ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: Conceitos e Aplicações para o Ensino Médio JOSÉ RICARDO PATRÍCIO DA SILVA SOUZA

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1 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: Conceitos e Aplicações para o Ensino Médio JOSÉ RICARDO PATRÍCIO DA SILVA SOUZA Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal do Pará no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Orientador: Professor Dr. Antonio Maia de Jesus Chaves Neto Belém-Pará Agosto-2016

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4 4 ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: Conceitos e Aplicações para o Ensino Médio JOSÉ RICARDO PATRÍCIO DA SILVA SOUZA Orientador: Professor Dr. Antonio Maia de Jesus Chaves Neto Dissertação de Mestrado submetida ao Programa de Pós-Graduação em ensino de física no Curso de Mestrado Profissional de Ensino de Física (MNPEF), como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Ensino de Física. Aprovada por: Dr. Antonio Maia de Jesus Chaves Neto (Orientador) - UFPA Dr. João Furtado de Souza (membro interno) - UFPA Dr. Rodrigo do Monte Gester (membro externo) - UNIFESSPA Belém-Pará Agosto -2016

5 5 FICHA CATALOGRÁFICA S586p Souza, José Ricardo Patrício da Silva Energia Solar Fotovoltaica: Conceitos e Aplicações para o Ensino Médio/ José Ricardo Patrício da Silva Souza - Pará: UFPA / IF, Orientador: Dr. Antonio Maia de Jesus Chaves Neto Dissertação (mestrado) UFPA / Instituto de Física / Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física, Referências Bibliográficas:

6 6 Para meus filhos Rafael Rian, André Eduardo, minha esposa Andréia Albuquerque e minha mãe Luzia Souza.

7 7 AGRADECIMENTOS Agradeço em especial ao meu Deus. A minha mãe Luzia Augusta da Silva Souza, pela ajuda nos momentos que mais precisei e por ter me dado o prazer da vida e a oportunidade de estudar e realizar meu sonho na vida profissional. A Andréia Vanessa, a mulher da minha vida. A meu tio professor MSc. Francisco Xavier pelo incentivo e ideias no estudo de Energia Solar. A UFPA pela luta para implantar o programa, em especial ao coordenador do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, polo UFPA, professor Dr. João Furtado de Souza. Agradeço em especial ao meu orientador Professor Dr. Antonio Maia de Jesus Chaves Neto pelo incentivo constante. Aos professores membros da banca pelas sugestões e recomendações. A todos os professores do programa da pós-graduação em ensino de física da UFPA pelos ensinamentos que somaram muito para minha formação. Aos amigos de turma do mestrado, simplesmente pela oportunidade de conhecê-los, em especial a Ubiraci Barbosa, in memoriam. A CAPES pelo auxílio financeiro que foi muito importante para a minha formação.

8 8 RESUMO O presente trabalho tem como objetivo principal oferecer conteúdo inovador para o currículo do ensino de física na educação básica, levando em conta requisitos dos Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs), das Leis de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDB) e de Teorias de Aprendizagens, assim como as necessidades da sociedade em conhecer os princípios da ciência envolvidos na tecnologia que os cerca, na área de pesquisa Física no Ensino Médio, Área de concentração: Física na Educação Básica. Inicialmente este trabalho faz referências aos PCNs, a LDB e a teorias de aprendizagem, em seguida buscará alguns conceitos da física essenciais para o entendimento do tema, Energia elétrica a partir de painéis fotovoltaicos, seguido de um conjunto de teorias que descrevem todo o processo, desde o comportamento de semicondutores com a temperatura e irradiação solar, assim como é abordado teoricamente como é realizada a dopagem de semicondutores e junção PN até a construção de painéis solares e sua utilização na geração de energia elétrica. Por fim apresenta-se uma proposta de ensino com experimentos destinados para a educação básica com o objetivo de incentivar e despertar a aprendizagem na área de energias renováveis. Palavras-chave: Energia Solar, Fotovoltaica, Educação Básica, Conceitos, Experimentos.

9 9 ABSTRACT This work has as main objective to offer innovative content to the curriculum of physical education in basic education, taking into account requirements of the National Curriculum Parameters (PCNs), the Law of Guidelines and Bases of National Education (LDB) and Learning Theories as well as the needs of society to meet the principles of science involved in the technology that surrounds them, in physics research in high school, area of concentration: Physical Education in Primary. Initially this work makes references to the NCPs, the LDB and the theories of learning, then seek some key physics concepts for the understanding of the theme, "Electricity from photovoltaic panels," followed by a set of theories that describe all process, from the behavior of semiconductors with temperature and solar radiation, as is theoretically addressed as the doping of semiconductors and pn junction is made to the construction of solar panels and their use in generating electricity. Finally presents a teaching proposal with experiments intended for basic education in order to encourage and awaken the learning in the area of renewable energy. Keywords: Solar Energy, Photovoltaics, Basic Education Concepts, Experiments.

10 10 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Ilustração de brinquedos: (a) Barata movida a energia solar e (b) Ilustração de um inseto (centopeia) movido a energia solar Figura 1.2. Ilustração de uma Mini Tartaruga movida a Energia Solar Figura 1.3. Ilustração de um Kit Educativo de energia solar Figura 1.4. Ilustração de bonecos a) Halloween que dança quando exposto a luz solar e b) Boneca que dança Hula hula, alimentada por energia solar Figura 1.5. Ilustração de: a) trem que se move quando exposto a luz solar e b) Kit robótica carro solar Figura 1.6. Casinha ecológica Figura 4.1. Campos de golfe abandonados se transformam em usinas de Energia Solar no Japão Figura 4.2. Tabela de classificação periódica de elementos químicos Figura 4.3. Modelos representativos de semicondutores a temperatura de 0K Figura 4.4. Modelos representativos de semicondutores a temperatura acima de 0K Figura 4.5. Transporte de lacunas em semicondutores Figura 4.6. Semicondutor dopado tipo-n Figura 4.7. Modelo de bandas para semicondutor dopado com fósforo Figura 4.8. Semicondutor dopado tipo-p Figura 4.9. Modelo de bandas para semicondutor dopado com Boro Figura Formação da região de depleção Figura (a) Célula solar de silício monocristalino (b) Célula solar de silício policristalino Figura Célula de filme fino, silício amorfo Figura Distribuição das tecnologias utilizadas na produção de células solares

11 11 Figura: Potência fotovoltaica instalada no mundo entre o ano de 1996 e Figura Geração de pares elétron-lacuna no material semicondutor e feito de termalização Figura Esquema da técnica de homoepitaxia Figura Esquema da técnica de Heteroepitaxia Figura Esquema da parte interna de um Reator Figura Esquema de uma junção PN ressaltando a concentração de lacunas nos materiais tipo n e tipo p, assim como o comportamento do campo nas duas regiões da junção Figura Esquema de uma Célula Solar de silício Figura: Gráfico da corrente e Potência em função da tensão externa aplicada a célula de silício cristalino Figura Representação gráfica do comportamento da corrente e tensão, de acordo com a forma da associação: (a) associação em série (b) associação em paralelo Figura Esquema representativo de célula, módulo e arranjo fotovoltaicos Figura Módulos de Silício: (a) Policristalino, (b) Monocristalino (c) Amorfo Figura influência da temperatura da célula no comportamento da curva corrente x tensão, com Irradiância padrão de 1000 W/m 2 e espectro AM 1, Figura influência da variação de irradiação solar no comportamento da corrente e tensão em célula de silício cristalino, a temperatura de 25 graus celsius Figura Representação de bateria em circuito Figura Ilustração de um Sistema Energia Solar Fotovoltaica Figura Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico Isolado Figura Esquema de um Sistema Isolado Figura Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico conectado a rede Figura Esquema de medição de voltagem em circuito aberto Figura: Esquema de medição de voltagem de um módulo em uma série

12 12 Figura: Solarímetro Digital Figura Medição de Corrente de Curto-Circuito em Painel Solar Figura 5.1. Demonstração do experimento sobre Energia Solar Fotovoltaica com participação dos alunos da Escola Estadual Instituto Bom Pastor: a) apresentação e b) demonstração. Fonte: Própria

13 13 LISTA DE QUADROS Quadro 3.1. Livros didáticos de ensino médio e superior. Fonte: Adaptado: Dayane, Laena, Quadro 4.1: Ações recomendadas em caso de acidentes com ácidos de baterias. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, Quadro 5.1. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Instituto Bom Pastor) Quadro 5.2. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (IFPA-Ensino Médio/Integrado) Quadro 5.3. Quantidades de alunos e Número de acertos Quadro 5.4. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Escola Estadual Abelardo Condurú)

14 14 LISTA DE ABREVIATURAS. Abreviatura Nome Unidade E f - Energia do fóton ev H - Constante de Planck ev/hz F - frequência Hz E n - Energia de n fótons ev P - Potência W T - Tempo S T - Temperatura K E c - Energia do elétron na banda de condução ev E v - Energia do elétron na banda de valência ev E g - Energia do Gap ou Hiato ev E D - Diferença de energia entre E c e E p ev E b - Estado de energia dentro da banda proibida, próximo de E v ev E p - Estado de energia dentro da banda proibida, próximo de E c ev ddp - Diferença de potencial ou tensão Volt I L - Corrente fotogerada A I o - Corrente reversa do diodo A N - Fator de idealidade - Q - Carga elementar C I - Corrente elétrica A R s - Resistência em série Ω R p - Resistência em paralelo Ω V oc - Tensão de circuito aberto Volt I sc - Corrente de curto-circuito A P MP - Potência máxima ou de pico W

15 15 I mp - Corrente no ponto de potência máxima ou de pico A V mp - Tensão no ponto de potência máxima ou de pico Volt Η - Eficiência de conversão - A - Área da célula m 2 G - Irradiância Solar Global incidente na célula W/m 2 V e - Força eletromotriz Volt R i - Resistência interna Ω V bat - Voltagem nos terminais da bateria Volt

16 16 SUMÁRIO CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO CAPÍTULO 2. UMA BREVE ABORDAGEM DE FREIRE, DELIZOICOV, ANGOTI E PERNAMBUCO, PCNS E LDB IMPORTÂNCIA HISTÓRICA E FILOSÓFICA DOS CIENTISTAS EXPERIMENTAIS 2.2. VISÃO DOS PCNS E LDB PARA O ENSINO MÉDIO FREIRE, DELIZOICOV, ANGOTI, PERNAMBUCO E A DISSERTAÇÃO CAPÍTULO 3. ANÁLISE DE LIVROS DIDÁTICOS ENERGIA SOLAR NOS LIVROS DIDÁTICOS ATUAIS: TEM OU NÃO TEM? ANÁLISE DOS LIVROS DIDÁTICOS DE ENSINO MÉDIO E SUPERIOR COMENTÁRIOS GERAIS DA ANÁLISE E DISCURSÃO DAS OBRAS ESCOLHIDAS CAPÍTULO 4. PROPOSTA DE INCLUSÃO DO TEMA: ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO CURRÍCULO DO ENSINO DE FÍSICA O SOL: NOSSA FONTE DE ENERGIA INESGOTÁVEL CONCEITOS ESSENCIAIS PARA ENTENDIMENTO DO TEMA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Quantização de Max Planck e suas consequências Semicondutores e tabela periódica de classificação Semicondutor intrínseco (puro) Semicondutores extrínsecos Semicondutor dopado - N (tipo N)

17 Semicondutor dopado - P (tipo P) Junção PN A PROPOSTA: ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO ENSINO DE FÍSICA Breve histórico da Energia Solar no mundo e perspectivas comerciais O Semicondutor: Silício Breve Descrição dos Métodos de Dopagem Células Fotovoltaicas de Silício Corrente, Voltagem e Eficiência de Conversão para Células Fotovoltaicas de Silício Dopado Associações de Células solares Associação em Série Associação em Paralelo Módulos e Arranjos Fotovoltaicos de Silício Influência da Temperatura e Irradiação Solar no Comportamento da Corrente e Tensão nas Células Solares Elementos de Sistemas Fotovoltaicos Painel Fotovoltaico Bateria Controlador de Carga Inversores Princípios de Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) e Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede (SFIR) Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede (SFIR)

18 Processo de Manutenção e Operações CAPÍTULO 5. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO E O GRUPO DO LABORATÓRIO DE PREPARAÇÃO E COMPUTAÇÃO DE NANO MATERIAIS (LPCN) O GRUPO DE ESTUDO LPCN APLICAÇÃO DO TEMA NA ESCOLA PÚBLICA RESULTADOS CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICA APÊNDICE A: APÊNDICE B: ANEXOS Anexo A: Capítulo de livro Sobre o Grupo LPCN e suas ações em escolas públicas Material instrucional relativo à dissertação

19 19 Capítulo 1 INTRODUÇÃO Em países subdesenvolvidos do terceiro mundo, atualmente a falta de interesse acentuada por parte dos alunos quando se trata em estudar Ciências básicas, principalmente Física e Química já vêm acontecendo por muito tempo, talvez por falta de metodologias utilizadas pelos professores ou até mesmo pelo fato da forma como é abordado o currículo sendo desmotivante tanto para docentes quanto para discentes, assim como por falta também de incentivos de modo geral à educação. O ensino não vem acompanhando à realidade e muitas vezes vêm desvinculado de aplicações na ciência e tecnologia, o que torna o ensino irrelevante para os jovens que vivem mergulhados em tecnologia. O presente trabalho esta inserido na área de pesquisa, do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física (MNPEF) da Sociedade Brasileira de Física (SBF), Física no Ensino Médio, Área de concentração: Física na Educação Básica, a qual trata a atualização do currículo de Física para o Ensino Médio de modo a contemplar resultados e teorias da Física Contemporânea visando uma compreensão adequada das mudanças que esses conhecimentos provocaram e irão provocar na vida dos cidadãos (SBF, 2016). De acordo com Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007, pág. 162) O ponto de partida do processo educativo é o conhecimento dos fatos que se relacionam mais de perto com a vida das crianças, abrangendo temas como a criança e suas necessidades e a criança e seu meio. Muito se fala em industrialização e crescimento tecnológico no decorrer da evolução da humanidade. As revoluções industriais foram fatores decisivos no processo de encontrar novas fontes de energia. A Inglaterra como primeiro país a experimentar uma revolução industrial, entre 1780 e Esta primeira revolução foi caracterizada pela indústria têxtil de algodão, a siderurgia, em virtude da importância do aço. Como fonte de energia para funcionamento das máquinas foi utilizado basicamente a combustão do carvão. A Segunda Revolução Industrial tem nascimento no aspecto metalúrgico e químico. A tecnologia dessa segunda revolução tem característica no uso do aço e a fonte de energia é caracterizada pelo uso da eletricidade e do petróleo. Essa segunda

20 20 revolução foi iniciada em torno de Mas a evidência de um novo modelo de revolução só foi percebida de fato nas décadas iniciais do século XX. Foi mas evidentemente percebido nos Estados Unidos do que em países europeus. A partir de 1940 tem-se início a terceira revolução industrial, mas evidentemente por volta de 1970, tendo como característica principal o uso e construção de alta tecnologia. Esta nova era é caracterizada pelas energias renováveis e a internet conectando o mundo inteiro como um só país. O ser humano busca atualmente meios de obter energia elétrica de forma que não venham causar grandes impactos ambientais. Daí a importância dos estudos em energias renováveis. Em especial neste trabalho será abordado o tema Energia Solar fotovoltaica que tem fundamento na descoberta do efeito fotovoltaico em 1839 por Becquerel e posteriormente por vários outros cientistas. As crises do petróleo e a corrida espacial já na segunda metade do século XX vieram como agentes impulsionadores dos estudos em energia solar. Em 1850 foram fabricadas as primeiras células solares nos estados unidos (PINHO (org.), GALDINO (org.), 2014). A educação deve esta acompanhando o avanço da ciência e tecnologia, portanto neste trabalho procura-se oferecer teoria e experimentos voltados para o tema de Energia Solar Fotovoltaica, buscando incentivar o docente a utilizar esses conceitos que tanto estão presentes no cenário mundial. Nesta seção, tem-se uma listagem de brinquedos educativos que permitem trabalhar os conceitos de transformações de energia em nível de ensino fundamental e médio, uma forma atraente que chama a atenção do aluno para participar espontaneamente das aulas. A criança principalmente nas series iniciais tende a aprender brincando, neste sentido juntar conceitos científicos ao cotidiano, a vida, da criança se torna uma forma eficiente de ensinar, portanto segue alguns brinquedos que utilizam energia solar para seu funcionamento, fazendo com que o professor tenha um leque de aplicações em suas aulas. Com estes brinquedos, pode-se também trabalhar o conceito de energia solar, assim como os processos de transformação de energia envolvidos e ressaltar a diferença básica entre Efeito Fotovoltaico e Efeito Fotoelétrico.

21 21 A) Inseto Barata movida à Energia Solar (a) (b) Figura 1.1. Ilustração de brinquedos: (a) barata movida a energia solar e (b) Ilustração de um inseto (centopeia) movido a energia solar. Disponível em: acesso em 25/04/2016. B) Mini tartaruga movida à energia solar Figura 1.2. Ilustração de Mini Tartaruga movida a Energia Solar. Disponível em: acesso em 25/04/2016.

22 22 C) Kit educativo movido à energia solar Figura 1.3. Ilustração de Kits Educativo de energia solar. Disponível em: acesso em 25/04/2016. D) Halloween Dança Movido Por Energia Solar a) b) Figura 1.4. Ilustração de bonecos: a) Halloween que dança quando exposto a luz solar e b) Boneca que dança Hula hula, alimentada por energia solar. Disponível em: acesso em 25/04/2016.

23 23 E) Trem Movido A Energia Solar Educativo (a) (b) Figura 1.5. Ilustração de: a) trem que se move quando exposto a luz solar e b) Kit robótica carro solar. Disponível em: acesso em 25/04/2016. F) Casinha Casa Ecológica Movida A Luz Solar Educativo Figura 1.6. Casinha ecológica. Disponível em : acesso em 25/04/2016.

24 24 Estes brinquedos acima mostram que a energia Solar Fotovoltaica já é uma realidade no âmbito educacional e que este produto já é presente no cotidiano das pessoas. No capítulo 1 esta apresentada uma listagem de kits educacionais já existentes no mercado. No capítulo 2 será abordada a teoria de aprendizagem e a relação com energia Solar fotovoltaica no cotidiano das escolas do ensino médio, levando em conta as recomendações dos PCNs e o que este exposto na LDB. No capítulo 3 foi realizada uma breve pesquisa sobre o tema Energia Solar nos livros didáticos de ensino médio, visando identificar se os mesmos abordam o tema ou não. Nos capítulos 4 e 5 descreve o produto educacional exigido pela Sociedade Brasileira de Física, sendo dividido na teoria básica de semicondutores e processo de aquisição do painel solar, assim como proposta de experimentos voltados para educação básica. No capítulo 4 foi descrito a teoria detalhada de aquisição e utilização do painel fotovoltaico. No capítulo 5, apresenta-se a aplicação do produto educacional em escolas públicas e em um Instituto Federal, assim como foi verificado a aprendizagem dos alunos mediante aplicação de questionários. Nos apêndices e anexos temos alguns certificados de eventos nacionais e internacionais, o que se destaca é o capítulo de livro de abrangência nacional: EVOLUÇÃO DE UM GRUPO DE ESTUDO LPCN PARA PESQUISA E DIDÁTICA NAS ESCOLAS DO PARÁ com ISBN e sob nossa autoria, sobre a energia Solar aplicada com o nosso produto desenvolvido (NETO, 2016). Após os anexos segue o material instrucional referente a esta dissertação de mestrado intitulado ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: CONCEITOS APLICAÇÕES PARA O ENSINO MÉDIO.

25 25 Capítulo 2 UMA BREVE ABORDAGEM DE FREIRE, DELIZOICOV, ANGOTI E PERNAMBUCO, PCNS E LDB 2.1. IMPORTÂNCIA HISTÓRICA E FILOSÓFICA DOS CIENTISTAS EXPERIMENTAIS A prática de fazer ciência moderna tem origem no século XVI e XVII no método de investigação proposto por Francis Bacon, que buscava descrever matematicamente a natureza e por René Descartes com seu método analítico. Durante a idade média a igreja católica exercia influência direta na política e na ciência com as teorias fortemente fundamentadas nas ideias Aristotélicas. A partir do século XVI e XVII a ciência ganha nova direção com as ideias de grandes cientistas como Galileu Galilei, Francis Bacon, René Descartes e Isaac Newton. É bom ressaltar ainda a contribuição de Nicolau Copérnico que faz forte oposição ao modelo Geocêntrico, estabelecido por Ptolomeu no século II, propondo em contra partida o modelo Heliocêntrico (CAPRA, 2006 p.50). Segundo CERVO (2007, p.27) o Galileu Galilei foi o precursor do método experimental, considerado o pai da ciência moderna. De acordo com as ideias de Galileu a finalidade das investigações deve ser o conhecimento das leis que antecedem os fenômenos e suas relações quantitativas. Galileu juntou a metodologia de trabalho da experimentação ao raciocínio abstrato da filosofia e da matemática, a partir dessa junção nasce o que chamamos de ciência moderna. Francis Bacon é considerado um dos fundadores dessa nova ciência, desenvolveu o método empírico de pesquisa cientifica, na qual a razão fica subordinada a experimentação. De acordo com as ideias de Bacon o método empírico-indutivo deve seguir a experimentação, formulação de hipóteses, repetição, testagem das hipóteses, e formulação de leis (LAKATOS, 1991 p.47). René Descartes é considerado Também um dos principais pensadores da história do pensamento ocidental. Em sua obra Discurso sobre o método, ele propõem a utilização do método dedutivo, partindo do geral para o particular.

26 26 O inglês Isaac Newton considerado um dos maiores gênios da história universal, publicou sua obra, Principia, em 1687, que é considerada por muitos autores uma das mais brilhantes da ciência. Newton foi um grande sintetizador das ideias de seus antecessores desenvolveu a concepção mecânica da natureza. Newton desenvolveu a metodologia em que a ciência natural passou a basear-se desde então VISÃO DOS PCNS E LDB PARA O ENSINO MÉDIO Para o ensino médio de acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCNs) o objetivo em cada área do conhecimento é envolver de forma combinada o desenvolvimento de conhecimentos práticos, contextualizados, que respondam às necessidades da vida contemporânea (Brasil, 1998, p.6). Ainda segundo os PCNs o professor tem o dever de estimular o aluno a buscar respostas sobre o ambiente e sobre os recursos tecnológicos que fazem parte do seu cotidiano (BRASIL 1997, p. 61). De acordo com a Lei Federal nº 9.394/1996 (Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional - LDBEN) a educação tem por finalidade o pleno desenvolvimento do educando, seu preparo para o exercício da cidadania e sua qualificação para o trabalho. Deste modo levando em conta o exposto nos PCNs e na LDBEN o ensino deve estar voltado não apenas para o conteúdo em si, mas também para a construção do ser humano capaz de inferir criticamente e não apenas reproduzir conceitos adquiridos em métodos tradicionais de ensino FREIRE, DELIZOICOV, ANGOTI, PERNAMBUCO E A DISSERTAÇÃO. Por muito tempo o ensino tem se dado por mera transmissão e assimilação de conteúdo pronto sem poder de crítica por parte do aluno, método chamado hoje em dia de tradicional. Porém de acordo com Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007) o ensino deve ganhar uma nova abordagem para atingir a aprendizagem do aluno, pois hoje a educação é oferecida para muitos, e novas formas de ensinar devem tomar o lugar do método antigo e tradicional oferecido acima de tudo para poucos (2007, pág.33).

27 27 Segundo Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007) o professor tem o dever de paralelamente aos conteúdos levantar o senso crítico do aluno, de maneira que os conceitos relacionados à ciência e tecnologia se incorporem no dia a dia, no universo das representações sociais e se transforme em cultura. É bom perceber que as ideias dos autores citados têm concordância imediata com os requisitos exigidos pelos PCNs e impostos pela LDBEN. É notável na atualidade que a maioria dos professores e professoras não trabalha com temas modernos, inseridos em tecnologias, em virtude de dificuldades que já veem por muito tempo sendo levantadas por muitos autores. Essas dificuldades muitas das vezes são provenientes de ausência de formação continuada e até mesmo por falta de condições físicas em nossas escolas, em virtude do descaso do poder público pela educação da imensa maioria da população. Para Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007): Se solicitarmos exemplos de manifestações e produções culturais, certamente serão citados: música, teatro, pintura, literatura, cinema... A possibilidade de a ciência e a tecnologia estarem explicitamente presentes numa lista dessa natureza é muito remota! Ainda de acordo com Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007) é um desafio inserir, no trabalho do docente, atividades que envolvam conhecimentos de ciência e tecnologia, sejam eles os mais tradicionais ou os mais recentes. É importante que o professor esteja atualizado com os temas modernos para que possa ter atuação relevante no cenário educacional atual. Os livros didáticos por mais que sempre busquem atualizações no que diz respeito à divulgação de Ciência e tecnologias modernas, em muitas situações ainda são pobres em conceitos capitais e presentes na vida do aluno, como por exemplo, o tema Energia Solar Fotovoltaica, em brinquedos e aplicações tecnológicas por exemplo. Percebe-se depois de uma pesquisa em todos os últimos livros de física aprovados pelo Ministério da Educação (MEC) que a grande maioria não apresenta os conceitos relacionados com o tema, Energia Solar, e em alguns nem ao menos citam o tema (MOTA L. LOBO D, 2016).

28 28 Deste modo segundo Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007) o livro didático ainda é a principal ferramenta de trabalho do professor e em virtude das deficiências presentes nestes livros é imprescindível que o docente busque outras fontes, novos materiais que abordem outros temas tão relevantes para a sociedade quanto aqueles presentes nos livros didáticos. Nesta dissertação de Mestrado será evidenciado o tema Energia Solar Fotovoltaica, assim como o uso dos geradores fotovoltaicos ou placas fotovoltaicas,como são conhecidas. A escolha deste tema visa estimular estudos, mas aprofundados no que diz respeito a energias renováveis, e esclarecer para a sociedade de modo geral a relevância de tal tema para a cultura. O trabalho da dissertação foi exposto, em forma de conceitos e experimentos, em feiras culturais em escolas públicas. Foi observada resistência por parte de organizadores da feira, especialmente da escola Izabel Amazonas, Localizada No bairro do Distrito Industrial na cidade de Ananindeua. Como foi exposto com Delizoicov, Angoti e Pernambuco (2007), é remota a possibilidade de termos ciência e tecnologia em manifestações culturais, o contrário com danças, teatro e outras. Já na Escola estadual Instituto Bom Pastor a história foi bastante diferente, houve grande aceitação e participação tanto dos profissionais da escola como alunos, ver figura 5.1, o que nos trouxe acima de tudo prazer em trabalhar na área da educação. O tema proposto é muito rico no que diz respeito à física e também pode ser trabalhado de forma transdisciplinar, fazendo referências a conceitos de química, ligações e classificação periódica dos elementos na tabela periódica. Além de naturalmente chamar a atenção do aluno para participar, despertar o carácter científico e incentivar a busca por conhecimento e reflexão crítica sobre o modelo de geração de energia elétrica convencional (hidrelétrica) e seus impactos na flora, na fauna e na população ribeirinha desterritorializada. Deste modo pode-se utilizar o tema, Energia Solar, no momento de ensino e aprendizagem como tema gerador fazendo uma relação com a teoria de Paulo Freire, ou melhor, perspectiva freireana que esta vinculada a transformação da sociedade e formação de sujeitos críticos que possam intervir no meio em que vivem. Paulo Freire acreditava que os alunos já traziam conhecimentos que

29 29 deveriam ser levados em conta e enriquecidos com argumentos do educador para gerar no discente postura crítica, deste modo transformando a sociedade. Então no método Freireano a participação do professor e do aluno é igualitária. A ideia central nesta teoria é libertar o aluno da passividade e transformar em um cidadão crítico (FREIRE, 1999). Delizoicov, Angotti e Pernambuco (2007) afirmam que cabe aos professores, interpretar os temas significativos que se constituirão como temas geradores, os quais iram direcionar as ideias na identificação de conhecimentos necessários para a vida do aluno. Para isso apresentam 4 temas e conceitos unificadores na estruturação do programa de ensino de Ciências. Para o referido trabalho de dissertação o importante é o tema Energia, que agrega os conhecimentos específicos de ciência e tecnologia. Dentro do exposto, levando em conta argumentos de Paulo Freire sobre os temas geradores e a formação de aluno crítico, assim como a importância de implementação pelos professores de temas relativos à ciência e tecnologia e formação também de aluno critico por parte de Delizoicov, Angotti e Pernambuco (2007), vejo que a dissertação pode ser trabalhada neste contexto como tema gerador, e formação de alunos críticos, que possa inferir sobre os métodos tradicionais de obtenção de energia elétrica e possa ter uma visão ampla sobre energias renováveis e sua devida importância para o cenário mundial. Os requisitos capitais nas teorias aqui apresentadas (Freire e Delizoicov, Angotti e Pernambuco -2007) é que o importante não é o conteúdo em si, mas sim o que ele tem haver com a vida cotidiana do aluno, se desperta a consciência crítica. E através da apresentação nas escolas percebeu-se que o tema contagiou os alunos com o espírito científico e despertou a esperança de formar pessoas que venham intervir na sociedade com ideias e questionamentos.

30 30 Capítulo 3 ANÁLISE DE LIVROS DIDÁTICOS Nesta etapa, analisa-se de que modo os livros didáticos veem abordando a física e em especial o tema energia solar. O livro didático como sempre útil no processo de ensino é indispensável para os professores e alunos, principalmente de escolas públicas, as quais muitas vezes não tem o recurso material necessário para a construção do conhecimento. Neste contexto o governo federal mantem o Programa Nacional do Livro Didático (PNLD) que é voltado à distribuição de livros didáticos para as escolas públicas. No decorrer dos anos, o programa foi aperfeiçoado e teve diferentes nomes e formas de execução. Atualmente, o PNLD é voltado à educação básica brasileira (PNLD-2015). Conforme Silva e Garcia (2009). Em 2004, o Governo Federal executa outro programa relacionado ao livro didático: o Programa Nacional do Livro Didático para o Ensino Médio (PNLEM), abrangendo gradualmente as disciplina que compõem os currículos escolares, que tem como principal objetivo a universalização do Ensino Médio. O livro didático tem sido elemento de muitas discussões no meio acadêmico, pois as expectativas são que estes se aproximem cada vez mais das realidades científicas, sociais e tecnológicas ENERGIA SOLAR NOS LIVROS DIDÁTICOS ATUAIS: TEM OU NÃO TEM? Aqui foram analisados livros didáticos tanto de ensino básico quanto de ensino superior da disciplina física, com o intuito de verificação do tema proposto em tais livros. Para a análise dos livros didáticos foi estabelecido o critério se aborda ou não o tema, energia solar, de forma sucinta ou apenas faz pequenas citações ou até mesmo não se refere ao assunto, ou seja, não contempla o tema. Então o objetivo é verificar se o livro tem ou não tem o tema Energia Solar Fotovoltaica.

31 ANÁLISE DOS LIVROS DIDÁTICOS DE ENSINO MÉDIO E SUPERIOR Autor(es) Obra Volume/Ensino Editora H. Moysés Nussenzveig Curso de Física Básica 1,2,3 e 4/Superior Blucher David Halliday, Robert Resnick e Jearl Walker Fundamentos de Física 1,2,3 e 4/Superior FTD João Barcelos Neto Mecânica Newtoniana, Lagrangeana e Hamiltoniana Único/Superior Livraria da Física Adriana Valádio Roque da Silva Claudio Xavier e Benigno Barreto Nossa estrela: O SOL Único/Médio e Superior Livraria da Física Coleção física aula por aula. 1, 2 e 3/Médio FTD Alberto Gaspar Física Único/Médio Ática Aurélio Gonçalves Filho e Carlos toscano Bonjorno, Clinton, Eduardo Prado e Casemiro. Física interação e tecnologia 1, 2 e 3/Médio Leya Física 1,2 e 3/Médio FTD Alberto Gaspar Compreendendo a Física 1, 2 e 3/Médio Ática Carlos Magno A.Torres, Nicolau G. Ferraro, Paulo Antônio de T. Soares e Paulo C. Martins Penteado. Blanidi Sant Anna, Gloria Martini, Hugo Carneiro Reis e Walter Spinelli Física: Ciência e tecnologia 1, 2 e 3/Médio Moderna Conexões com a FÌSICA 1 e 2/Médio Moderna Newton Vilas Boa, Ricardo Helou Doca e Gualter José Biscuola. Física 1,2,3/Médio Saraiva Kazuhito Yamamoto e Luiz Felipe Fuke FÍSICA PARA O E. MÉDIO 1,2 e 3/ Médio Saraiva Total Quadro 3.1. Livros didáticos de ensino médio e superior. Fonte: Adaptado: MOTA L. e LOBO D., 2016.

32 COMENTÁRIOS GERAIS DA ANÁLISE E DISCURSÃO DAS OBRAS ESCOLHIDAS Aqui nesta seção não será abordado de forma detalhada como os autores trataram o tema em suas obras ou por que não trataram, mas podemos garantir de acordo com a pesquisa nos livros didáticos, que a abordagem do tema não foi realizada na maioria das obras aqui analisadas, as poucas obras que abordaram o tema o fizeram de forma superficial. Alguns dando ênfase para Energia Solar Térmica e nem ao menos citando a Energia Solar Fotovoltaica. Foi fácil perceber depois da análise das obras que a maioria dos livros de física não vem explorando o tema Energia Solar Fotovoltaica e suas aplicações na geração de energia elétrica no Brasil. Em países como, por exemplo, na Alemanha esses conceitos veem sendo abordados de modo cotidiano nas escolas. Percebe-se que tal tema é de extrema importância no cenário mundial e de grande necessidade de introduzir no currículo do ensino de Física, pelo menos os conceitos iniciais, nas escolas de ensino médio assim como também em cursos superiores de física, visto que nos livros analisados de ensino médio e superior nem um deles aborda o tema de forma detalhada, apenas fazem citações superficiais sobre energia solar, assim como de outras formas de energias renováveis. A obra Os Fundamentos de Física, HALLIDAY, aborda a fundamentação de teoria de semicondutores, porém não menciona o tema Energia Solar em detalhes.

33 33 Capítulo 4 PROPOSTA DE INCLUSÃO DO TEMA: ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO CURRÍCULO DO ENSINO DE FÍSICA Esta proposta vem como indicativos de conceitos essenciais, satisfatórios e de extrema importância para introduzir no currículo de Física do ensino médio, assim como de alguns cursos superiores de modo bem mais aprofundados. O presente tema se mostra necessário em virtude de ser contemporâneo e fazer parte de uma revolução na área energética mundial e ainda não ser tratado com tal relevância em livros didáticos nacionais, como foi exposto no capítulo anterior deste trabalho O SOL: NOSSA FONTE DE ENERGIA INESGOTÁVEL De acordo com Silva O Sol é a estrela mais próxima de nós e, portanto, a que foi melhor estudada. Muito do que sabemos sobre as estrelas se deve ao estudo do Sol, que também funciona como um laboratório de altíssimas energias para experimentos impossíveis de serem realizados na terra (2006, pág. 1) Silva afirma ainda que: O Sol emite radiação ao longo de todo espectro eletromagnético, desde os energéticos raios X e gama até ondas quilométricas de rádio, passando pelo ultravioleta, visível, infravermelho, milimétrico e micro-ondas. A maior parte da intensidade encontra-se no visível, e não é coincidência o fato de nossos olhos serem adaptados para enxergarem nessa faixa do espectro. Especificadamente, a intensidade máxima encontrada nas emissões do espectro solar está em um comprimento de onda de 500nm (2006, pág. 4). De acordo com a escala de tempo da terra e com os níveis de consumo energético mundial, o Sol pode ser adotado como uma fonte inesgotável energia. O aproveitamento energético solar é, sem dúvidas, uma das alternativas energéticas mais viáveis para a humanidade (GALDINO et al, pág. 17, 1998 ). O Sol Irradia por ano o equivalente a vezes a energia consumida pela população do mundo, neste mesmo período, e produz continuamente 390 sextilhões (3,9x10 23 ) de quilowatts de potência. Como ele emite energia em todas as direções, um pouco desta energia é desprendida, mas mesmo assim, a Terra recebe mais de 1.500

34 34 quatrilhões (1,5x10 18 ) de quilowatts-hora de potência em um ano. Evita-se com apenas 1m 2 de coletor solar instalado a inundação de uma área de 56m 2 de Terra, na construção de novas usinas hidrelétricas (AMBIENTE BRASIL). A Energia Solar captada por painéis fotovoltaicos é a solução mais viável para áreas isoladas e ainda não eletrificadas, especialmente num país como o Brasil onde se encontram bons índices de insolação em qualquer parte do território (AMBIENTE BRASIL). Em regiões afastadas como, por exemplo, localidades da ilha do Marajó, no estado do Pará, são comuns o uso de painéis solares como fonte de energia, em virtude do custo sair altíssimo por métodos convencionais, via linhas de transmissões. Porém também pode ser utilizadas em qualquer parte do mundo, desde que seja de interesse da sociedade local, temos um exemplo bastante interessante no Japão que deveria ser seguido no mundo todo. A empresa japonesa Kyocera está construindo uma usina solar com capacidade de megawatts-hora (MWh) de energia por ano, o suficiente para 8100 domicílios. O empreendimento será a maior instalação produtora de energia solar da província de Kyoto, onde esta sendo construída, figura CONCEITOS ESSENCIAIS PARA ENTENDIMENTO DO TEMA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA Quantização de Max Planck e suas consequências Em 1900, Max Planck, físico alemão, assume que a energia radiante é composta por pacotinhos de energia, os quais chamou de quantum. Cinco anos depois a proposta de quantização foi utilizada pelo físico alemão Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico proposto por Hertz em Mas tarde por volta de 1926 o químico Gilbert Lewis denominou esses pacotinhos simplesmente de Fóton, denominação aceita até os dias atuais e mais utilizada nos livros didáticos. Cada fóton de energia carrega consigo uma quantidade de energia dada pela equação E Fóton = h f, Equação 4.1 Assim como para n fótons a energia total é dada por

35 35 E n = n h f, Equação 4.2 Sabemos que a potencia é dada por P = Energia total tempo, Equação 4.3 Podemos escrever P = n h f t, Equação 4.4 Onde h = 6,63x10 34 J. s é a chamada constante de Planck, f a frequência da radiação e t é o tempo de incidência de radiação (HALLIDAY, 2007). Em 1923 Arthur Holly Compton apresentou o efeito Compton que nos mostra mais uma evidência da natureza corpuscular da radiação proposta por Planck. É oportuno frisar aqui que o efeito fotoelétrico rendeu o prêmio Nobel para Albert Einstein em 1921, assim como o efeito Compton para Arthur Compton em (HALLIDAY, 2007). Esse conceito de energia corpuscular proposta por Max Planck em 1900 é fundamental para o entendimento de geração de energia elétrica diretamente do sol via painéis solares Semicondutores e tabela periódica de classificação Os semicondutores são materiais que, à temperatura ambiente, nem conduzem como os metais, nem isolam como os isolantes. São elementos da coluna IV ou família 4A (Fig. 4.2) da tabela de classificação periódica dos elementos químicos, caracterizados por terem quatro elétrons na última camada. Num semicondutor cristalino, a estrutura regular em que se dispõem os átomos faz com que os elétrons da última camada sejam compartilhados com os átomos vizinhos, realizando o que chamamos de ligação covalente (TEIXEIRA, 2003). Os semicondutores possuem resistência elétrica maior do que a dos materiais condutores e menor do que dos isolantes, sendo o mais utilizado, o silício (KLOSOWSKI, 2011).

36 36 Figura 4.1. Campos de golfe abandonados se transformam em usinas de energia solar no Japão. Disponível em:< Acesso em 29/08/ Figura 4.2. Tabela de classificação periódica de elementos químicos. Fonte: acesso em 02 de fevereiro de 2015.

37 Semicondutor intrínseco (puro) O cristal de silício puro não possui elétrons livres. É caracterizado pelas faixas de valência e faixa de condução e entre elas existe uma faixa intermediária denominada proibida, também chamada de hiato energético, é a largura deste hiato que determina se é um semicondutor ou isolante. Os isolantes o hiato tem largura maior, cerca de 6 ev e os semicondutores de 1 ev. Deste modo podemos excitar os elétrons e fazê-los passarem da faixa de valência para a faixa de condução mediante incidência de fótons, na frequência da luz visível (BRAGA, 2008). À temperatura de 0K, tanto o semicondutor como o isolante não conduzirão corrente elétrica, pois em ambos os casos as bandas de valência estarão completamente preenchidas, assim como a banda de condução estará vazia em sua totalidade. A figura 4.3 apresenta dois modelos representativos de semicondutores, considerando a temperatura igual a 0K. Na figura 4.3a os círculos representam os núcleos dos átomos e as barras duplas representam os elétrons compartilhados por ligações covalentes (SWART, 2008). A temperatura acima do zero absoluto o material semicondutor, no caso de hiato pequeno, alguns elétrons adquirem energia térmica da rede, podendo alcançar a banda de condução. Desta forma teremos a condição que tanto elétrons da banda de condução quanto elétrons da banda de valência podem conduzir corrente elétrica (SWART, 2008). É importante ressalta aqui o transporte de lacuna, o que é equivalente ao movimento de elétrons na banda de valência. O transporte de lacuna ocorre no sentido contrário ao movimento de elétrons na banda de valência, como se fosse cargas positivas se movimentando. De acordo com SWART: É intuitivo assumir que o número desses portadores cresce com a temperatura do material e que, quanto menor a banda proibida, maior é esse número (um maior número de elétrons da banda de valência receberá energia suficiente para alcançar um estado na banda de condução). Dessa forma podemos afirmar que a taxa de geração de portadores é uma função da temperatura e da largura da banda proibida (pág. 153, 2008). Ao mesmo tempo em que é criado o par elétron - lacuna no semicondutor ocorre também o processo de recombinação quando um elétron e uma lacuna se encontram, porém depois de certo tempo em que o material entra em equilíbrio térmico o número de elétrons e lacunas tendem a um valor de equilíbrio, o que é

38 38 equivalente a dizer que a taxa de geração de portadores é igual à taxa de recombinação elétron lacuna (WSART, pág. 153, 2008) Semicondutores extrínsecos Semicondutores extrínsecos são semicondutores dopados com impurezas que alteram a concentração dos portadores de carga, elétrons e lacunas. Para os semicondutores elementares como o Silício e o Germânio são utilizados como dopantes os elementos das famílias IIIA e VA da tabela periódica. Já para os semicondutores compostos, como o GaAs por exemplo são utilizados os elementos das famílias IIA, IVA e VIA como impurezas (WSART, 2008) Semicondutor dopado - N (tipo N) O Silício apresenta-se normalmente como areia. Através de métodos adequados, obtém-se o Silício em forma pura (na verdade nem tanto puro). O cristal de Silício puro não possui elétrons livres e, portanto é um péssimo condutor de eletricidade (NASCIMENTO, 2004). No Silício puro podemos inserir impurezas, das quais destacamos o fósforo da família 5A e o boro da família 3A, para obter resultados diferentes dos obtidos com silício puro, o que chamamos de dopagem. Por exemplo, a dopagem do silício com o fósforo, elemento da família VA obtém-se um material com elétrons praticamente livres, ou melhor, fracamente ligados ao átomo de silício ou materiais com portadores de carga negativa (Silício tipo N) (TEIXEIRA, 2003). Com a dopagem do Silício com o Fósforo ocorre uma perturbação na estrutura de bandas do Silício, aparece um estado de energia entre as bandas de valência e de condução, ou seja, dentro da banda proibida, como ilustra a figura 4.7. Podemos considerar o modelo desse quinto elétron fracamente ligado ao átomo de silício comparando com o modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, o que levará ao cálculo de E D = -0,1 ev. A linha tracejada representa a não distribuição contínua de impurezas no cristal de Silício. Percebe-se que esse quinto elétron necessita de pouca energia, em relação aos da banda de valência, para se deslocar para a banda de condução. (SWART, PÁG. 157, 2008)

39 39 Banda de condução Banda de valência a) Modelo de ligações químicas. b) Modelo de bandas de energia. Figura 4.3. Modelos representativos de semicondutores a temperatura de 0K. Banda de condução Banda de valência (a) (b) Figura 4.4. Modelos representativos de semicondutores a temperatura acima de 0K. Modelo de a) ligações químicas e b) bandas.

40 40 Banda de condução Banda de valência (a) (b) Figura 4.5. Transporte de lacunas em semicondutores. Modelos de a) ligações químicas e b) bandas. Elétron fracamente ligado (praticamente Livre) Silício Elétron Elemento da família 5A Fósforo Figura 4.6. Semicondutor dopado tipo-n Ec E P = 0,045ev E c E g = 1,12ev E P E v Figura 4.7. Modelo de bandas para semicondutor dopado com fósforo.

41 Semicondutor Dopado - P (tipo P) O mesmo processo, dopagem, pode ser feito também acrescentando Boro, ou Alumínio, elemento da família IIIA, no Silício ao invés de Fósforo, obtendo um material com carência ou falta de elétrons, ou material com cargas positivas (lacunas) livres (Silício tipo P) (TEIXEIRA, 2003). Deste modo a estrutura do modelo de bandas também será modificada, pois aparecerá um estado de energia intermediário entre a banda de valência e a banda de condução, ou seja, dentro da banda proibida, só que agora esse será logo acima da banda de valência como mostra a figura Junção PN Uma junção PN corresponde a uma união de dois materiais, um tipo N e outro tipo P. Alguns elétrons livres da região N movem-se através da junção por difusão, e ocupam as lacunas na região-p, formando íons negativos nesta região P. Estes elétrons deixam íons positivos nas posições ocupadas pelas impurezas doadoras N, já que deixaram seus átomos de origem, tipo N (TEIXEIRA, 2003). Ocorre a formação de um íon negativo na posição do átomo aceitador. No lado-n ficou para trás um íon positivo (falta de elétron) na posição do átomo doador. A carga espacial na junção aumenta, criando uma região de depleção que inibe transferências subsequentes de elétrons conforme apresentado na figura 4.9 (criação da região de depleção) e na figura 4.10 (região de depleção). É importante ressaltar que a ddp através da região de depleção é chamada de barreira de potencial e que a temperatura de 25ºC, esta barreira é de 0,7V para o Silício e 0,3V para o Germânio. (TEIXEIRA, 2003).

42 42 Lacuna Silício elétron Elemento da família 3A Íon negativo Figura 4.8. Semicondutor dopado tipo-p. E c E g = 1,12ev E B E V = 0,045ev E v Figura 4.9. Modelo de bandas para semicondutor dopado com Boro. Tipo P Tipo N Região de Depleção Figura Formação da Região de depleção.

43 43 (a) (b) Figura Célula solar de Silício (a) monocristalino e (b) Multicristalino (Honsberg e Browden Apud Buhler-2011). Figura Célula de filme fino, silício amorfo. (UNISOLAR Apud Buhler-2011).

44 A PROPOSTA: ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA NO ENSINO DE FÍSICA Diante do exposto observa-se a relevância de inserção do tema Energia Solar no ensino de física, visto que é um fato extremamente importante no que diz respeito à física contemporânea e a contextualização dos conteúdos abordados, assim como a relevância no cenário internacional. Aqui nesta secção será exposto de forma mais didática possível como ocorre à conversão direta de energia solar em elétrica e em quais situações é, mas viável ser adotado um sistema de geração fotovoltaico ao invés de um convencional, assim como os cuidados que devemos ter no processo de instalação e de manutenção Breve Histórico da Energia Solar no mundo e perspectivas comerciais O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmund Bequerel e consiste em uma diferença de potencial entre dois semicondutores de propriedades elétricas diferentes (BUHLER, 2013). As primeiras células fotovoltaicas foram construídas a partir de Selênio por C.E. Frits por volta de Somente em torno de 1950 foram construídas, nos laboratórios Bell nos Estados Unidos, as primeiras células utilizando semicondutor, silício cristalino, esses painéis fabricados em 1950 tiveram um rendimento relevante na época. Nas últimas décadas veem sendo aplicadas várias tecnologias na fabricação de células fotovoltaicas. Existem as células baseadas em filmes finos e as de multijunção de alta eficiência e células baseadas em corantes, no entanto as células de silício cristalino dominam o mercado mundial no que diz respeito à fabricação e comercialização. (PINHO (org.), GALDINO (Org). 2014) As células podem ser classificadas em células de primeira, segunda e terceira geração. As de primeira geração são as células especialmente tratadas nesta dissertação, células de Silício dopado, são as mais comercializadas e representam em torno de 90% da produção mundial (Buhler, 2011). Células de segunda geração são aquelas feitas em filmes finos, como o tulereto de cádmio e o silício amorfo, têm eficiência e custo de fabricação menor que as de silício cristalino, assim como a espessura são inferiores.

45 45 As de terceira geração são células fotovoltaicas, de baixa eficiência, são células baseadas em corantes, em aplicações incluem células orgânicas e nano cristais. Ainda em fase de constantes pesquisas e desenvolvimento. É importante ressaltar que apesar dos estudos constantes em relação às células de segunda e terceira geração as de silício cristalino veem dominando o mercado mundial, daí a preferência nesta dissertação em concentrar o estudo, e socializar em nível de ensino médio, em energia solar fotovoltaica mediante a utilização de painéis solares baseados em silício cristalino. A figura 4.13 mostra a produção industrial desde 2000 até A figura 4.14 nos mostra que a potência mundial instalada cresceu bastante no período entre 1996 e 2008, tanto para sistemas conectados a rede como aqueles autônomos. É importante ressaltar que esses chamados de autônomos são de extrema importância para regiões de difícil acesso ou isoladas, como por exemplo, para residências de ribeirinhos em algumas localidades na região do Marajó, no estado do Pará/Brasil, onde se torna inviável o custo para levar energia elétrica por métodos tradicionais, por cabos, portes etc.

46 46 Figura Distribuição das tecnologias utilizadas na produção de células solares. Legenda: m-si: silício monocristalino; p-si: silício policristalino; CdTe: telureto de cádmio; a-si: silício amorfo; CIS: disseleneto de cobre índio; CIGS: disseleneto de cobre índio gálio; e Si-Fitas: fitas de silício. Fonte: HERING Apud PINHO (ORG.), GALDINO (ORG.), Figura: Potência fotovoltaica instalada no mundo entre o ano de 1996 e Fonte: VERA, 2009.

47 O Semicondutor: Silício O silício é um material semicondutor abundante na natureza, que se atingisse a temperatura de 0K possuiria sua banda de condução completamente vazia e a temperatura ambiente não é um bom condutor de eletricidade por possuir poucos elétrons na banda de condução. A dopagem do silício com material como o fósforo e o bora nos fornecem o silício tipo N e tipo P respectivamente, e a junção PN desses nos oferece um material-conjunto que constitui a base para a célula solar de silício. Se este material, semicondutor, for exposto á luz solar com fótons de energia maior ou igual que a energia do Gap, ou hiato, irá gerar pares elétron-lacuna no material. Caso a energia do fóton seja maior que a do Gap o excedente geralmente é emitido em forma de calor, aquecendo o material, é o fenômeno que chamamos de tematização do excedente da energia. A figura 4.15 mostra uma idealização do que acontece na recepção fóton-elétron e a termalização. Pode-se fazer o balanço energético com a ajuda da figura 4.15, o que é fácil perceber que a energia do Gap (E g ) é a diferença entre a energia mínima da banda de condução (E c ) e a máxima da banda de valência (E v ). Eg = Ec Ev, Equação 4.5 E(ev) h.f E c calor Banda de condução Banda proibida E v Banda de valência Figura Geração de pares elétron-lacuna no material semicondutor e feito de termalização.

48 Breve Descrição dos Métodos de Dopagem Nesta seção seram discutido algumas técnicas básicas para obtenção de materiais semicondutores dopados. Essas técnicas visam à deposição de camadas (filmes) de determinado material sobre outro chamado substrato, podendo ser de mesmo material ou não. I- Técnica epitaxial: Esta técnica de deposição consiste em depositar material sobre outro seguindo a mesma orientação cristalográfica do substrato. Essa técnica é geralmente classificada em homoepitaxia e heteroepitaxia. A Homoepitaxia é a deposição de um filme sobre um substrato de mesmo material. Na Figura 4.16 tem-se um exemplo de deposição de um filme de Si sobre um substrato de Si. Pode-se destacar que o exemplo da Figura 4.16 constitui a base de uma célula fotovoltaica, a qual será objeto de estudo das próximas subseções deste trabalho. A heteroepitaxia é a deposição de um filme de determinado material sobre um substrato de material diferente. Segundo o exemplo da Figura 4.17 da deposição de um filme de AlGaAs tipo N sobre um substrato de GaAs. Existem várias técnicas de epitaxia, deposição de filmes sobre substrato, neste trabalho será abordada a técnica, mas utilizada que é chamada de VPE (Vapor Plase Epitaxy) ou Epitaxia por Fase de Vapor. O processo é elaborado em um aparelho específico denominado Reator, o qual possui uma câmara onde colocamos lâminas de silício sobre uma plataforma de lâminas com temperatura controlada (SWART, pág.230, 2008). Sobre a plataforma, com temperatura controlada, são colocadas bolachas de silício em seguida são ejetados gases como, por exemplo, o SiH 4 que é o mas utilizado atualmente por possuir uma taxa de crescimento dentro do intervalo de 0,2 a 0,3 micrometro e trabalhar a uma faixa de temperatura relativamente baixa, entre 950 a 1050 o C (SWART, 2008). Temos vários tipos de reatores, dentre eles os reatores radioativos, verticais e horizontais. Na figura 4.18 temos um esquema básico de um Reator radioativo.

49 49 Si - N Si - P Figura Esquema da técnica de homoepitaxia. AlGaAs-n GaAs-S.I Figura Esquema da técnica de Heteroepitaxia. Figura Esquema da parte interna de um Reator.

50 50 Na figura 4.18 os gases entram pela parte superior e em seguida passam paralelamente a superfície das bolachas de silício, contaminando-as, e saem pela parte inferior do Reator. No final do processo temos um filme do material (dopante) desejado nas bolachas de silício, no substrato Células Fotovoltaicas de Silício De acordo com Pinho (org.) e Galdino (org.), pág.114, 2008, as células fotovoltaicas podem ser entendidas essencialmente como diodos (junções PNs) de grande área, preparadas especialmente para que ocorra o efeito fotovoltaico. Estas células são destinadas para converter energia radiante do Sol diretamente em energia elétrica, para explicar isso utilizamos o efeito fotovoltaico, essas células na verdade constituem junções PN, diodos, de material semicondutor dopado, Figura 4.19, Sendo o mais comercializado o silício devido ser mais abundante na natureza, no qual podemos incidir radiação fazendo com que seus elétrons ganhem a energia dos fótons, de valores maiores ou igual à energia do Gap, e saltem da banda de valência para a banda de condução, Efeito Fotovoltaico, dando origem ao aparecimento de pares elétron-lacuna, que serão separados pela região de depleção da junção, em virtude do campo elétrico gerado, ver Figura Alguns elementos contribuem para a limitação da eficiência da célula solar como as resistências oferecidas pelas chapas metálicas e o processo de recombinação de elétron e lacunas, assim como defeitos de fabricação (PINHO, org. GALDINO, Org. 2014). Na figura 4.20 temos uma ilustração básica do funcionamento da célula fotovoltaica de silício dopado.

51 51 Figura Esquema de uma junção PN ressaltando a concentração de lacunas nos materiais tipo n e tipo p, assim como o comportamento do campo nas duas regiões da junção Fonte: Buhler-UFRGS Figura Esquema de uma Célula Solar de silício. Fonte: Adaptado NT Solar PUCRS Apud Gasparin-2012.

52 Corrente, Voltagem e Eficiência de Conversão para Células Fotovoltaicas de Silício Dopado. Em uma célula considerada ideal, desprezados quaisquer elementos dissipativos, como por exemplo, resistências oferecidas pelas barras metálicas acopladas nas superfícies externas da junção PN, poderíamos calcular a corrente pela soma da corrente da célula no escuro (influenciada pela temperatura) e a corrente foto-gerada pela incidência de radiação, de acordo com a equação abaixo (SWART, 2008). I = I L I 0 [e qv nkt 1], Equação 4.6 Onde: I L - corrente fotogerada pelo diodo I 0 - corrente reversa do diodo (pode ser determinada experimentalmente), também conhecida como corrente de fuga n- Fator de idealidade do diodo q- carga elétrica elementar 1, C k- constante de Boltzman T- temperatura absoluta V- voltagem externa aplicada a célula É necessário ressaltar aqui que se não houver incidência de radiação a corrente no circuito será apenas em virtude do potencial externo aplicado e será dado por (SWART, 2008). I = I 0 [e qv KT 1]. Equação 4.7 Isso se a polarização for feita de forma direta onde a região de depleção diminui com o estabelecimento da tensão externa, caso a polarização for feita de forma indireta praticamente não haverá existência de corrente, caso em que a região

53 53 de depleção aumenta com o estabelecimento da tensão externa, oferecendo maior resistência à passagem de corrente, caso que pode ser demonstrado facilmente com o uso de um LED, o qual transporta corrente apenas em um único sentido. Agora se levarmos em conta os elementos dissipativos temos que fazer algumas correções no nosso modelo de corrente, para uma única célula, deste modo deve-se expressar a corrente pela seguinte equação (SWART, 2008). onde: I = I L I 0 [e q(v+irs) nkt 1] V+IRs, Equação 4.8 Rp Rs - é a resistência em série e Rp - é a resistência em paralelo Podemos determinar a potência total útil entregue ao sistema para uma célula ideal, somente para idealizações didáticas no ensino médio, utilizando para isso a equação seguinte, já conhecida do ensino médio: P = I. V, Equação 4.9 Substituindo a equação 4.6 na equação 4.9, teremos: P = {I L I 0 [e qv nkt 1]}. V, o que nos dá no caso ideal a seguinte equação para a potência gerada na célula. P = I L. V I 0. V [e qv nkt 1], Equação 4.10 Agora para o caso em que levamos em conta os fatores dissipativos, podemos escrever: P = I. V = {I L I 0 [e q(v+irs) nkt potência gerada pela equação que segue. 1] V+IRs }. V, deste modo expressamos a Rp P = I L. V I 0. V [e q(v+irs) nkt 1] (V+IRs).V, Equação 4.11 Rp

54 54 E ainda podemos calcular a potência máxima (P mp ) e a tensão máxima (V mp ), para isso é necessário utilizar recursos de cálculo, um limite chamado de derivada, visto apenas em cursos superiores. Aqui sem dar ênfase aos cálculos mencionados podemos expressar através do gráfico IxV e IxP o comportamento da corrente e da potência com a tensão aplicada à célula, assim como analisar para que valores de corrente e tensão a potência é maximizada. Observa-se na Figura 4.21 que para que tenhamos potência máxima a corrente é menor que a corrente de curto-circuito o que já era esperado e a voltagem menor que a voltagem de circuito aberto. É importante definir aqui nesta secção do trabalho a eficiência de conversão de uma célula solar fotovoltaica. É intuitivo pensar que essa eficiência depende da irradiação solar e da área da célula exposta à radiação, assim como dos valores de potência das células. Segundo Gasparin (pág ) a eficiência de conversão de uma célula é a razão entre a potência máxima entregue a uma carga e a potência da radiação solar incidente (Irradiação Solar), e está expressa na equação. η = P mp, Equação 4.12 A.G η Eficiência de conversão, P mp - Potência máxima entregue a carga, A Área da célula e G- Irradiância Solar global incidente na célula (intensidade) Associações de Células Solares Antes de dissertar a respeito dos módulos fotovoltaicos é importante comentar de que maneira conectamos célula a célula para formar um determinado módulo. Dois tipos de associação (Série e paralelo) são destaque. Para isso usamos como embasamento teórico o livro de Física Básica, volume 3, do professor Doutor Moysés Nussenveig.

55 Associação em Série Nesta associação a corrente é a mesma para todas as células da associação e a voltagem é dada pela soma das voltagens individuais. i = i 1 = i 2 = i 3 = = i n, Equação 4.13 V = V 1 + V 1 + V V 1, Equação Associação em Paralelo Aqui a corrente é distribuída para as n células associadas, ou seja, é a soma das n correntes, e a voltagem é a mesma para todas as células. i = i 1 + i 2 + i i n, Equação 4.15 V = V 1 = V 2 = V 3 = = V n, Equação 4.16 Se elas forem iguais a corrente em cada uma será dada por: I I n=, Equação 4.17 n Onde: I n corrente para a enésima célula; I corrente que entra na associação; n número total de células associadas; Deste modo podemos representar graficamente o comportamento do gráfico da corrente versus tensão de acordo com o modo de associarmos as células e sua conveniência para determinado fim, conforme a Figura 4.22.

56 56 Figura: Corrente e Potência elétrica em função da tensão externa aplicada a célula de silício cristalino. Fonte: Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, Figura Representação gráfica do comportamento da corrente e tensão, de acordo com a forma da associação (a) associação em série (b) associação em paralelo. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 124, 2014.

57 Módulos e Arranjos Fotovoltaicos de Silício As células de Silício cristalino nos fornecem uma tensão em torno de 0,6V a 0,7V em circuito aberto, para atingimos correntes e tensões utilizáveis em diversos equipamentos do dia a dia é necessário associarmos várias células formando o que chamamos de módulos fotovoltaicos. Uma associação de módulos o que nos forma o arranjo fotovoltaico. A Figura 4.23 apresenta um esquema de célula, módulo e arranjo fotovoltaico. Por questões de cuidado, segurança e transporte os módulos não podem ter dimensões exageradas, são geralmente constituídos por 36 células associadas, na maioria das aplicações em série com objetivo de aumentar a voltagem. Para obtermos potências maiores é necessário um conjunto de módulos, o arranjo, construído com módulos de mesma potência (PINHO (org), GALDINO (org). 2014). Os módulos por ficarem expostos ao ambiente aberto são constituídos com algumas características especiais, dentre elas podemos citar: I- Rigidez; II- Isolado eletricamente; III- Resistência a fenômenos climáticos. Suas células são envolvidas em um plástico, o qual ajuda no isolamento elétrico, tem a superfície que fica voltada para o sol coberta por um vidro, ou plástico transparente. Os módulos possuem uma estrutura de alumínio nas bordas o que oferece melhor condicionamento das células e proteção. Por ser oferecido todo esse cuidado no processo de montagem dos módulos, eles podem durar em torno de 25 a 30 anos em funcionamento.

58 58 Figura Esquema representativo de célula, módulo e arranjo fotovoltaicos. Fonte: Adaptado de EERE-2008 Apud Gasparin Figura Módulos de Silício: (a) Policristalino, (b) Monocristalino (c) Amorfo Fonte: Adaptado de ALMEIDA, 2008.

59 Influência da Temperatura e Irradiação Solar no Comportamento da Corrente e Tensão nas Células Solares Os parâmetros de temperatura e irradiação solar são de extrema importância para geração de corrente em semicondutores dopados, como é o caso dos painéis fotovoltaicos de silício. Abaixo temos duas figuras 4.25 e 4.26 que mostram a influência da temperatura e da Irradiação Solar, respectivamente, sobre um módulo fotovoltaico, fabricado com silício dopado. Figura Influência da temperatura da célula no comportamento da curva corrente x tensão, com Irradiância padrão de 1000 W/m 2 e espectro AM 1,5. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 127, Figura Influência da variação de irradiação solar no comportamento da corrente e tensão em célula de silício cristalino, a temperatura de 25 graus Celsius. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág.126, 2014.

60 Elementos de Sistemas Fotovoltaicos Painel fotovoltaico (PF) O PF é um gerador construído por junção PN feita com silício dopado, geralmente o mais comercializado é dopado com Fósforo e Boro, que tem a função de transformar a energia radiante do Sol diretamente em energia elétrica de c.c. A quantidade de painéis varia de acordo com a quantidade de energia que se deseja produzir Bateria Para sistemas isolados e afastados de rede elétrica, como por exemplo, pequenas ilhas na região do Marajó no estado do Pará, são convenientes armazenar energia para suprir a necessidade diária e até mesmo para as necessidades de épocas de baixo índice de isolação. Para isso é comum o uso de baterias, deste modo abordaremos aqui neste trabalho de forma básica alguns tipos de bateria. Existem diversas formas de armazenamento de energia, porém a que será abordada aqui ainda é a forma mais eficiente para sistemas fotovoltaicos, às baterias. De acordo com PINHO (org.) e GALDINO (org.), pág. 164, 2014 Uma bateria é um conjunto de células ou vasos eletroquímicos, conectados em série e/ou em paralelo, capaz de armazenar energia elétrica na forma de energia química por meio de um processo eletroquímico de oxidação e redução (redox) que ocorre em seu interior. Quando uma bateria carregada é conectada a uma carga elétrica, ocorre o processo reverso, ou seja, uma corrente contínua é produzida pela conversão de energia química em energia elétrica. As baterias utilizadas em sistemas fotovoltaicos são baterias do tipo recarregáveis, pois existem também as baterias não recarregáveis, muito utilizadas em equipamentos que exigem pequena potência. As baterias recarregáveis para sistemas fotovoltaicos são comumente chamadas de baterias de armazenamento ou acumuladores de carga, a bateria chumbo-ácido é a mais empregada em sistemas fotovoltaicos atualmente (PINHO (org), GALDINO (org). 2014).

61 61 É importante ressaltar aqui que a durabilidade de uma bateria desse tipo esta relacionada a vários fatores dentre os quais podemos citar alguns que certamente são de fundamental importância. a) Profundidade de descarga: Esta relacionada ao percentual de energia faltante em uma bateria para complementar o estado de carga nominal. Por exemplo, se utilizamos 40Ah de uma bateria com estado de carga nominal 100Ah dizemos que sua profundidade de carga corresponde a 40%. Existem baterias especiais que são construídas para trabalhar com até 80% de profundidade de descarga, já as baterias comuns é aconselhável que não ultrapassem o máximo de 50% de profundidade de descarga. b) Sobrecarga: Fornecimento de corrente elétrica após a bateria ter atingido o nível máximo de carga, provocando o aquecimento do dispositivo podendo diminuir o tempo de vida útil. O envelhecimento da bateria está diretamente ligado à temperatura de operação da mesma, logo com o aumento de temperatura vinculada à sobrecarga tem como consequências o envelhecimento precoce do dispositivo acumulador de carga. Podemos aumentar a durabilidade de uma bateria chumbo-ácido mantendo o nível de carga e não ultrapassar a profundidade de carga estabelecida pelo fabricante, assim como operar com o dispositivo em ambiente a temperatura adequada. As baterias recarregáveis podem ser classificadas de acordo com o tipo de utilidade para o qual são indicadas. Existem as baterias automotivas destinadas para elevadas taxas de correntes, são caracterizadas por baixas profundidades, existem também aquelas utilizadas em no-break que permanecem em regime de flutuação (praticamente com carga total) as quais são chamadas de estacionárias e são utilizadas para casos especiais (PINHO (org), GALDINO (org), P ). Para uso em sistemas fotovoltaicos são utilizadas as baterias fotovoltaicas destinadas para ciclos diários, possuem profundidade pequena e podem suportar descarga profunda, casos de dias com pouca insolação, em períodos de baixa irradiação solar as baterias podem apresentar dificuldade para atingirem o total

62 62 carregamento, esse fato diminui a vida útil da mesma, incentivando à pesquisas destinadas a melhoramentos na eficiência das baterias. Em física chamamos a bateria de gerador, o qual possui resistência interna R i e força eletromotriz V e em um circuito pode-se representá-la como na figura 4.27, abaixo Figura Representação de bateria em circuito. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 182, No modelo de bateria temos as seguintes nomenclaturas: V e - força eletromotriz; R i - resistência interna; V bat - voltagem nos terminais da bateria, fornecida ao circuito externo Controlador de Carga Este dispositivo não é destinado à produção de energia, é apenas um dispositivo eletrônico cuja finalidade é de controle do estado de carga da bateria, mantendo a mesma protegida de uma possível descarga (por excesso de uso, além da carga mínima evitando descarga profunda) e protege-la também de sobrecarga por excesso de produção pelo módulo, impedindo dessa forma o aquecimento da bateria o que reduz o tempo de vida útil da mesma (BRUM, Pág. 35, 2013).

63 Inversores De acordo com PINHO e GALDINO: Um inversor é um dispositivo eletrônico que fornece energia elétrica em corrente alternada (c.a) apartir de uma fonte de energia elétrica de corrente contínua (c.c). A energia c.c pode ser proveniente, por exemplo, de baterias, células combustível ou módulo fotovoltaico. A tensão c.a de saída deve ter amplitude, frequência e conteúdo harmônico adequado às cargas a serem alimentadas. Adicionalmente, a sistemas conectados à rede elétrica a tensão de saída do inversor deve ser sincronizada a da rede (p ). A função principal do inversor é transformar corrente contínua em corrente alternada, é responsável em converter os 12V de corrente contínua gerado no painel fotovoltaico em 110V ou 220V de corrente alternada, pronta para uso em aparelhos domésticos. O módulo fotovoltaico fornece c.c, deste modo para sistemas isolados, como muitos utilizados em regiões afastadas dos grandes centros, é necessário o inverssor para transformar c.c em c.a, permitindo a utilização de alguns eletrodomésticos que funcionam a c.a como televisor, liquidificador, ventilador etc, figura Figura Sistema Energia Solar Fotovoltaica. Fonte: BSB ENERGIA SOLAR. Disponível em: www. Bsbsolar.com/off-grid-sistema-isolado/.

64 Princípios de Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) e Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede (SFIR) Aqui nesta subseção serão abordados os conteúdos de forma básica e acessível para o entendimento do aluno do ensino básico, a descrição do funcionamento de um sistema fotovoltaico isolado, muito utilizado em regiões de difícil acesso como ilhas e regiões afastadas dos centros comerciais, e também será descrito os sistemas fotovoltaicos conectados a rede, utilizados geralmente nas grandes cidades, com o intuito de redução de gastos com energia elétrica Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado (SFI) Sistemas fotovoltaicos isolados (SFIs) são importantes para regiões que ficam distantes da rede de distribuição de energia elétrica, onde o custo para ter acesso direto à energia da rede se torna inviável financeiramente. Os principais elementos são os Painéis fotovoltaicos, controlador de carga, baterias e inversor. O painel fotovoltaico (1) converte a energia proveniente do Sol de forma direta em energia elétrica de corrente contínua que passa pelo controlador de carga (2) que tem a função de proteger a bateria de um possível excesso de carga ou de uma possível descarga em virtude de baixa produção ou excesso de utilização, em seguida depois de armazenada em um banco ou conjunto de baterias (3), o qual pode disponibilizar para horários que não há luz do Sol, a energia segue para um inversor (4) que realiza a transformação de corrente contínua para corrente alternada, a qual é encaminhada para os equipamentos da casa que funcionam mediante C.A. É bom ressaltar neste momento que esse sistema esta sendo muito utilizado em regiões afastadas dos grandes centros, lugares onde fica inviável a ligação direta com a rede em virtude do custo financeiro, como pequenas ilhas do Arquipélago do Marajó no estado do Pará que já veem usando de forma cotidiana os SFIs, ou muitas vezes um sistema híbrido composto por Energia Solar juntamente com energia fornecida por um motor à Diesel. Na Figura 4.29 e 4.30 temos um esquema básico de um SFI.

65 65 Figura Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico Isolado. Fonte: Neosolar, Figura 4.30: Esquema de um Sistema Isolado. Fonte: Cartilha solar KIocera, Figura Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico Conectado a Rede. Fonte: Neosolar, 2016.

66 Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede (SFIR) Vimos que nos SFIs são necessários os seguintes elementos I- Painel Fotovoltaico II- Baterias III- Controlador de carga IV- Inversor Para um SFIR não é necessário o armazenamento, ou seja, o uso de baterias e controlador de carga, pois o excesso é encaminhado diretamente para a rede elétrica depois de passar pelo inversor que irá estabelecer uma corrente compatível com a da rede, ou seja, sincronizada. Na Figura 4.31 temos uma ilustração de um esquema simplificado de SFIR Processo de Manutenção e Operações Em todos os sistemas fotovoltaicos deve-se traçar um plano de manutenção para garantir o perfeito funcionamento do sistema e evitar possíveis interrupções de fornecimento de energia. Em SFIs a manutenção preventiva pode ser realizada pelo usuário, pois esta é feita de modo bastante simples. Já em sistemas conectados a rede recomenda-se que o usuário não atue no processo de manutenção, a não ser que o mesmo tenha conhecimento específico da área, ou seja, tenha certificado de curso técnico em SFIRs. Apesar de um módulo e a bateria nos fornecer voltagem baixa, como foi visto anteriormente, a associação em série de vários pode fornecer voltagens altíssimas dada pela soma das voltagens individuais, assim como correntes, daí a necessidade de preferencialmente a manutenção, seja ela preventiva ou corretiva, ser realizada de preferência por um agente especializado e ciente no que diz a norma NR-10 1, a qual estabelece os cuidados e condições necessárias para pessoas que trabalham com instalações elétricas, desde a montagem até a manutenção, assim como da norma NR-35 2, a qual trata de medidas e condições para o trabalho em altura (PINHO(org.), GALDINO(org.), pág. 405 e 406, 2014).

67 67 Os painéis solares podem ser energizados quando expostos a luz solar, portanto devem ser sempre protegidos da luz antes de instalados, pode-se cobrir com objetos opacos a luz. Quando se deseja realizar a manutenção, limpeza ou mesmo trocar uma peça do SF o profissional deve usar luvas isolantes e trabalhar com o sistema não energizado, no caso do painel fotovoltaico basta desliga-lo da bateria e impedir a incidência de luz. Já quando se trabalha com o banco de baterias não é possível desenergizá-lo, então os cuidados devem ser dobrado. Durante o processo de carregamento das baterias o ambiente onde elas se encontram fica com alta concentração de H 2 que torna o ar inflamável, liberados durante o carregamento, portanto deve-se ter boa circulação de ar, ou seja, ventilação adequada para evitar o risco de explosão em virtude de faíscas de fontes quaisquer. As baterias de chumbo Ácido possuem ácido sulfúrico, portanto há risco de acidente com o referido ácido, logo se deve ter no ato da manutenção um kit de primeiros socorros que contenha água e bicarbonato de sódio para aplicar no local de contato com o objetivo de neutralizar o ácido (PINHO- et al, pág. 407, 2014). No quadro 4.1 temos algumas ações que podem ser tomadas em caso de acidentes. Quadro 4.1: Ações recomendadas em caso de acidentes com ácidos de baterias. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, No final do processo de instalação ou operação o profissional deve repassar os cuidados a serem tomados pelo usuário do SF. Em operação do sistema deve-se fazer um manual que siga adequadamente as especificações estabelecidas pelo fabricante dos componentes do sistema e

68 68 deve-se informar ao usuário os modos como proceder na verificação de atuação dos componentes dentro do sistema. Serão abordados abaixo alguns procedimentos a serem tomados pelos usuários no que diz respeito à manutenção preventiva, visto que a manutenção corretiva deve ser realizada de preferencia por um profissional especializado. I - Gerador fotovoltaico a) Aspecto físico do Painel Solar Os módulos na maioria das situações não são os principais problemas no SF, geralmente tem garantia de defeitos de fabricação de 3 a 5 anos e tem garantia de rendimento mínimo de 25 anos. No que diz respeito ao aspecto físico do painel, este deve estar sempre limpo com células sem perda da coloração original e verificar se o painel esta aterrado de forma correta e sem pontos de corrosão. Logicamente que se deve observar também se não há zonas de sombreamento em virtude de crescimento de vegetação nas proximidades do painel, típico problema no interior do Brasil (PINHO(org.), GALDINO(org.), pág. 408, 2014). A limpeza dos módulos deve ser feita apenas com flanela e água, evitando usar sabão e objetos que podem arranhar o equipamento. Em lugares que estão expostos frequentemente a poeira, como margens de estrada é aconselhável que realize a limpeza com maior frequência. Essa limpeza deve ser feita com os módulos frios para evitar efeitos indesejáveis, em virtude de diferenças de temperaturas altas nas faces do painel, caso ele seja de vidro, o que pode rachar com o choque térmico e causar prejuízo para o usuário. b) Aspectos elétricos do Painel Solar Para constatarmos o perfeito funcionamento do painel devemos a priori medir a corrente de curto-circuito (I sc ) e a tensão de circuito aberto (V 0c ). Para medir a tensão de circuito aberto procedemos da seguinte maneira: Primeiramente devemos obedecer aos procedimentos de segurança, usar luvas e ferramentas adequadas; Desconecta-se o painel do sistema;

69 69 Usa-se um voltímetro de c.c; Deve-se verificar se o voltímetro é adequado ao nível de tensão a ser medido e também a escala que é utilizada. É importante lembrar que apesar da baixa tensão oferecida por um módulo apenas, quando se associam vários desses módulos pode-se atingir voltagens altíssimas, como mencionado anteriormente. Pode-se de forma bastante simples desconectar, Figura 4.32, as séries fotovoltaicas umas das outras e fazer a medição individual por série e compara-las, logicamente que a tensão deve ser similar entre elas, visto que cada série tem o mesmo número de módulos. Deve-se em seguida comparar com a tensão especificada pelo fabricante, depois de multiplicar a tensão do módulo individual pelo número deles por série. Sabe-se ainda que a temperatura especificada pelo fabricante gira em torno de 25 0 C, portanto é necessário realizar a correção com o fator de temperatura também especificado pelo fabricante e medir a temperatura simultaneamente com a voltagem de circuito aberto, com um termômetro de infravermelho (PINHO (org.), GALDINO (org.), pág. 411, 2014). Caso se verifique anomalia em alguma série é necessária medir a voltagem de cada módulo da série com problema, a fim de se identificar o módulo defeituoso, como na figura 4.33.

70 70 Figura Esquema de medição de voltagem em circuito aberto. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 411, Figura: Esquema de medição de voltagem de um módulo em uma série. Fonte: Manual de engenharia para sistemas fotovoltaicos, pág. 413, 2014.

71 71 A medida da voltagem do determinado módulo deve ser comparada com a especificação do fabricante e sempre levando em conta a correção para a temperatura, considerando aceitáveis desvios de até 15% (PINHO(org.), GALDINO(org.), pág. 413, 2014). Para a medição da corrente de curto circuito (I sc ) deve-se proceder conforme indica o Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos-2014, onde informa que devemos ter o cuidado para não curto circuitar o banco de baterias do SFV. Deve-se manter aberta a chave de interrupção entre o gerador e o banco de baterias. Considerando que a corrente gerada pelo painel fotovoltaico pode ser maior que a capacidade do amperímetro deve-se antes da realização da medida calcular o valor da corrente esperada, fazendo a multiplicação do valor especificado pelo fabricante pelo número de fileiras do painel fotovoltaico, em seguida medir a corrente gerada, que pode ser realizada com um amperímetro de c.c, levando em conta as condições de irradiância local. A medição da corrente de curto-circuito deve ser feita em condições de irradiância estável, sem muitas oscilações. A irradiância pode ser medida com o Solarímetro, Figura É importante observar no ato da medição da corrente se o painel se encontra limpo, pois se esse estiver sujo pode comprometer a leitura da medição, é claro que estando sujo diminui o rendimento do painel.

72 72 Figura Solarímetro Digital. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 415, Figura Medição de Corrente de Curto-Circuito em Painel Solar. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 415, 2014.

73 73 Capítulo 5 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO E O GRUPO DO LABORATÓRIO DE PREPARAÇÃO E COMPUTAÇÃO DE NANOMATERIAIS (LPCN) 5.1. O GRUPO DE ESTUDO LPCN O LPCN é um grupo coordenado pelo professor Doutor Antonio Maia de Jesus Chaves Neto da Universidade Federal do Pará, que, recentemente foi coordenador do Programa Institucional de Bolsa de Iniciação à Docência (PIBID/CAPES) do curso de física. Esse grupo trabalha em pesquisa científica e divulgação de temas de física em escolas públicas através do PIBID, sendo constituído por alunos de graduação e de pós-graduação (Mestrado e Doutorado) APLICAÇÃO DO TEMA NAS ESCOLAS PÚBLICAS O projeto de aplicação do tema Energia Solar no Currículo da Educação Básica foi desenvolvido, juntamente com os grupos LPCN e PIBID/UFPA que desenvolvem em escolas públicas palestras sobre energias renováveis e outros temas relacionados com ciência e tecnologia. O presente trabalho foi desenvolvido em duas Escolas Estaduais Públicas (Instituto Bom Pastor, localizada na BR 316, Km 3, na cidade de Belém, e na Escola Estadual Abelardo Leão Condurú, localizada na estrada da Baia do Sol no distrito de Mosqueiro) e no Instituto Federal do Pará Campus Bragança. O referido tema foi apresentado em forma de palestras e experimentos, o que chamou atenção do alunado em virtude de ser moderno e de alta relevância no cenário mundial. Inicialmente foram proferidas palestras abordando o tema energia renovável e não renovável de modo geral e em seguida apenas Energia Solar que é o produto desta dissertação. Posteriormente, foi medida a aprendizagem dos alunos mediante questionários com 10 testes de múltipla escolha relacionados com energias renováveis e não renovável. A figura 5.1 ilustra a palestra proferida na Escola Estadual de Ensino Médio Instituto Bom Pastor, palestra direcionada a alunos de terceiro ano do ensino médio, na oportunidade foram explicados os conceitos relativos ao tema como, por exemplo, o efeito fotovoltaico, muito confundido com o efeito fotoelétrico nos livros didáticos atuais. Foram, ainda, discutidos os conceitos físicos envolvidos na geração de Energia Elétrica a partir da

74 74 Energia Solar. Foi explicado como a placa solar de silício gera energia e o fornecimento para a casa autossustentável. O trabalho de apresentação dos experimentos foi desenvolvido com o auxílio do estudante de graduação em licenciatura em física Everson Patrick R. Martins, o qual faz parte do grupo LPCN. O momento considerado mais relevante no que diz respeito à motivação e incentivo, onde os alunos tiraram dúvidas e se mostraram intensamente motivados em saber cada vez mais sobre Energia Solar Fotovoltaica, o momento que despertou a curiosidade e vontade de aprender física. (a) (b) Figura 5.1. Demonstração do experimento sobre Energia Solar Fotovoltaica com participação dos alunos da Escola Estadual Instituto Bom Pastor: a) apresentação e b) demonstração. Fonte: Própria RESULTADOS Aqui nesta seção serão apresentados os resultados coletados da aplicação dos questionários nas Escolas Públicas (Instituto Bom Pastor e Abelardo Leão Condurú) e no Instituto Federal do Pará. Na Escola Estadual Instituto Bom Pastor, foi realizado dois testes com os alunos, o primeiro abordou as energias renováveis e não renovável com uma turma que participou (47 alunos) da palestra e o segundo com uma turma que não participou (45 alunos).

75 75 Para a turma que não participou da palestra o número de alunos e a quantidade de acertos foi exposta no gráfico Acertos Número de Alunos Gráfico 5.1. Relação entre Números de alunos que não participaram da palestra e a quantidade de acertos (Instituto Bom Pastor). Fonte: Própria. O gráfico 5.1 apresenta que 15 alunos acertaram apenas 3 questões, 6 alunos acertaram 4 questões, 8 alunos acertaram 5 questões, 7 alunos acertaram 2 questões, 4 alunos acertaram 1 questões, 5 alunos acertaram 6 questões. Mostra-se com este resultado que o nível de acertos foi baixo por parte dos alunos em geral, pois apenas 5 alunos acertaram mais de 50% das questões do total de 45 alunos. A turma que participou da palestra e da apresentação dos experimentos teve maior aproveitamento, em relação à turma que não participou. Os resultados estão apresentados no gráfico 5.2 e no quadro 5.1 de forma resumida.

76 Acertos Número de Alunos Gráfico 5.2. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Instituto Bom Pastor). Fonte: Própria. O gráfico 5.2 mostra que 10 alunos acertaram 8 questões, 12 alunos acertaram 7 questões, 13 alunos acertaram 6 questões, 5 alunos acertaram 5 questões, 7 alunos acertaram 9 questões. Ou seja, esse resultado mostra que o tema é acessível para alunos de Ensino Médio. Numero de Alunos Acertos Quadro 5.1. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Instituto Bom Pastor). Em um segundo momento, no dia 27 de Novembro de 2015, foi proferido uma palestra para 131 alunos de Ensino Médio Integrado do Instituto Federal do Pará, Campus Bragança, abordando apenas o tema Energia Solar em seguida foi distribuído um questionário com 10 questões. Para esse Instituto os resultados estão apresentados no gráfico 5.3.

77 Acertos Número de Alunos Gráfico 5.3. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (IFPA-Ensino Médio/Integrado), Fonte: Própria. Observa-se através da interpretação e análise do gráfico 5.3, e em resumo no quadro 5.2, que a maioria dos alunos acertaram mais de 6 questões do questionário, mostrando que o tema é assimilável pelos discentes. Número de Alunos Acertos Quadro 5.2. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (IFPA-Ensino Médio/Integrado). Dos 131 alunos dos cursos de Ensino Médio integrado que participaram da palestra no Instituto Federal de Educação Ciência e tecnologia aproximadamente 96% dos alunos acertaram mais de 5 questões do questionário. Foi também proferido no dia 27 de Novembro de 2015, conforme certificado em anexo, juntamente com os alunos de mestrado do MNPEF, palestras para 122 alunos do curso de graduação em física do Instituto Federal do Pará Campus

78 78 Bragança com a intenção de divulgar novos conteúdos e metodologias para futuros professores de física. Primeiramente foi apresentado o tema, Energia Solar Fotovoltaica: Conceitos e Aplicações para a Educação Básica e em seguida um questionário de múltipla escolha com 10 questões. Os resultados estão expostos no gráfico 5.4 e também de forma sintetizada no quadro Acertos Número de Alunos Gráfico 5.4. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (IFPA-Ensino Superior-licenciatura em Física), Fonte: Própria. Número de Alunos Acertos Quadro 5.3. Quantidades de Número de alunos e acertos. Na Escola Estadual de Ensino Fundamental e Médio Abelardo Condurú, localizada no Distrito de Belém (Mosqueiro) foi apresentado o tema Energia Solar Fotovoltaica em forma de conceitos e experimentos para 154 alunos de Ensino Médio e em seguida apresentado o questionário no intuito de medir a aprendizagem dos alunos. Os resultados foram expostos no gráfico 5.5 e no quadro 5.4.

79 Acertos Número de Alunos Gráfico 5.5. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Escola Estadual Abelardo Condurú), Fonte: Própria. Número de Alunos Acertos Quadro 5.4. Relação entre Números de alunos que participaram da palestra e a quantidade de acertos (Escola Estadual Abelardo Condurú). É fácil perceber com os resultados apresentados que o tema é assimilável tanto para alunos da educação básica, assim como para futuros professores de física como foi mostrado nos gráfico 5.2, 5.3, e 5.4.

80 80 CONSIDERAÇÕES FINAIS Este trabalho, destinado à área de ensino de física visa contribuir de forma significativa para o ensino de física de forma a inovar conteúdo e incentivar práticas que abordem os temas de física de forma atraente, que desperte no aluno um espírito científico e crítico desde a educação básica como os autores Delizoicov, Angoti e Pernambuco apoiam para práticas docentes. Foi mostrado à importância de incluir no currículo da educação básica o tema Energia Solar como parte do currículo, visto que é um tema de importância no cenário energético mundial e debate no meio científico em busca de novas fontes de energias que degradem menos o meio ambiente. Visando incentivar novos trabalhos na área de energias renováveis, assim como buscar novas formas de ensinar física através de temas do dia a dia, que fazem parte do aluno, de acordo com a teoria de Freire sobre os temas geradores, que vivem mergulhados em novas tecnologias. Foram avaliados mais de 500 alunos, em 2 escolas de nível básico e um Instituto Federal de Educação Ciência e tecnologia, com o intuito de avaliar o maior número possível de alunos e constatar se o tema é assimilável. Deste modo concluímos que o trabalho é fundamental no que diz respeito à inovação para o currículo de física para educação básica, incluindo um tema riquíssimo em conceitos físicos que podem ser vistos mediante experimentos simples e de custo acessível para professores e alunos. Além de ser bem acessível para o Ensino Médio. Com esse produto os conceitos se tornam acessíveis, visto que explica o funcionamento conjunto de todos os elementos envolvido nos sistemas fotovoltaicos, destacando a função e importância de cada um deles para o sistema como um todo. Foi notório perceber que o presente tema proposto se enquadra dentro das exigências dos PCNs e da imposição prevista na LDBEN para a educação, assim como pode ser trabalhado de acordo com as teorias de Freire e Delizoicov, Angoti e Pernambuco, os quais apoiam a inserção de Temas Geradores e Ciência e Tecnologia na sala de aula respectivamente.

81 81 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMEIDA, M. Qualificação de Sistemas Fotovoltaicos Conectados à Rede. São Paulo: Dissertação de Mestrado, AMBIENTE BRASIL. Energia solar e o meio ambiente. Disponível em: < io_ambiente.html>, Acesso em 02 de fevereiro de AURÉLIO G. F. TOSCANO C. Física 1: interação e tecnologia, V1. 1ed. São Paulo: Leya, BOAS N. V, DOCA R. H, BISCUOLA G. J. Física 1. 2ed. São Paulo. Saraiva BOAS N. V, DOCA R. H, BISCUOLA G. J. Física 2. 2ed. São Paulo. Saraiva BOAS N. V, DOCA R. H, BISCUOLA G. J. Física 3. 2ed. São Paulo. Saraiva BONJORNO J. R et al. Física 3. 2ed. São Paulo. FTD BONJORNO J. R. Física 1. 2ed. São Paulo. FTD BONJORNO J. R. Física 2. 2ed. São Paulo. FTD BRAGA. R.P. Energia Solar Fotovoltaica: Fundamentos e aplicações. UFRJ BRUM, Thiago Santos. PROJETO DE USO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA COMO FONTE EMERGENCIAL. Rio de janeiro, P.35. CAPRA, F. O ponto de mutação. São Paulo: Cultrix, CERVO, A. L.; BERVIAN, P. A.; DA SILVA, R. Metodologia científica. 6. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, DELIZOICOV, Demétrio; ANGOTI, José André; PERNANBUCO, Marta Maria. Ensino de Ciências: Fundamentos e Métodos. 4. ed. São Paulo: Cortez, 2007 FREIRE, P.Educação como prática da liberdade. Rio de Janeiro: Paz e Terra, GALDINO, M. A. E. et al. O contexto das energias renováveis no Brasil. Revista da Direng, Rio de Janeiro, n.9, Disponível em:

82 82 < Direng.pdf>. Acesso em: 17 jun GASPAR A. Compreendendo a Física, V1. 1ed. São Paulo. Ática, GASPAR A. Compreendendo a Física, V2. 1ed. São Paulo. Ática, GASPAR A. Compreendendo a Física, V3. 1ed. São Paulo. Ática, HALLIDAY D, RESNICK R. WALKER J. Fundamentos de Física. 8ed. Rio de Janeiro. LTC, HALLIDAY. D. Fundamentos de Física. Ed. LTC KLOSOWSKI A. Vicentini E. Ensino de Física: Placas Fotovoltaicas. UNICENTRO-CEDETEG. Paraná LAKATOS, E. M.; MARCONI, M. de A. Metodologia científica. 2. ed. São Paulo: Atlas, LEIS DE DIRETRIZES E BASES DA EDUCAÇÃO NACIONAL (Lei nº 9.394). 9 0 Ed MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO. Parâmetros Curriculares Nacionais para o Ensino Médio (PCN-EM). Brasil.MEC/SEMTEC Secretaria de Educação Média e Tecnológica, Brasília, MOTA L. T. MIRANDA D. L. Energia: Do Sol as Placas Solares, na temática interdisciplinar para o Ensino de Física. Instituto Federal do Pará. Bragança-Pará, NASCIMENTO C. A. Princípio de Funcionamento da Célula Fotovoltaica. Universidade Federal de Lavras. MG, Neosolar, Kit Solar Fotovoltaico. Disponível em: < Acesso: 18/05/2016 Neosolar, Modelo simplificado de sistemas fotovoltaicos. Disponível em: < Acesso em 18/05/2016 NETO A.M.J.C.; ANJOS, A. R. ; ALMEIDA, A. P. ; SOUZA, J. R. P. S. EVOLUÇÃO DE UM GRUPO DE ESTUDO LPCN PARA PESQUISA E DIDÁTICA NAS

83 83 ESCOLAS DO PARÁ. In: Marilena Loureiro da Silva; Luiza Nakayama; Márcia Aparecida da Silva Pimentel; Maria de Fátima Vilhena da Silva. (Org.). Novos Saberes e Fazeres nas Políticas e Práticas de Formação Docente. 1ed. Belém: UFPA, 2016, v. 1, p (ISBN: ). NETO J. B. Mecânica Newtoniana, Lagrangeana e Hamiltoniana. 1ed. São Paulo. Livraria da Física NUSSENZVEIG H. M. Curso de Física Básica. V1. 4ed. São Paulo. Blucher NUSSENZVEIG H. M. Curso de Física Básica. V2. 4ed. São Paulo. Blucher NUSSENZVEIG H. M. Curso de Física Básica. V3. 4ed. São Paulo. Blucher PARÂMETROS CURRICULARES NACIONAIS. Brasília:MEC, SEMTEC, PCNs+ Ensino Médio: orientações educacionais complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais. Brasília:MEC, SEMTEC, PINHO, João Tavares (Org.); GALDINO, Marco Antonio (Org.). Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Rio de Janeiro: cepel/cresesb, SANT ANNA B. et al. Conexões com a FÌSICA. V1. 1ed. São Paulo. Moderna SANT ANNA B. et al. Conexões com a FÌSICA. V2. 1ed. São Paulo. Moderna SILVA A. V. R. Nossa estrela: O SOL. 1ed. São Paulo. Livraria da Física SILVA C. X, FILHO B. B. Física aula por aula. V1. 1ed. São Paulo. FTD, SILVA C. X, FILHO B. B. Física aula por aula. V2. 1ed. São Paulo. FTD, SILVA C. X, FILHO B. B. Física aula por aula. V3. 1ed. São Paulo. FTD, SOCIEDADE BRASILEIRA DE FÍSICA, Linhas de pesquisa do mestrado Nacional Profissinal em Ensino de Física, Disponível em: < MNPEF.pdf>, Acesso em: 17 maio

84 84 SOLAR BRASIL. Cartilha de energia Solar. Aplicações e Viabilidade do Sistema. São Paulo Disponível em:< Acesso em 20 de maio de SWART J. W. SEMICONDUTORES: Fundamentos, Técnicas e Aplicações. Ed. UNICAMP, TEIXEIRA I.M.C, Teixeira J.P.C. Conceitos Básicos de Electrónica TORRES C. M. A. et al. Física: Ciência e tecnologia. V1. 1ed. Estado. Moderna TORRES C. M. A. et al. Física: Ciência e tecnologia. V2. 1ed. Estado. Moderna TORRES C. M. A. et al. Física: Ciência e tecnologia. V3. 1ed. Estado. Moderna YAMAMOTO K. FUKE L. F. FÍSICA PARA O ENSINO MÉDIO. V1. 3ed. São Paulo. Saraiva MNPEF.pdf

85 85 APÊNDICE A: Questionário sobre energias renováveis e não renováveis Este questionário visa identificar os conhecimentos básicos que você já adquiriu sobre energias renováveis e não renováveis Cada questão contém cinco alternativas, das quais apenas uma é correta. Para cada questão escolha a que você achar correta. QUESTÕES 1. A Energia solar não provoca danos ambientais, podendo ser considerada uma fonte de energia limpa. A afirmativa acima está: a) Incorreta, pois toda a produção de energia elétrica pelos raios de sol emite poluentes na atmosfera. b) Correta, pois não há queima de combustíveis e nem ocupação de grandes áreas para a utilização dessa fonte de energia. c) Incorreta, pois muitos animais morrem em função da insolação causada por essas usinas, gerando danos ambientais relacionados com a quebra da cadeia alimentar. d) Correta, pois a energia gerada pelo sol não ocasiona transformações imediatas na atmosfera, que seriam sentidas apenas a longo prazo. e) Incorreta, pois a proliferação de energia solar agravaria o problema do efeito estufa. 2. A energia solar, apesar de amplamente vantajosa no sentido ambiental e em seu nível de produtividade, não é amplamente utilizada no Brasil e na maior parte do mundo, em função de suas desvantagens, entre as quais, podemos assinalar: a) o baixo índice de radiação solar em países tropicais, a exemplo do território brasileiro. b) a baixa capacidade de aquecimento do sol mesmo nos períodos de maior insolação. c) a elevada instabilidade dos geradores solares no atual nível de tecnologia. d) os painéis solares são caros e o seu rendimento é baixo. e) as usinas de energia solar necessitam de grandes áreas, destruindo florestas e áreas agricultáveis. 3. Vem se tornando crescente, em todo o mundo, o aproveitamento energético da radiação solar, cujo destino principal é para duas formas de energia, que são: a) a elétrica e a mecânica b) a elétrica e a automotiva c) a elétrica e a térmica d) a mecânica e a eólica

86 86 e) a mecânica e a automotiva 4. (FGV/2006) As usinas de energia solar responderão por 2,5% das necessidades globais de eletricidade até 2025 e 16% em 2040, diz o relatório da associação europeia do setor e do Greenpeace. Hoje, elas representam 0,05% da matriz energética. A taxa de expansão anual do setor tem sido de 35%. Jornal O Estado de S. Paulo, 07/09/2006 Assinale a alternativa que melhor explique esse enunciado: a) Essa tendência de expansão explica-se pelo fato de o Sol representar fonte inesgotável de energia, cuja transformação em eletricidade exige um processo simples e de baixo custo, se comparado com a hidreletricidade. b) A transformação de energia solar (de radiação) em elétrica difundiu-se muito no Brasil para uso doméstico, especialmente após a crise do apagão, em c) O desenvolvimento da geração de energia elétrica a partir da solar ainda é incipiente no Brasil, pois envolve um processo caro e complexo se comparado à hidreletricidade, relativamente barata e abundante. d) A tropicalidade do Brasil permite vislumbrar, a médio prazo, um quadro de substituição da energia hidrelétrica por energia solar, sobretudo nas áreas metropolitanas costeiras. e) A expansão do uso de energia solar apontado pelo enunciado favorece, especialmente, os países subdesenvolvidos que ocupam, em sua maioria, as faixas intertropicais do planeta. 5. A Apple formalizará uma parceria com a empresa First Solar para construir uma usina de energia solar de US$ 850 milhões, afirmou Tim Cook, presidente-executivo da empresa [ ]. A planta será construída em Monterey County, na Califórnia (EUA). Segundo a Apple, a construção vai gerar energia para abastecer 60 mil casas. A fabricante do iphone já produz energia solar na Carolina do Norte e em Nevada. G1, 11 mar Apple construirá usina de energia solar ao custo de US$ 850 milhões. Disponível em: < Acesso em: 23 mar Adaptado. O uso da energia solar vem se elevando em todo o mundo. Entre as suas principais vantagens, podemos assinalar corretamente: a) grande eficiência energética b) baixo preço das tecnologias empregadas c) pouca necessidade de manutenção d) grande procura internacional por essa matriz e) reduzida demanda por minérios na fabricação dos materiais

87 87 6. (FGV - adaptada) As usinas de energia solar responderão por 2,5% das necessidades globais de eletricidade até 2025 e 16% em 2040, diz o relatório da associação europeia do setor e do Greenpeace. Hoje, elas representam 0,05% da matriz energética. A taxa de expansão anual do setor tem sido de 35%. Jornal O Estado de S. Paulo, 07/09/2006 Assinale a alternativa que melhor explique esse enunciado: a) Essa tendência de expansão explica-se pelo fato de o Sol representar fonte inesgotável de energia, cuja transformação em eletricidade exige um processo simples e de baixo custo, se comparado com a hidreletricidade. b) A transformação de energia solar (de radiação) em elétrica difundiu-se muito no Brasil para uso doméstico, especialmente após a crise do apagão, em c) O desenvolvimento da geração de energia elétrica a partir da solar ainda é incipiente no Brasil, pois envolve um processo caro e complexo se comparado à hidreletricidade, relativamente barata e abundante. d) A expansão do uso de energia solar apontado pelo enunciado favorece, especialmente, os países subdesenvolvidos que ocupam, em sua maioria, as faixas intertropicais do planeta. 7. Qual componente principal é mais abundante da parede celular vegetal? a) Metanol b) Celulose c) Éster d) Etanol e) Lignina 8. O biocombustível é uma fonte energética resultante do processo de: a) Depósitos fósseis em grande profundidade. b) Aquecimento de placas de material semicondutor. c) A partir da quebra de átomos de urânio. d) Movimento dos ventos captados por pás de turbinas ligadas a geradores. e) Processamento de derivados de produtos agrícolas como cana-de-açúcar, mamona, soja, biomassa florestal, resíduos agropecuários, entre outras fontes. 9. Os biocombustíveis surgem hoje como uma solução para os problemas mundiais de energia. O caráter renovável da biomassa torna o seu uso uma alternativa para a ameaça de esgotamento das jazidas de petróleo. O aumento da produção de combustível com base na biomassa provoca o seguinte problema: a) O aumento da emissão de gases do efeito estufa, o que agrava o aquecimento global. b) A queda do preço do petróleo, o que contribui para o aumento do seu consumo.

88 88 c) A redução da oferta de alimentos, o que leva ao aumento de seus preços no mercado mundial. d) A mudança da estrutura fundiária, o que acarreta o fracionamento das unidades produtivas. e) A desvalorização do fator trabalho na agricultura, o que agrava as questões sociais no campo. 10. A Lei Federal n.º /2005 dispõe sobre a introdução do biodiesel na matriz energética brasileira e fixa em 5%, em volume, o percentual mínimo obrigatório a ser adicionado ao óleo diesel vendido ao consumidor. De acordo com essa lei, biocombustível é derivado de biomassa renovável para uso em motores a combustão interna com ignição por compressão ou, conforme regulamento para geração de outro tipo de energia, que possa substituir parcial ou totalmente combustíveis de origem fóssil. a) Colabora na redução dos efeitos da degradação ambiental global produzida pelo uso de combustíveis fósseis, como os derivados do petróleo. b) Provoca uma redução de 5% na quantidade de carbono emitido pelos veículos automotores e colabora no controle do desmatamento. c) Incentiva o setor econômico brasileiro a se adaptar ao uso de uma fonte de energia derivada de uma biomassa inesgotável. d) Aponta para pequena possibilidade de expansão do uso de biocombustíveis, fixado, por lei, em 5% do consumo de derivados do petróleo. e) Diversifica o uso de fontes alternativas de energia que reduzem os impactos da produção do etanol por meio da monocultura da cana-deaçúcar.

89 89 APÊNDICE B: Questionário sobre Energia Solar Fotovoltaica: Conceitos e Aplicações Este questionário visa identificar os conhecimentos básicos adquiridos sobre Energias Solar após a palestra, material este elaborado por José Ricardo Patrício da Silva Souza e Antonio Maia de Jesus Chaves Neto Atenção: Cada questão contém quatro alternativas, das quais apenas uma é correta. Para cada questão escolha marque a correta. QUESTÕES 1. Sobre os semicondutores que são amplamente utilizados na fabricação de células solares podemos dizer que são: a) Da família 2A da tabela periódica; b) Gases nobres da tabela periódica; c) Da família 5A da tabela periódica; d) Da família 4A da tabela periódica; 2. Ainda sobre os semicondutores pode-se dizer que: a) São bons condutores de corrente elétrica; b) Não tem aplicação na ciência e tecnologia; c) Tem comportamento intermediários entre os condutores e os isolantes; d) São isolantes elétricos; 3. Em relação ao processo de dopagem de semicondutores para utilização em painéis solares são utilizados com maior frequência os elementos: a) Boro e fósforo; b) Germânio e fósforo; c) Boro e alumínio; d) Hélio e alumínio; 4. Podemos dizer que as ligações químicas envolvidas no processo de dopagem de semicondutores, destinados a produção de células solares, são do tipo:

90 90 a) Metálicas; b) Iônicas; c) Covalentes; d) Metálicas e iônicas; 5. O elemento mais utilizado na fabricação de painéis solares, mais comercializados atualmente é o: a) Silício; b) Germânio; c) Alumínio; d) Boro; 6. Enumere corretamente o elemento do sistema de energia solar com sua função básica. (1) Painel solar (2) controlador de carga (3) bateria (4) inversor ( ) armazena energia para utilização em momentos de carência de sol ( ) converte corrente contínua proveniente do gerador em corrente alternada ( ) protege a bateria de possíveis descargas profundas ou excesso de carga ( ) tem a função de gerar eletricidade de forma direta, apartir da energia solar 7. A crise energética mundial é uma discursão constantes em encontros internacionais que abordam o tema energia. Muito se fala sobre energias renováveis, dentre as alternativas abaixo marque aquela que somente indica energias renováveis: a) Energia solar e eólica; b) Energia nuclear e eólica; c) Energia hidrelétrica e petróleo; d) Petróleo e biomassa;

91 91 8. Uma das formas de energia que mais cresce no cenário mundial é: a) Energia Solar; b) Energia hidrelétrica; c) Energia nuclear; d) Energia proveniente do petróleo; 9. Em um sistema isolado de energia solar, são necessários os seguintes equipamentos para abastecer uma residência nos períodos de dia e noite com corrente contínua: a) Painel solar, controlador de carga e bateria; b) Painel solar, inversor e bateria; c) Somente o painel solar; d) Painel solar e bateria; 10. Em um sistema de energia solar para suprir a necessidade energética de uma residência que possui vários eletrodomésticos, lâmpadas etc... é necessário que este sistema tenha os seguintes elementos: a) Painel solar e bateria apenas; b) Painel solar, controlador de carga, bateria e inversor; c) Painel solar e inversor apenas; d) Bateria e inversor somente;

92 92 ANEXOS Anexo A: Capítulo de livro Sobre o Grupo LPCN e suas ações em escolas públicas.

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96 96 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ Instituto de Física Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física Mestrado Profissional em Ensino de Física ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA: CONCEITOS E APLICAÇÕES PARA O ENSINO MÉDIO José Ricardo Patrício da Silva Souza e Antonio Maia de Jesus Chaves Neto Material Instrucional associado a dissertação de Mestrado de José Ricardo Patrício da Silva Souza apresentada ao Programa de Pós-graduação em Ensino de Física, Instituto de Física, da Universidade Federal do Pará. Belém-Pará Agosto-2016

97 97 Sumário INTRODUÇÃO Teoria Básica de Energia Solar Quantização de Max Planck Semicondutores e tabela periódica de classificação Semicondutor Intrínseco e Extrínseco Extrínseco ou Dopado Semicondutor dopado - N (tipo N) Semicondutor Dopado - P (tipo P) Junção PN Efeito Fotovoltaico e células fotovoltaicas Elementos de um Sistema Fotovoltaico (SF) Painel Fotovoltaico Bateria Controlador de Carga Inversores Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede (SFIR) Projeto experimental para o ensino de física 108 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 115

98 98 INTRODUÇÃO Esta proposta vem como indicativos de conceitos capitais em Energia Solar Fotovoltaica, e de extrema importância para introduzir no currículo de Física do Ensino Médio. Aqui são apresentados conceitos envolvidos na conversão de Energia Solar em Energia Elétrica, desde a teoria básica de dopagem de semicondutores, distribuição de energia em sistemas isolados e de sistemas conectados a rede, além de apresentar, no apêndice B, um projeto experimental relacionado com o tema. Este trabalho tem como objetivo oferecer para o professor da educação básica conceitos essenciais de Energia Solar, para que o mesmo possa trabalhar em sala de aula com seus alunos, que vivem constantemente rodeados de tecnologias modernas e às vezes nem se quer tem ideia dos princípios físicos básicos envolvidos. O presente trabalho é produto desta dissertação de Mestrado em Ensino de Física da UFPA/SBF, Intitulada Energia Solar: Conceitos e Aplicações para Educação Básica. 1. Teoria Básica de Energia Solar 1.1. Quantização de Max Planck Em 1900, Max Planck, físico alemão, assume que a energia radiante é composta por pacotinhos de energia, os quais Planck chamou de quantum. Cinco anos depois a proposta de quantização foi utilizada pelo físico alemão Albert Einstein para explicar o efeito fotoelétrico proposto por Hertz em 1987 (HALLIDAY, 2007). Mas tarde por volta de 1926 o químico Gilbert Lewis denominou esses pacotinhos simplesmente de Fóton, denominação aceita até os dias atuais e mais utilizada nos livros didáticos da Educação Básica e Superior. De acordo com as ideias de Max Planck cada fóton carrega consigo uma quantidade de energia dada pela equação 1.1. E Fóton = h f, Equação 1.1

99 99 Onde h = 6,63x10 34 J. s é a chamada constante de Planck, f a frequência da radiação (HALLIDAY, 2007) Semicondutores e tabela periódica de classificação Os semicondutores são materiais que, à temperatura ambiente, nem conduzem como os metais, nem isolam como os isolantes. Os painéis Solares são construídos basicamente com semicondutores, geralmente o Silício que é um elemento da família 4A da tabela periódica, por isso é caracterizado por ter 4 elétrons na última camada. Em um cristal de Silício os elétrons da última camada, de valência, são compartilhados com os átomos vizinhos, é o que chamamos de ligação covalente, para garantir a estabilidade com 8 elétrons na última camada, regra do octeto (TEIXEIRA, 2003) Semicondutor Intrínseco e Extrínseco a) Intrínseco ou puro: São semicondutores não dopados com outros elementos, chamados de impurezas. Se fosse possível atingir a temperatura de 0K, o semicondutor não conduziria corrente elétrica, pois nesse caso a banda de valência estará completamente preenchida e a banda de condução estará vazia em sua totalidade. Banda de condução Banda de valência (a) Modelo de ligações químicas. (b) Modelo de bandas de energia. Figura 1.1. Modelos representativos de semicondutores a temperatura de 0K. A figura 1.1 apresenta dois modelos representativos de semicondutores, considerando a temperatura igual a 0K. Na figura 1.1 (a) os círculos representam os núcleos dos átomos e as barras duplas representam os elétrons compartilhados por ligações covalentes (SWART, 2008). Na figura 1.1 (b) temos um Modelo de Bandas,

100 100 onde se mostra os elétrons na banda de valência e mostra a banda de condução completamente vazia. A temperatura acima do 0K alguns elétrons ganham energia térmica, podendo alcançar a banda de condução, gastando para isso uma quantidade de energia denominada de GAP. Desta forma teremos a condição que tanto elétrons da banda de condução quanto elétrons da banda de valência podem conduzir corrente elétrica, levando em conta que esses elétrons da banda de valência vão inicialmente ocupando lacuna ou buracos deixados por aqueles que saltaram para a banda de condução (SWART, 2008). Banda de condução Banda de valência (a) (b) Figura 1.2. Modelos representativos de semicondutores a temperatura acima de 0K. Modelo de a) ligações químicas e b) bandas Extrínseco ou Dopado Semicondutores extrínsecos são semicondutores dopados com impurezas que alteram a concentração dos portadores de carga, elétrons e lacunas. (SWART, 2008). No Silício puro podemos inserir impurezas, das quais destacamos o Fósforo da família 5A e o Bora da família 3A, para obter resultados diferentes dos obtidos com silício puro, o que chamamos de dopagem Semicondutor dopado - N (tipo N) Pode-se realizar a dopagem do silício com o fósforo como impureza, (da família VA). Como o Silício possui 4 elétrons na última camada ele necessita de mais 4 para completar sua estabilidade de acordo com a regra do octeto, no entanto o Fósforo apresenta 5 elétrons na última camada, portanto o silício e o fósforo compartilham por ligações covalentes quatro elétrons. Deste modo sobra um elétron

101 101 no átomo de Fósforo, o qual fica fracamente ligado, contribuindo com carga negativa. (Silício tipo N) (TEIXEIRA, 2003) Semicondutor Dopado - P (tipo P) Se a dopagem for realizada com Boro, ou Alumínio, elementos da família IIIA, obtém-se um material com falta de elétrons, ou material com cargas positivas (lacunas ou buracos) livres (Silício tipo P) (TEIXEIRA, 2003). O processo de dopagem de semicondutores acaba por diminuir a quantidade de energia necessária para que um elétron consiga atingir a banda de condução Junção PN Uma junção PN corresponde a uma união de dois materiais, um tipo N e outro tipo P. Alguns elétrons fracamente ligados da região N movem-se através da junção por difusão, e ocupam as lacunas na região-p (entende-se por lacunas a falta de elétrons), formando íons negativos nesta região P e íons positivos nas posições ocupadas pelas impurezas doadoras N, surgindo o aparecimento de um campo elétrico na junção com sentido do material tipo N para o tipo P. A carga espacial na junção aumenta, criando uma região de depleção que inibe transferência de elétrons conforme apresentado na figura 1.3. É bom ressaltar que a ddp através da região de depleção é chamada de barreira de potencial e que a temperatura de 25ºC, esta barreira é de 0,7V para o Silício e 0,3V para o Germânio (TEIXEIRA, 2003). Tipo P Tipo N Figura 1.3: Formação da Região de depleção.

102 Efeito Fotovoltaico e células fotovoltaicas O efeito fotovoltaico foi observado pela primeira vez em 1839 por Edmund Bequerel, consiste em uma diferença de potencial entre dois semicondutores de propriedades elétricas diferentes devido à incidência de luz na junção (BUHLER, 2011). As primeiras células fotovoltaicas foram construídas a partir de Selênio por C.E. Frits por volta de Somente em torno de 1950 foram construídas, nos laboratórios Bell nos Estados Unidos. Nas últimas décadas veem sendo aplicadas várias tecnologias na fabricação de células fotovoltaicas. Existem as células baseadas em filmes finos e as de multijunção de alta eficiência e células baseadas em corantes, no entanto as células de silício cristalino, chamadas de células de primeira geração, dominam o mercado mundial no que diz respeito à fabricação e comercialização (PINHO (org.), GALDINO (Org), h.f E(ev) Banda de condução Banda Banda de valência proibida Figura 1.4. Geração de pares elétron-lacuna no material semicondutor e feito de termalização. A dopagem do silício com material como o fósforo e o bora nos fornecem o silício tipo N e tipo P respectivamente, e a junção PN desses nos oferece um material-conjunto que constitui a base para a célula solar de silício. Se este material, semicondutor, for exposto á luz solar com fótons de energia maior ou igual que a energia do Gap irá gerar pares elétron-lacuna no material. Caso a energia do fóton seja maior que a do Gap o excedente se transforma em calor (termalização), aquecendo o material, novamente podemos ressaltar a diferença do efeito fotovoltaico para o efeito fotoelétrico onde o excedente transforma-se em energia cinética. A figura 1.4 mostra uma idealização do que acontece na recepção fótonelétron e a termalização.

103 103 Observa-se que o Efeito fotovoltaico é um processo interno ao material e é descrito para semicondutores, diferentemente do Efeito Fotoelétrico descrito por Albert Einstein em 1905 que é um fenômeno de arranchamento de elétrons do material por radiação incidente e foi descrito para metais, além de ter uma frequência mínima ou de corte, de acordo com a grande parte da literatura, para ser caracterizado, esse fato de frequência mínima define o efeito fotoelétrico como um processo externo e de arranchamento de elétrons do material. Uma Célula Solar nada mais é do que uma junção PN como apresentado na figura 1.5. No momento em que os fótons de radiação solar incidem na superfície das células na camada tipo N, de menor espessura, podem atingir a camada tipo P fazendo com que os elétrons ganhem energia desses fótons e consigam atravessar a região de depleção atingindo o material tipo N, e se dirigindo para a superfície metálica fazendo surgir uma ddp entre o contato frontal e o posterior, isso é o efeito Fotovoltaico que ocorre na Célula Solar muito diferente do efeito fotoelétrico. Figura 15. Esquema de uma Célula Solar de silício. Fonte: Adaptado NT Solar PUCRS Apud Gasparin As células de Silício cristalino nos fornecem uma tensão em torno de 0,6V em circuito aberto, para atingimos correntes e tensões utilizáveis em diversos equipamentos do dia a dia é necessário associarmos várias células formando o que

104 104 chamamos de módulos fotovoltaicos. Para obtermos potências maiores é necessário um conjunto de módulos, que chamamos de painéis fotovoltaicos (PF) ou arranjo, construído com módulos de mesma potência (PINHO (org), GALDINO (org). 2014). Suas células são envolvidas em um plástico, o qual ajuda no isolamento elétrico, tem a superfície que fica voltada para o sol coberta por um vidro, ou plástico transparente. Os módulos possuem uma estrutura de alumínio nas bordas o que oferece melhor condicionamento das células e proteção. Por ser oferecido todo esse cuidado no processo de montagem dos módulos, eles podem durar em torno de 25 a 30 anos em funcionamento (PINHO (org), GALDINO (org). 2014). Os parâmetros de temperatura e irradiação solar são de extrema importância para geração de corrente em semicondutores dopados, como é o caso dos painéis fotovoltaicos de silício. A figura 1.6 e 1.7 mostra a influência da temperatura e da Irradiação Solar, respectivamente sobre um módulo fotovoltaico, fabricado com silício dopado. Figura 1.6. Influência da temperatura da célula no comportamento da curva corrente x tensão, com Irradiância padrão de 1000 W/m 2. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág. 127, 2014.

105 105 Figura 1.7. Influência da variação de irradiação solar no comportamento da corrente e tensão em célula de silício cristalino, a temperatura de 25 graus Celsius. Fonte: Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos, pág.126, Elementos de um Sistema Fotovoltaico (SF) Painel Fotovoltaico O PF é um gerador construído por junção PN feita com silício dopado, geralmente o mais comercializado é dopado com Fósforo e Boro, que tem a função de transformar a energia radiante do Sol diretamente em energia elétrica de corrente contínua, através do efeito fotovoltaico Bateria Para sistemas isolados e afastados de rede elétrica, como por exemplo, pequenas ilhas na região do Marajó no estado do Pará, são convenientes armazenar energia para suprir a necessidade diária e até mesmo para as necessidades de épocas de baixo índice de isolação. Para isso é comum o uso de baterias, as quais têm a função de armazenamento de energia.

106 Controlador de Carga Este dispositivo não é destinado à produção de energia, é apenas um dispositivo eletrônico cuja finalidade é de controle do estado de carga da bateria, mantendo a mesma protegida de uma possível descarga (por excesso de uso, além da carga mínima evitando descarga profunda) e protege-la também de sobrecarga por excesso de produção pelo módulo, impedindo dessa forma o aquecimento, fato que reduz o tempo de vida útil da bateria (BRUM, Pág. 35, 2013) Inversores Este dispositivo fornece energia elétrica em corrente alternada a partir de uma fonte de energia elétrica de corrente contínua. A função principal do inversor é transformar corrente contínua em corrente alternada, é responsável em converter os 12V de corrente contínua gerado no painel fotovoltaico em 110V ou 220V de corrente alternada, pronta para uso em aparelhos domésticos. A figura 1.8 mostra a ilustração de um sistema de energia solar fotovoltaica destacando seus principais elementos como painel solar, controlador de carga, bateria e inversor. Figura 1.8. Ilustração de um Sistema de Energia Solar Fotovoltaica. Fonte: BSB ENERGIA SOLAR. Disponível em: www. Bsbsolar.com/off-grid-sistema-isolado/

107 Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Isolado Na figura 1.9 o painel fotovoltaico (1) converte a energia proveniente do Sol de forma direta em energia elétrica de corrente contínua que passa pelo controlador de carga (2) que tem a função de proteger a bateria de um possível excesso de carga ou de uma possível descarga profunda em virtude de baixa produção ou excesso de utilização, em seguida após armazenada em um banco de baterias (3), que pode disponibilizar para horários que não há luz do Sol, a energia segue para um inversor (4) que realiza a transformação de corrente contínua para corrente alternada, a qual é encaminhada para os equipamentos da casa que funcionam mediante corrente alternada Funcionamento do Sistema Fotovoltaico Interligado a Rede Para um SFIR não é necessário o armazenamento, ou seja, o uso de baterias e controlador de carga. O excesso de energia é encaminhado diretamente para a rede elétrica depois de passar pelo inversor que irá estabelecer uma corrente compatível com a da rede, ou seja, sincronizada. Na Figura 1.10 temos uma figura que ilustra o esquema simplificado de um SFIR. Figura 1.9. Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico Isolado. Fonte: Neosolar, 2016.

108 108 Figura Modelo simplificado de Sistema Fotovoltaico conectado a rede. Fonte: Neosolar, Projeto experimental para o ensino de física. Este tópico tem por objetivo orientar professores e professoras da educação básica na construção de um experimento para ser utilizado em aulas demonstrativas sobre o tema Energia Solar Fotovoltaica e suas aplicações. Mostra-se passo a passo a construção de uma maquete de uma casa autossustentável. Passo 1: coleta de materiais 1) 8 metros de fita de LED (Azul) 2) 1 Folha de papel telha 3) 0,5 Metro quadrado de Acetato (mica) 4) 250 ml de Tinta PVA (Branca + Corante azul) 5) Painel Fotovoltaico 5 W/ 17 V. 6) 2 metros quadrado de Compensado fino (5mm) 7) Um tubo de Cola p/ Madeira 8) 30 unidades de Prego de 1polegadas 9) 2 chaves liga/desliga 10) 1 bateria 09 Volts 11) 1 metro de fio elétrico preto de 2 mm, e 1 metro de fio elétrico vermelho de 2 mm

109 109 12) 10 cm quadrados de EVA (azul) 13) Um controlador de carga 14) Uma bateria 15) um inversor Passo 2: Construção da casa dimensões. Já com os materiais necessários, corta-se o compensado com as seguintes - 3 cortes de 50 cm x 22 cm base, piso 1 e base de cima. - 2 cortes de 30 cm x 22 cm laterais. - 2 cortes de 30 cm x 24 cm telhado. - 2 cortes de 14 cm x 22 cm parede central. - 1 corte de 10 cm x 22 cm apoio do telhado. - 1 corte de 50 cm x 40 cm fundo ( sendo este cortado a parte de cima em V para o encaixe. Em seguida colam-se as peças, começando pela base que foi colada as laterais, depois foi colado o 1 piso e a base de cima criando-se uma caixa em formato de retângulo, e posteriormente a parede central foi colocada, esta parede foi feito um pequeno corte em cima para dar espaço à passagem da fita de LED. O telhado foi colado e pregado também, colocando primeiro sua base e depois foi pregado nas extremidades para ficar bem fixado, por ultimo foi colocado o corte do fundo que deu total fixação a casa. Continuamos com a parte de acabamento, o telhado foi revestido com papel telha que foi cortado em tiras de 4 cm, e sobrepostas umas as outras, dando um efeito de telhado real, em seguida foi feita a pintura da parte interna com a cor branca para se dar mais destaque a cor da iluminação. Feito isso foi misturado à tinta branca o corante de cor azul que deu a tonalidade observada e assim o inicio da pintura da parte externa da casa.

110 110 Figura 2.1. Construção da maquete de Energia Solar Passo 3: Montagem do circuito elétrico No circuito elétrico foram utilizados 8 pedaços de fita de LED de 25 cm, isso devido as dimensões da casa, em seguida estas foram coladas na parte superior de cada compartimento sendo duas em cada para que a iluminação fique adequada. A ligação das fitas foi feita em paralelo, ou seja, os polos positivos (representados pelo fio vermelho) foram todos soldados entre si, e os negativos (fios de cor preta) da mesma forma, saindo dois fios um positivo e um negativo para serem ligados. Posteriormente foi soldado no painel solar os fios positivo e negativo, utilizando mesma regra de cores. O painel gera em circuito fechado o máximo de 17 Volts, sendo que a fita de LED já esta preparada para suportar esta tensão, devido cada LED ter a proteção de um resistor de 131 Ohms, fato muito importante. Então a ligação foi feita simulando um sistema fotovoltaico, o painel através do fio positivo (vermelho) foi ligado primeiro a uma chave liga/desliga, foi feito um jumper que seguiu para alimentar a bateria, e este mesmo positivo foi ligado na iluminação, este jumper positivo da bateria também foi ligado a uma chave liga/desliga, ambas para serem controlados manualmente, os fios negativos foram todos ligados no circuito por serem todos comuns. Também foi ligado a bateria um inversor para possível uso em corrente alternada. Por fim foi feito o teste, a iluminação tanto funciona com a energia do painel como com a energia da bateria ou ambos ligados ao mesmo tempo.

111 111 (a) (b) Figura 2.2. Soldagem: (a) Na fita de LED e (b) No painel solar (a) (b) (c) Figura 2.3. (a) do inversor, (b) do controlador de carga e (c) da bateria Foi conectada uma Bateria, para explicar para os alunos que nos momentos de ausência de insolação o abastecimento de energia fosse suprido via bateria (armazenador). Que distribui também a energia para um inversor que converte a corrente contínua em corrente alternada para possível. Deve-se ressaltar aqui que as canecões no controlador de carga, no inversor e na bateria são auto explicativos, o que facilita a ligação nesses elementos. Na figura 2.4 tem-se a maquete em sua fase final, ou seja, montada. Foi usado de material alternativo para ilustrar o inversor e o controlador de carga.

112 112 Figura 2.4. Maquete montada, pronta para o uso. EXERCÍCIOS 1. Sobre os semicondutores que são amplamente utilizados na fabricação de células solares podemos dizer que são: A) Da família 2A da tabela periódica; B) Gases nobres da tabela periódica; C) Da família 5A da tabela periódica; D) Da família 4A da tabela periódica; 2. Ainda sobre os semicondutores pode-se dizer que: A) São bons condutores de corrente elétrica; B) Não tem aplicação na ciência e tecnologia; C) Tem comportamento intermediários entre os condutores e os isolantes; D) São isolantes elétricos; 3. Em relação ao processo de dopagem de semicondutores para utilização em painéis solares são utilizados com maior frequência os elementos: A) Boro e fósforo; B) Germânio e fósforo; C) Boro e alumínio; D) Hélio e alumínio; 4. Podemos dizer que as ligações químicas envolvidas no processo de dopagem de semicondutores, destinados a produção de células solares, são do tipo: