 4 de 11

5 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. Lá vem o Sol Página 5 de 11

6 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) Lá vem o Sol Página 6 de 11

7 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 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. Lá vem o Sol Página 7 de 11

8 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.) Lá vem o Sol Página 8 de 11

9 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. Lá vem o Sol Página 9 de 11

10 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? Lá vem o Sol Página 10 de 11

11 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 seriam necessários (se algum)? Que materiais ou peças seriam eliminados (se algum)? Como este novo componente/melhori a aperfeiçoaria a funcionalidade de uma calculadora? Qual vocês acham que será o impacto do seu novo projeto no custo desta calculadora? Por quê? 5. Apresentem suas idéias à turma. Lá vem o Sol Página 11 de 11