APRENDENDO A MEDIR A RADIAÇÃO SOLAR COM UM RADIÔMETRO DE BAIXO CUSTO: UM EXPERIMENTO COM ALUNOS DE NÍVEL FUNDAMENTAL

## APRENDENDO A MEDIR A RADIAÇÃO SOLAR COM UM RADIÔMETRO DE BAIXO CUSTO: UM EXPERIMENTO COM ALUNOS DE NÍVEL FUNDAMENTAL

Mauro A. Alves , Inácio M. Martin 1 2,3 , Cássia S. Lyra , Mirabel C. 4 Rezende 1

1 Instituto de Aeronáutica e Espaço, Departamento de Materiais, mauro.a.alves@gmail.com, mirabelmcr@iae.cta.br

2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Universidade de Taubaté, martin@ita.br 3

4 Infinite Technical, cslyra@infininitetrans.com

## Resumo

Com o objetivo de fortalecer conceitos sobre mudanças climáticas relacionados a variações meteorológicas e sazonais, alunos do ensino fundamental e médio participaram de uma atividade extracurricular que consistiu na construção de um radiômetro portátil de baixo custo para o registro de variações diárias da intensidade da luz solar. O radiômetro consiste essencialmente de três partes: uma célula de silício, um circuito amplificador e um data logger. Com o radiômetro, os alunos coletaram curvas de insolação para diferentes situações (dias ensolarados, dias nublados, inverno e verão). Através da comparação das curvas de insolação obtidas, os alunos puderam observar como diferentes condições afetam a quantidade de energia solar que chega à superfície do planeta. Desta forma, eles foram capazes de estabelecer relações de causa e efeito entre os fatores que influenciam o clima e compreender melhor as mudanças climáticas, especialmente como o clima nas diferentes estações do ano é influenciado por variações da radiação solar.

Palavras-chave : Radiação solar, radiômetro, estações do ano, célula solar de silício

## Introdução

Mudanças climáticas causadas por variações sazonais fazem parte do nosso dia-a-dia, porém, parte dos estudantes de nossas escolas não é capaz de explicar este fenômeno de maneira satisfatória. Por exemplo, o inverno e o verão são usualmente interpretados como estações nas quais o Sol está mais longe ou mais perto da Terra, e que o frio e o calor são resultados desta variação de distância. Apesar disto ocorrer para o verão e o inverno no hemisfério sul, sabemos que este efeito é muito pequeno (DIAS e PIASSI, 2007) e que as variações de temperatura são de fato causadas pela inclinação do eixo de rotação da Terra. A inclinação do eixo rotação faz com que uma mesma região do planeta receba diferentes quantidades de energia solar no decorrer do ano devido á variação da altura do Sol no céu e duração do dia solar (AHRENS, 2000). Alunos do sexto ano do ensino fundamental deveriam receber em cursos de ciências as informações necessárias sobre o assunto. Livros didáticos (e.g. DA CRUZ, 2007) mencionam este fato e os bons professores, sem dúvida, se esforçam em explicar como ocorrem as variações sazonais de temperatura. Usualmente, a explicação do fenômeno é baseada em figuras como a Figura 01 que mostra a variação da altura do Sol durante o ano. No

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30 de janeiro a 04 de fevereiro de 2011

entanto, temos percebido que persiste entre alunos, e mesmo entre um número considerável de professores de ciências, a idéia incorreta de que o fator responsável por este fenômeno é a variação da distância Sol-Terra; este tema tem sido objeto de vários estudos (OLIVEIRA et al ., 2007; LANGHI e NARDI, 2004; BEJARANO e CARVALHO, 2003; PLAIT, 2002).

Com o objetivo de reforçar conceitos a respeito das diferenças entre estações, construímos um radiômetro de baixo custo para registrar e armazenar dados referentes a variações da radiação solar produzidas por variações meteorológicas e sazonais. Com o uso deste instrumento, estabelecemos um programa simples de observações e registro de dados ao decorrer do ano letivo.

Figura 01: Variação na altura do Sol durante o ano determinada pela trajetória aparente do Sol ao redor da Terra.

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## Construção do Radiômetro

O funcionamento do radiômetro está baseado em uma célula solar de silício (Figura 02). A célula solar é um componente que transforma energia solar luminosa em eletricidade de acordo com o efeito fotovoltaico. (WÜRFEL, 2005).

Figura 02: Célula solar utilizada. Dimensões 2,2 cm X 2,2 cm.

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A incidência de luz na célula solar produz uma diferença de voltagem entre os seus terminais. Um resistor colocado em série entre estes terminais pode ser usado para medir a corrente elétrica produzida pela célula; esta corrente varia linearmente com a intensidade de luz solar. A Figura 03 mostra um circuito para as medidas de voltagem produzidas pela célula solar (FREIRE, 2008; HARPER, 2007); com este circuito é possível realizar medidas instantâneas de voltagem. Porém, além da voltagem produzida pela célula ser pequena, o circuito não permite o registro contínuo de valores de voltagem. Para este fim, construímos um circuito amplificador usando um amplificador operacional (amp-op) e um regulador de voltagem para ampliar e registrar a voltagem produzida pela célula solar.

Figura 03: Circuito para medir a voltagem produzida por uma célula solar. CS, célula solar; R, resistor de carga; Volt, voltímetro.

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Um circuito baseado no amp-op OP193 (Analog Devices, EUA) foi utilizado para amplificar o sinal de saída da célula solar entre os limites de 0 a 2,5 V. O ganho do amplificador foi ajustado com trimpots. Um circuito regulador de voltagem usando o circuito integrado MAX667 (Maxim, EUA) foi usado para manter a voltagem de alimentação do amplificador constante. Para a construção do amplificador e regulador de voltagem, foram utilizados circuitos sugeridos pelos fabricantes dos circuitos integrados (ANALOG DEVICES, 2010; MAXIM 2010). Como a montagem do circuito envolvia a soldagem de componentes eletrônicos, os alunos não participaram de sua construção, porém eles participaram da montagem de protótipos com uma protoboard . Usando a protoboard , os alunos construíram circuitos eletrônicos usando os componentes OP193 e MAX667 e verificaram o seu funcionamento através de multímetros. Com os multímetros, os alunos realizaram medidas de voltagens de entrada e saída do circuito, ajustaram o fator de amplificação do circuito amplificador, e verificaram a estabilidade do circuito regulador de voltagem. Note que, usualmente, este tipo de procedimento é realizado com osciloscópio e fonte de voltagem ajustável, porém, por uma questão de custos (nem todas as escolas possuem este tipo de equipamento) decidimos usar apenas multímetros, e os resultados obtidos foram satisfatórios. Por questões de segurança e mobilidade, o circuito foi alimentado com quatro pilhas recarregáveis tipo AA (~ 5V). A voltagem de saída do circuito amplificador, que corresponde a variação de insolação, foi registrada por um data logger (HOBO, EUA).

A célula solar foi montada em uma placa circular de alumínio e coberta com um domo de vidro. O ajuste do nível do radiômetro foi feito através de parafusos Allen que também funcionavam como suporte para a placa. Um isolante elétrico foi colocado entre a placa de alumínio e a célula solar para evitar curto circuito da célula solar. Para reduzir custos, foi usada uma peça de alumínio reciclada, e o domo foi obtido pelo corte de um balão de fundo redondo de pyrex. A usinagem e a perfuração de furos na placa de alumínio, e o corte do balão de alumínio, foram realizados em oficinas especializadas. A montagem do radiômetro é relativamente simples, pois tanto a célula solar como o domo de vidro foram colados à placa de

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alumínio. A Figura 04 mostra os componentes utilizados para a construção do radiômetro e circuito eletrônico, e o radiômetro em uso. O custo total foi baixo, visto que parte dos componentes, o data logger e o serviço de usinagem foram doados.

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Figura 04: Esquerda, componentes utilizados na construção do radiômetro: A) Pilhas, B) Protoboard com circuito, C) Radiômetro (placa de alumínio, domo de vidro e célula solar de silício), D) Data logger, E) Placa para soldagem do circuito eletrônico. F) Circuitos integrados e componentes eletrônicos. Direita, radiômetro (C) em uso. O circuito eletrônico, pilhas e data logger estão no interior da caixa plástica (G).. Antes das medidas serem iniciadas, a aluna tomava notas de condições meteorológicas.

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Após a montagem do radiômetro e circuito eletrônico, os alunos testaram o radiômetro usando diferentes fontes de luz (luz ambiente, lanterna, luz solar) para verificar a operação do sistema, e observar que variações na intensidade de luz eram registradas de maneira diferente e que a voltagem registrada pelo data logger era proporcional à intensidade de luz incidente na célula solar.

## Programa de Observações

Dentro do possível, as medidas com o radiômetro foram realizadas durante o período escolar. Usualmente, uma série de medidas correspondentes a um dia começava por volta das 8 h e terminava por volta da 17 h. Com a exceção de dias chuvosos, medidas foram feitas em diferentes condições meteorológicas (céu limpo, céu parcialmente nublado e céu completamente coberto por nuvens) e no decorrer do ano letivo. O instrumento foi sempre colocado na mesma posição no pátio da escola, em local com um mínimo de sombras e obstruções e protegido. Antes do início de cada série de medidas, um computador PC era usado para inicializar o data logger . Ao final do período de medidas, os dados armazenados pelo data logger eram transferidos para o computador. Dentro do que era permitido em função da rotina escolar e horários, os alunos se revezavam na instalação do radiômetro, verificação de voltagem das pilhas que alimentavam o sistema, coleta de informações sobre condições meteorológicas e na inicialização do data logger , e transferência de dados do data logge r para o computador Para as atividades, os . alunos eram divididos em grupos de quatro de tal forma que todos pudessem aprender e colaborar com as diversas tarefas; os grupos também se revezavam na realização de diferentes tarefas de tal forma que todos os alunos participassem de todas as etapas do processo de coleta de dados. Em situações especiais, como datas próximas aos equinócios e solstícios, ou em dias nos quais o céu estava limpo e sem nuvens, o professor responsável operou o sistema e coletou dados, mesmo

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que não fosse um dia de aula normal. Todos os dados foram coletados na cidade de São José dos Campos, SP (23°13 07 S 45°54 39 W, 660 m). Os dados, em forma ' " ' " digital, foram distribuídos entre todos os alunos para que eles pudessem construir gráficos.

## Resultados

Uma vez que o objetivo deste projeto foi o de registrar variações relativas da insolação solar, os resultados são apresentados como variação de voltagem. A calibração do radiômetro, determinação da resposta espectral, correção de cosseno e outros procedimentos (BROOKS, 2008) foram considerados desnecessários em um primeiro momento visto que além de introduzir conceitos que estão acima do nível de compreensão dos alunos, teriam o potencial de interferir com o propósito inicial da atividade e desviar o foco da atenção dos alunos.

Em função da facilidade do uso do radiômetro, uma quantidade relativamente de curvas de insolação pode ser coletada durante o ano letivo. A seguir, são mostrados exemplos mais significativos destas curvas.

A Figura 05 mostra a variação de insolação registrada pelo radiômetro em dias sem nuvens. Note que as datas em os dados foram coletadas são datas próximas aos solstícios de inverno e verão, e equinócios de outono e primavera. Assim, dados foram coletados em datas relacionadas a pontos importantes da órbita da Terra ao redor do Sol, nos quais a duração do dia é máxima, mínima e tem o valor de 12 horas, para demonstrar que a posição da Terra em sua órbita de fato influencia a quantidade de energia solar que incide sobre a superfície do planeta (BARRY e CHORLEY, 2003). Uma figura como esta ilustra dois fatos importantes: 1) a energia solar recebida em uma mesma localidade geográfica varia durante o ano; e 2) a duração do dia varia durante o ano. Qualitativamente, estes resultados são similares aos que podem ser obtidos teoricamente (BROOKS, 2008; MUNEER, 2004), indicando que o radiômetro operou de maneira satisfatória.

Figura 05: Medidas da insolação solar em dias sem nuvens. Dados foram coletados em datas próximas ao equinócio de outono (19/03/08), solstício de inverno (27/06/08), equinócio de primavera (24/09/08) e solstício de verão (14/12/08).

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Variações na insolação solar produzidas por diferentes condições meteorológicas são mostradas na Figura 06. Neste caso, a variação da insolação em três dias consecutivos foi causada pela presença de nuvens (entrada de uma

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frente fria). Observa-se que o efeito é bastante pronunciado com redução acentuada da insolação e modificação do padrão regular da variação da insolação.

Figura 06: Medidas da insolação em dias consecutivos durante condições meteorológicas diferentes. Céu claro, 12/06/08; céu parcialmente nublado, 13/06/08; e céu completamente coberto por nuvens, 14/06/08.

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## Discussão

Em nossa experiência no ensino de ciências no ensino fundamental e médio, temos percebido que muitas vezes conceitos apresentados em sala de aula não são retidos pelos alunos. Uma das razões para isso é que estes conceitos são interpretados pelos alunos como idéias abstratas, sem relação direta com experiências do dia-a-dia. Mesmo conceitos que parecem simples, como a alternância das estações do ano, são memorizados de maneira errada e, muitas vezes, estas idéias incorretas são retidas pelos alunos durante e depois da vida escolar.

A realização de experimentos com a participação de alunos pode, dependendo do assunto sendo tratado, auxiliar na fixação de conceitos (LABURÚ, 2006; ARAÚJO e ABIB, 2003; SANTOS, PIASSI, e FERREIRA, 2004). Desta maneira, transforma-se o que é percebido como conhecimento abstrato em uma experiência concreta. No caso do presente experimento, observamos que o fato dos alunos participarem da construção do instrumento, e da coleta e interpretação dos dados serviu para fazer com que a percepção de fenômenos relacionados á mudanças climáticas devido à passagem do ano e variações meteorológicas deixasse de ser interpretada pelos alunos como apenas uma informação contida em um livro didático para se transformar em conhecimento adquirido através de interação com o mundo real. A interpretação dos resultados e sua correlação com condições meteorológicas e estações do ano permitiram o estabelecimento de relações de causa-efeito, o que sem dúvida serve para o reforço de conceitos. Mais ainda, a atividade, em nosso caso, ajudou a criar um vínculo entre professor e alunos, o que serviu para fortalecer a imagem do docente como transmissor e gerador de conhecimentos.

A análise das curvas mostradas nas Figuras 05 e 06 consistiu na medida de valores máximos de voltagem (proporcionais a radiação solar), no intervalo de tempo

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em que o radiômetro registrou radiação solar durante o dia, e na área total sob a curva. Com isso, os alunos foram capazes de apreciar como as diferenças sazonais são responsáveis pela variação na energia solar que chega ao solo e assim entender porque, por exemplo, o inverno é mais frio que o verão. As curvas da Figura 06 também serviram para mostrar como a radiação solar que chega ao solo é influenciada de forma marcante pela cobertura de nuvens, e que objetos com uma constituição tão rarefeita como nuvens são capazes de impedir que uma quantidade considerável de energia solar chegue ao solo do planeta (BARRY e CHORLEY, 2003). Como um bônus, a análise destas figuras ainda serviu para introduzir o conceito de integral (STEWART, 2009), pois a medida da área total das mesmas é proporcional a energia total que chega ao solo. Através do cálculo das áreas, os alunos puderam fazer comparações entre a quantidade de energia que chega ao solo em diferentes situações e estações do ano.

Percebemos que o uso do data logger para armazenar os dados foi um fator que contribuiu bastante para uma melhor compreensão do fenômeno em estudo. Ao invés da análise de valores instantâneos coletados em alguns momentos, a compreensão do fenômeno é muito mais fácil com séries de dados coletadas no decorrer do dia. A construção dos gráficos com os dados coletados permitiu aos alunos uma melhor visualização e entendimento dos fatores responsáveis pela existência das estações do ano.

Obviamente, não é possível por uma questão de tempo, custos e exigências curriculares transformar cursos de ciências em nossas escolas em disciplinas experimentais. Tampouco temos a pretensão de sugerir que o instrumento e programa de observações descritos neste trabalho sejam adotados pelas escolas. Além disso, a atividade descrita por si só não seria capaz de explicar o porquê da alternância de estações. Mas acreditamos que a realização de experimentos similares, com a participação efetiva dos alunos durante o ano letivo pode enriquecer o aprendizado, auxiliar na fixação de conceitos, estimular a curiosidade e tornar atividades escolares mais interessantes tanto para o aluno como para o professor.

Usualmente crianças são motivadas por atividades que não fazem parte da rotina escolar. Portanto, devemos usar este tipo de oportunidade para criar atividades com o objetivo de melhorar a qualidade do ensino e aumentar o nível de conhecimento científico de nossas crianças.

## Agradecimentos

Os autores agradecem à Dra. Izete Zanesco (Núcleo Tecnológico de Energia Solar, PUCRS) pela doação das células solares de silício e ao CNPq pelo suporte financeiro (Proc. 1500048/2010-6).

## Referências

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