Destilação Solar - O Ciclo da Água num simples copo

Introdução

A água do nosso planeta é constantemente reciclada pela natureza, seguindo um padrão conhecido por ciclo hidrológico ou ciclo da água, que podemos ver em versão resumida na figura seguinte.



A água evapora-se da terra, das plantas, dos animais e das pessoas, é levada até ao céu onde se condensa e forma as nuvens. Depois ela volta a precipitar-se sobre o planeta na forma de chuva.

Este ciclo da água tem um efeito purificador, sendo que a água da chuva é destilada, pura, pois na fase de evaporação, as impurezas contaminantes da água são deixadas para trás.

Na nossa experiência vamos recriar, de uma forma muito simples e miniaturizada, este ciclo da água, que tem como elemento fundamental o Sol, a energia solar, que é a base do nosso curso.
A ideia é que, evaporando, por via solar, a água contaminada com bactérias, sais ou outras impurezas, é depois recolhida na sua forma mais pura e potável, pronta a ser bebida.
Mesmo a água salgada do mar pode ser purificada por esta forma.

As vantagens deste método para o ambiente são evidentes:
- É feita sem gastos de energia, isto é, a energia solar utilizada é gratuita
- Não são necessárias peças móveis com este processo

Experiência demonstrativa da destilação da água usando a energia solar

Material

Copo de vidro de cerca de 25 ml
Chávena pequena
Plástico aderente, desse normal de cozinha
Fita cola
Moeda de 10 cêntimos
Saco de Chá Preto

Ferramentas

Tesoura
Chaleira

Vamos fazer uma experiência que mostra como a energia solar pode destilar/purificar água.
É uma experiência interessante para se fazer numa feira de ciência, até porque é muito fácil e rápida de montar/realizar.

Passo 1:

Arranjar a água conspurcada para que seja destilada.

Para isso, uma boa ideia é fazer um chazinho, utilizando a nossa embalagem de chá e a respectiva chaleira.
Passados uns poucos minutos temos então o nosso chá preto pronto a beber, mas não é isso que faremos.

Passo 2:

Coloque a chávena pequena no fundo do copo e de pois deite o chá para dentro do copo mas tendo muito cuidado para não deitar nenhum chá dentro da chávena que se encontra dentro do copo.

Passo 3:

Envolva bem toda a parte superior do copo com plástico aderente (ver figura abaixo).
Para melhor isolamento pode ainda passar uma tira de fita cola a toda a volta do copo de modo a prender melhor o plástico aderente.

Passo 4:

Coloque uma moeda de 10 cêntimos no centro do copo, em cima do plástico aderente com que tapou a abertura do copo anteriormente.

Deve estar neste momento com uma coisa do tipo



Passo 5:

Coloque o copo numa janela virada a sul, onde pode apanhar muito sol, e deixe-o aí por dois ou três dias.

Depois desse tempo, o plástico no topo do destilador deve parecer-se com o da imagem seguinte.



Passo 6:

A água que entretanto caiu para dentro da chávena que está no interior do copo deverá apresentar um aspecto claro e puro e não ter nada a ver com o chá preto forte que foi colocado por si dentro do copo.

Está assim provado como funciona a destilação/purificação solar que, ao fim e ao cabo é parte importante do ciclo da água, que é recolhida desta forma da terra e depois vertida de novo para a terra pelas nuvens (mas já destilada e pura).

Construção de Fogão Solar

Curso Profissional de Técnico de Energias Renováveis - Solar -

Construção de Fogão a Energia Solar

Material

Placa fina de madeira MDF
Placa de acrílico espelhado



Placa de esferovite
Pregos pequenos

Ferramentas

Serrote
Martelo
Canivete bem afiado
Marcador/Furador

A ideia é capturar a energia solar numa superfície grande e concentrá-la numa pequena, usando para isso, espelhos reflectores.
A zona onde iremos concentrar essa energia será coberta de esferovite, de modo a manter o calor e assim aquecer ou cozinhar a nossa “papinha” mais rapidamente.

Passo 1 – Construção da Caixa

Construa a caixa para o seu fogão a partir da madeira MDF.
Utilize pregos pequenos fasquiados e apropriados para pregar as várias partes de modo a não partir ou rachar a madeira. Tenha pois cuidado a escolher os pregos que vai usar, fazendo primeiro um teste.
Já agora, pode testar também algum tipo de tacha/pionés que ache adequado e ver os resultados.
Quando acabar deverá ter uma caixa como se mostra abaixo.



Passo 2 – Revestimento do Interior da Caixa com Esferovite

Revista o interior da caixa com placas de esferovite, de modo a evitar que o calor capturado escape.
Pode usar mais que uma camada de esferovite de revestimento.



Passo 3 – Revestimento do interior da Caixa com Acrílico Espelhado

Meça o tamanho do cubo interior (paredes e fundo) com que ficou após efectuado o revestimento a esferovite.
Deverá então cortar cinco bocados de acrílico espelhado segundo essas medidas e, em seguida, revestir o interior da caixa com eles.
Para isso utilize fita adesiva, que é suficiente para segurar toda a estrutura e aperfeiçoar todas as juntas.

Passo 4 – Construção dos Espelhos Reflectores/Concentradores

Corte, com uma serra de cortar ferro, por exemplo, uma tira de acrílico espelhado reflector, com cerca de 70 cm de largura.
Depois, usando um marcador/furador aguçado e uma ripa de madeira, faça uma marcação desde o canto mais largo do acrílico até ao outro lado da tira de acrílico, de uma linha com 67º de ângulo, formando um triângulo rectângulo no bocado da peça de acrílico que irá ser desperdiçada.
Precisa de repetir essa proeza mais três vezes, marcando uma série de quatro trapézios ao longo do comprimento da tira de acrílico, sabendo que o lado mais pequeno dos trapézios têm de ser iguais ao comprimento do lado interior da caixa onde irão encaixar.
Veja figura para melhor esclarecimento.



Agora pegue nos reflectores espelhados, e no lado não reflector utilize a fita adesiva para os juntar todos e formar o reflector completo que irá assentar no topo da caixa.
A utilização da fita adesiva permite-lhe construir dobradiças flexíveis, o que dá até para que o reflector seja dobrado e armazenado sempre que não esteja a ser utilizado.



Experimente o seu fogão, cozendo, por exemplo, umas apetitosas batas com bacalhau ;-)

Construção de Sistema Solar Térmico - Alguns passos em vídeo -

Aqui vão então alguns vídeos ilustrativos de alguns dos passos da construção do nosso sistema solar térmico.

1. A serrar pregos
Como os pregos eram um pouco grandes, há que serrar a parte que saiu do outro lado



2. A Pregar
Fixando a parte traseira em alumínio à moldura, com pregos pequenos fasquiados



3. A Furar
É preciso furar a moldura para permitir que o tubo de cobre (onde a água circula e é aquecida) saia para fora do painel em direcção ao reservatório de água.
Aqui já estavam a acabar -> vejam o próximo vídeo, que mostra a operação completa



4. A furar (agora é que é)



5. E já não falta tudo

Crie os Seus Próprios Cristais de “Silício”

Todos sabemos que todos os equipamentos electrónicos e, para o que nos interessa aqui, as células fotovoltaicas produtoras de energia eléctrica a partir da luz solar, são baseadas em junções PN, construídas a partir de cristais de silício.
O que talvez alguns não saibam é que podemos construir em nossa casa ou na nossa escola, com intuitos meramente didácticos, os nossos próprios cristais de silício.
Vejamos como.
Nota importante: Reparem que no título do post aparece silício entre aspas ;-)

Material:

Caneca de café de plástico
Espeto
Ovo cozido
Açúcar
Corante alimentar

Ferramentas:

Compasso
Cortador de ovos às fatias

Como vimos na teoria, o silício alinha-se a si próprio (i.e. os seus átomos) num array cristalino regular.
Nesta experiência vamos tentar replicar a forma como esses cristais “crescem”, ou seja, são gerados e criados.

Na indústria, os cristais de silício são gerados de forma a formar um cilindro uniforme de silício, que é usado como material de base para as células solares de cristais de silício.

Na Terra o silício é um material abundante. Basta dizer que a areia contém silício.
O problema com a areia é que também contém oxigénio, na forma de dióxido de silício, e esse oxigénio tem de ser retirado para podermos usar o silício nas nossas células solares.

O processo industrial para isso usa temperaturas à volta dos 1800º C, pelo que não podemos replicar esse processo no nosso laboratório.

Há na Internet quem venda já kits educacionais de rochas-em-crescimento:
- http://scientificsonline.com/product.asp?pn=3039234&bhcd2=1151614245
- www.sciencekit.com/category.asp_Q_c_E737919
- www.scienceartandmore.com/browserproducts/Rock-Candy-Growing-Experiment-kot.html

Para podermos, em certa medida, replicar o processo de crescimento dos cristais de silício, vamos usar outros materiais.

Vai precisar de uma solução saturada de açúcar, que ficará assente no fundo da sua caneca de café.
Agora pegue num grande cristal de açúcar, frequentemente vendido como “pedra de açúcar” e “cole-o” no fim do espeto.
A seguir faça um buraco, com uma broca, com o mesmo diâmetro do espeto, e empurre o espeto até ao fundo da caneca de café.
Ponha-o num parapeito de uma janela e faça descer o cristal na solução saturada de açúcar.
Ao fim de algum tempo, os cristais devem começar a formar-se e a crescer – puxe o espeto devagarinho para cima, aos pouquinhos, com muito cuidado, de forma a que o cristal em crescimento mantenha sempre o contacto com a solução de açúcar.


Criação de cristais de açúcar

É exactamente desta forma que o cristal de silício é “fabricado”:
O silício é trazido para cima, lentamente, de uma calda de silício em fusão (que é análoga à solução saturada de açúcar)


Criação de cristais de silício

Depois de um bocado grande de silício ter sido fabricado, é então cortado às fatias, para fabricar as células solares.
Isso é feito através de um processo similar àquele que usamos quando cortamos um ovo cozido às fatias, num dispositivo próprio, para fazer uma sandes.


Cortador de ovos cozidos


Corte do silício em fatias (“bolachas”)

Cada fatia de silício é chamada de “bolacha”.

A seguir vamos criar a junção p-n na bolacha.
Para isso é difundido fósforo na superfície da bolacha.
Passe o seu ovo por bocado de corante alimentar ou mergulhe-o num sumo de beterraba, e verá que o sumo cobre um lado da fatia de ovo.
Agora imagine que essa fatia de ovo era uma célula solar, com a face mergulhada no sumo de beterraba virado para cima, para a luz solar.
Imagine ainda um contacto eléctrico em cada um dos lados da fatia, e que são ligados ao circuito.
Os fotões batem no lado colorido, que está “dopado” com fósforo, o que faz produzir alguns electrões extra.
Dando a esses electrões livres energia adicional dos fotões, eles serão capazes de saltar a junção, atravessar o lado dopado com boro (todo o resto da fatia de ovo, tirando a superfície colorida) onde preenchem os “buracos” onde faltam electrões na estrutura atómica.
Com um fluxo regular de fotões a bater na célula, uma grande corrente de electrões é encorajada a migrar através da junção p-n, viajando então através de todo o circuito e produzindo trabalho útil.


Dopagem com fósforo

Começámos a construir o painel solar térmico

Agora que começámos a construir os nossos oito painéis solares térmicos, aqui ficam algumas evidências das dificuldades ultrapassadas:

Passo 1: Construir a grelha/bobina de aquecimento

Trata-se de uma serpentina em tubo de cobre, que será o elemento central de aquecimento da água.

Célula Solar Fotovoltaica

Célula Solar Fotovoltaica

Definição
Uma célula solar fotovoltaica é um dispositivo que transforma a luz solar incidente em electricidade.
Não produz emissões nem resíduos e é silenciosa.



As Origens da Célula Solar Fotovoltaica

- O efeito fotovoltaico foi descoberto em 1839 pelo físico francês Edmund Becquerel.
- Em 1930, Russell Ohl descobriu a célula fotovoltaica feita a partir de silício.
- As vantagens de usar células fotovoltaicas para transformar a luz solar em energia eléctrica foi primeiramente apreciada para alimentar os satélites e viagens espaciais.

Tecnologias das Células Solares

- Existem muitas formas diferentes de transformar a luz solar em electricidade.
- As células solares são agrupadas em unidades maiores, chamados “módulos”, que por sua vez se agrupam em arrays (linhas e colunas).



Fig. 1 – Células, Módulos e Arrays

Colector e Sistema Solar Térmico - Como Funciona

Sistema de Aquecimento Solar Térmico - Princípio de funcionamento em flash

O conceito por detrás destes sistemas solares de aquecimento de água (painéis solares térmico) é o seguinte: "A água quente fica menos densa e sobe"; mesmo que a água em si não suba (não se desloque) o calor fá-lo.

Assim:
O colector solar aquece a água no tubo
Esta aquece a água no tanque
A água quente (calor) desloca-se para cima
Quando abrimos a torneira de água quente a água no reservatório baixa de temperatura pois a quantidade de água retirada é substituída por água fria
Mas aí o colector volta a subir a temperatura
E assim sucessivamente...
Quando a quantidade de água retirada é muita ou o dia não está muito solarengo, entra em funcionamento o Elemento Auxiliar de Aquecimento (Resistência eléctrica)

O Sol - Como Funciona

O Sol - Como Funciona

Energia Solar - Aquecimento de Água: Ficha de Trabalho

Aquecimento Solar

Uma das maneiras mais eficientes de utilizar a energia solar é usá-la para aquecer directamente o espaço dentro dos edifícios ou então, também, produzir água quente para as nossas necessidades, tais como lavar, tomar banho, cozinhar e aquecer o ambiente interior.

Se usarmos os Sol para aquecer directamente as nossas casas, esse tipo de aquecimento é chamado de passivo, isto mesmo que usemos um meio de armazenamento e distribuição intermédio tais como a água ou o ar.

A vantagem de usarmos esse meio intermédio é que assim podemos concentrar o sol e recolher a sua energia de uma forma eficiente utilizando colectores solares.
Depois é só distribuir esse calor armazenado na água ou ar pela nossa casa, através de uma rede de tubos ou canos.

Vantagens:
Ambientais, pois evitamos o consumo de combustíveis fósseis para produzir o calor que vai aquecer o ar da nossa casa ou a água.

Como funciona o aquecimento solar?

Uma superfície preta aquece rapidamente quando exposta ao Sol.

Como é um Sistema de Aquecimento Solar



Fig. 1 – Um sistema básico de aquecimento de água solar

Podemos ver um tanque de armazenamento grande.
Esse tanque é cheio com água e é utilizado como armazém térmico.
É muito importante que este tanque seja extremamente bem isolado termicamente, isto é, que não deixe fugir o calor que lá está armazenado.
Repare que a água dentro deste tanque não está toda à mesma temperatura, há uma estratificação: A água mais fria está no fundo e à medida que vamos subindo vai estando cada vez mais quente, sendo que a mais quente se encontra no topo.
A água quente é retirada do topo à medida que vamos precisando dela e vai sendo substituída por água fria, que entra pela parte de baixo do tanque, mantendo-se assim sempre a estratificação.

No fundo do tanque vemos uma bobina (veja o pormenor na figura 2):



Fig. 2 – Corte de um tanque de armazenagem térmico

Esta bobina não é mais do que um tubo de cobre, que tem a sua entrada pelo fundo do tanque e a sua saída pelo topo do tanque.
Os tubos estão ligados em circuito fechado a um colector solar.
Este circuito fechado (o tubo) é cheio com um fluido que transfere o calor do colector solar para o tanque.

Este é o tipo mais simples de sistema solar e tem o nome de termo-sifão.
Chama-se assim devido ao processo de circulação do fluido interior do tubo desde o colector solar para o tanque (e vice-versa) ser originado por nada mais do que o próprio calor.
Isso é devido a um fenómeno físico chamado correntes de convecção naturais que formam um fluxo em que a água quente percorre o seu caminho ao longo do circuito sem ser preciso mais nada.

Se pretendermos, e há sistemas que o fazem (Activos), também é possível inserir uma bomba de água no circuito para aumentar o fluxo do meio de transferência de calor.

Essa bomba pode ser também ela alimentada através de células solares fotovoltaicas, o que significará que o nosso sistema de aquecimento não estará a gastar energia da rede e assim não estaremos a consumir combustíveis fósseis.
Há sistemas compostos destes à venda.

Colectores Solares

Há dois tipos de colectores solares:
- Painel plano
- Tubo evacuado

Na figura seguinte podemos apreciar a comparação entre os dois tipos.



Fig. 3 – Comparação dos dois tipos de painel solar térmicos

Enquanto o sol está vertical e bate de chapa, os sistemas apresentam uma eficiência similar.
Contudo, à medida que o sol se movimenta num arco através do céu, a área efectiva do colector plano fica cada vez menor, enquanto os de tubo evacuado como os tubos são cilíndricos, a área em que o Sol bate é a mesma que era na perpendicular, o que torna a sua eficiência maior do que os de painel plano.

Constituição dos Colectores Solares Térmicos de Painel Plano

Na figura seguinte vemos como são fabricados os colectores de painel plano.



Fig. 4 Corte de um Colector de painel plano

É um dispositivo muito simples.
Há o isolamento, que “prende” o calor que absorve evitando que este seja transmitido para o telhado em que está montado.
Uma bobina de tubo dentro dele recolhe o calor e transmite-o para o tanque de armazenamento.
A parte da frente do colector é uma superfície absorvente, que pode ser simplesmente vidro preto fosco, ou pode ser uma revestimento mais eficaz.

No telhado mostrado na figura seguinte podemos ver uma variedade de células solares diferentes, térmicas e fotovoltaicas, convivendo em pura harmonia.



Fig. 5 – Um array de painéis solares térmicos diferentes no cimo de um telhado

Questionário:

1. O que entende por aquecimento passivo?

2. No aquecimento passivo a energia calorífica do sol é usada para:
a) Aquecimento da nossa casa
b) Aquecimento da água que usamos em nossa casa
c) As duas anteriores
d) Produção de energia eléctrica

3. O aquecimento do espaço interior das nossas casas pode ser feito através do aquecimento prévio de água ou ar (pela energia calorífica do sol) que depois é levada por condutas para os locais que pretendemos aquecer. Qual a vantagem deste método relativamente ao aquecimento solar directo?

4. Que substâncias se usam como meios intermédios para aquecimento do interior das residências?

5. O que entende por colectores solares?

6. Por que razão se diz que o aquecimento residencial a partir da energia solar traz vantagens para o nosso ambiente?

7. Qual o princípio de funcionamento do aquecimento solar de residências?

8. Explique como funciona um sistema básico de aquecimento de água a partir da energia solar.

9. Por que razão o tanque de armazenamento de água deve ser muito bem isolado termicamente?

10. O que significa “bem isolado termicamente”?

11. Por que razão a água quente para o aquecimento da casa tem de ser retirada do topo do tanque de armazenamento?

12. Diga quais os componentes (cinco) que formam um sistema de aquecimento de água pelo sistema termosifão e as respectivas funções.

13. Qual a razão da denominação “termosifão”?

14. Como se chama o princípio físico que faz com que o sistema de termosifão funcione?

15. Qual a diferença principal entre o sistema passivo de termosifão e o sistema activo?

16. Para que serve a bomba no sistema de aquecimento activo?

17. Indique uma situação concreta em que um sistema activo é mais adequado do que um passivo.

18. Indique uma vantagem do sistema passivo relativamente ao activo.

19. Indique uma vantagem do sistema activo relativamente ao passivo.

20. Quais os dois tipos de colectores solares que conhece?

21. Qual dos dois tipos de colectores solares é mais eficiente? Justifique.

22. Quais os elementos constituintes de um colector solar térmico de painel plano?

23. Qual a função do vidro num colector solar térmico de painel plano?

24. Qual a função do vidro num colector solar térmico de painel plano?

25. Qual a função do vidro num colector solar térmico de painel plano?

26. Como é constituído o absorvedor num colector solar térmico de painel plano?

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 5/6)

[... continuação]

Construção de um módulo Concentrador Híbrido (fotovoltaico/térmico – produz electricidade e aquece água)

Embora o painel que construímos deva estar operacional, este que vamos agora tratar tem duas vantagens:
- Pode usar um concentrador de Winston para aumentar a quantidade de luz solar que atinge cada célula;
- Também é capaz de aquecer ar ou água, usando o calor desperdiçado nas células solares.
Fizemos duas versões ligeiramente diferentes: uma com uma folha metálica como suporte traseiro e tubos de água; uma com as células montadas numa ripa de madeira.
A segunda versão só pode ser usada para aquecer ar mas é mais simples e barata.

O Suporte de Protecção

É uma peça de madeira com cerca de 1.2cm maiores que as células e suficientemente comprida para receber as linhas de células.
Será boa ideia limitar o comprimento de cada placa a 1.30 m ou 1.5 m, de modo a que cada uma contenha 16 células. Nesse caso, dois destes submódulos formam um módulo. Com estas medidas as células ficarão afastadas mais ou menos 1 mm umas das outras.
O suporte que iremos construir será feito a partir de uma folha de material metálico, pois este conduz o calor (para aquecer a água) muito melhor que a madeira.
Por baixo desse suporte metálico soldaremos dois tubos, também metálicos, para conduzir a água a aquecer (como efeito secundário positivo, a água que aquecemos também refrigerará as células fotovoltaicas – nice!).
Veja a figura abaixo



Será boa ideia que o suporte metálico e os tubos sejam do mesmo material de modo a que o coeficiente de dilatação, sendo igual, não provoque fissuras. No entanto, tubos de cobre também podem ser utilizados.
As dimensões mostradas na figura acima são para células fotovoltaicas de 7,5 cm de diâmetro. Para outros tamanhos poderá alargar o suporte, mas a dobra pode continuar em 2,5 mm.
Uma outra possibilidade para o suporte é usar placas de alumínio (baratas).

Isolamento e Encapsulamento das Células Fotovoltaicas

Como vamos usar um suporte metálico, é óbvio que as células fotovoltaicas não podem assentar directamente sobre esse suporte, sob pena de curto-circuito. Então, teremos de as isolar electricamente mas não termicamente. Um material que reúne as características desejadas é o Silicone RTV (silicone transparente de borracha para calafetar).

Passo 1:

Usando uma pistola de calafetar, faça uma camada do silicone RTV no centro da placa de suporte e, rapidamente, espalhe esse silicone de modo a ocupar toda a placa, com uma espessura de cerca de 2mm (ver figura abaixo). Neste ponto a velocidade é mais importante que a perfeição, de modo a evitar que o silicone seque.



Passo 2:

Corte uma tira de tecido com cerca de 2,5 cm de largura e mais comprida que a placa de suporte metálico (prepare esta tira antes de colocar o silicone pois vai logo precisar dela assim que espalhar o silicone).
Pressione a tira de tecido na camada de silicone ainda fresca (ver figura seguinte)



Passo 3:

Envolva o tecido com uma nova camada de silicone, desta vez com mais cuidado, de forma a conseguir uma superfície o mais lisa possível (ver figura seguinte).
O objectivo destes dois passos é criar uma barreira que impeçam que acidentalmente as células toquem no suporte metálico e assim provoquem um curto-circuito.



Passo 4:

Deposite as células solares, com muito cuidado, na camada ainda fresca de silicone (ver figura seguinte). Se puder, e é conveniente que o faça, soldar as fitas de cobre das células à sua parte traseira e colocá-las, uma de cada vez no suporte. Depois então solde-as umas às outras, depois de ter verificado, uma a uma, que todas estão a funcionar.
Pressione com delicadeza cada célula contra o silicone fresco, de forma a eliminar as bolhas de ar que se formam. Todavia, cuidado! Não se esqueça que é preferível ficar com algumas bolhas de ar mas as células todas inteiras.



Passo 5:

Quando tudo estiver ok, aplique uma camada de silicone RTV sobre todo o módulo.
Finalmente, aplique, sobre esta última camada de silicone, enquanto ainda fresca, uma fita de Mylar plástica – plástico aderente - (da 3-M, por exemplo) (ver figura seguinte).
Com prática, isto produzirá uma camada exterior fina e uniforme, sem bolhas de ar.
Tenha cuidado de não envolver os terminais das células (aqueles que vão ligar ao circuito exterior), nem com o silicone nem com o plástico.



E pronto, se tudo tiver corrido bem, ficará com um painel solar híbrido (produz electricidade e aquece água – fotovoltaico/térmico) pronto a usar.
Se por acaso alguma célula “pifar”, terá de cortar essa zona com uma lâmina, reparar tudo com muito cuidado (e paciência, por isso é melhor assegurar-se que tudo fica bem feito à primeira, mesmo que demore mais tempo) e voltar a envolver a zona.



[continua...]

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 4/6)

[...continuação]

Corte do Plástico

Deve usar chapas de acrílico com cerca de 3mm de espessura.
Cortar estas chapas é muito fácil. A melhor maneira é utilizar uma faca afiada e, depois de passar com ela firmemente 2, 3 ou mais vezes, até formar uma fenda profunda na chapa, com o auxílio de uma régua metálica (para o risco/marcação ficarem direitos), pelo sítio por onde se quer cortar (com as medidas) partir a chapa por aí, bastando para isso dobrá-la pelo lado onde se fez o corte.
No caso das tiras de separação entre as linhas de células, pode haver mais dificuldade devido ao seu pequeno tamanho. Tenha pois cuidado para não se ferir com a faca.
A chapa de acrílico também poderá ser cortada com um serrote de dentes pequenos, como uma serra de cortar ferro, por exemplo. O problema deste método é de se poder partir o acrílico mais facilmente, especialmente se a folha do serrote for um bocado mais grosseira.

Colar a Caixa de Plástico

Há uma série de colas adequadas para acrílico.
A maioria delas funciona segundo o princípio do solvente: elas dissolvem ligeiramente o acrílico de forma a formar uma superfície pegajosa.
Por exemplo, pode usar o tricloroetileno ou o cloroformo, embora este último seja perigoso e canceroso. Evite pois respirara os fumos ou que o produto entre em contacto com a sua pele.
As colas comerciais, embora sejam também perigosas, não requerem essa extrema atenção que o manuseio do cloroformo requer.

Coloque as peças a serem coladas na posição desejada.
Usando um conta-gotas deite umas quantas gotas entre superfícies a colar.
Pressione ligeiramente, mas sem deixar fugir as peças para o lado, a zona de junção.
Não mova as peças durante 5 minutos.
Verifique se ficaram bem coladas.
As partes coladas parecerão húmidas e transparentes quando vistas através de uma das faces brilhantes da peça, enquanto os pontos que não ficaram em contacto reflectirão mais luz.
Pode então aplicar mais umas gotas nesses pontos.
Se tudo correr bem, ficará com uma caixa totalmente à prova de água, como convém para proteger as nossas células.

Tapar a Cobertura

Quando tiver todos os lados, a parte de baixo e as tiras separadoras coladas, estará em condições de instalar as células solares e colocar a tampa superior da caixa.
Então, antes de colocar as células, coloque a tampa no seu local e, com a ajuda de um berbequim (com uma broca adequada aos parafusos que irá usar), faça uma série de furos nos locais onde irá colocar os parafusos (não se esqueça que têm de ficar alinhados com a borda da caixa, a toda a sua volta.
Depois, para se assegura que todos os furos ficam alinhados, coloque a tampa no sítio e, ao longo de toda a borda superior da caixa, faça 2 furos nos extremos opostos antes de todos os outros.
Repita o processo para as tiras de separação das linhas de células, que estão no interior da caixa.

Instalação das Células solares

Agora que a cobertura está pronta, pode colocar a cobrir todo o fundo da caixa, placas de esferovite de 1 a 2mm de espessura, de forma a que as células fiquem mais protegidas.
Poderá ainda colar as células à caixa usando um pouco de silicone por detrás de cada célula.
Mas atenção, antes de fazer isto deve verificar se as células estão todas a funcionar bem, porque depois é impossível retirá-las sem as partir.
Tenha o cuidado de colocar as linhas de células de forma a que os fios de ligação da parte traseira da última célula de uma linha fiquem ao lado dos fios de ligação da parte frontal da primeira célula da linha seguinte, de forma a poder fazer a sua ligação/soldadura facilmente e com fios pequenos; operação que deve ser feita com cuidado pois o acrílico derrete com o calor, pelo que aconselhamos a colocação de um bocado de cartão debaixo dos fios enquanto procede à soldadura.

Há vários métodos de trazer as pontas dos fios da célula final (que vão ligar ao circuito externo) para fora da caixa.
Nós vamos fixar um par de bornes na parte de baixo da caixa. Para isso vamos usar dois parafusos que serão aparafusados de dentro para fora. Na junta (entre o parafuso e o acrílico) deverá colocar um pouco de silicone.
Talvez a melhor maneira até seja fazer uns furos deparados de ¾ polegada, de forma a poder lá colocar um par de terminais/bornes do tipo banana. Isso facilitará depois a ligação ao circuito externo.
Na parte interior deverá soldar os fios aos parafusos, aproveitando para colocar antes o díodo de bloqueio. O cátodo deve ligar ao terminal positivo e o ânodo à traseira da última célula.
Claro que a parte da frente da primeira célula deve ser ligada ao terminal negativo.

E pronto, o painel está pronto a ser exposto ao Sol (quanto mais brilhante melhor).
Depois limpe a parte interior da tampa e aparafuse-a, para além de colocar um pouco de silicone ao longo de toda a junção.

[continua...]

Célula Solar Fotovoltaica - Como funciona (Animação)

Como Funciona a Célula Solar Fotovoltaica - Animação -

A animação seguinte mostra como uma célula solar, obtida a partir de um corte de um monocristal de silício, é capaz de converter a luz solar em electricidade.
A camada inferior é dopada com um material tipo P, por exemplo o alumínio, o Gálio ou o Índio, para produzir lacunas (círculos verdes).
A camada tipo N é dopada com fósforo, arsénio ou antimónio para criara electrões livres/móveis (os pontos azuis).
A animação é composta por duas fases:
1. Fase escura (sem luz solar)
Inicialmente, não existe diferença de carga entre a barreira de potencial na junção das duas camadas. Contudo, devido à natureza cristalina do silício, os electrões que estão fora de um octeto estável na camada N têm uma tendência para migrar através da barreira/junção para formar um octeto estável na camada P. Quando isto acontece é criada uma diferença de potencial entre as duas camadas.
2. Fase Iluminada (com luz solar)
Os electrões são excitados quando os quanta de luz penetram na camada P. Os electrões excitados têm duas opções de movimento. Podem migrar através do circuito externo ou curto-circuitar esse caminho através da barreira de potencial/junção. Se o circuito fotoeléctrico for construído correctamente eles encontrarão o seu caminho de regresso para a camada N através do circuito externo.

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 3/6)

[...continuação]

Soldadura das Células Solares

A maioria das células disponíveis comercialmente são projectadas para ter contactos e fios soldadas nelas.
Para além disso muitos fabricantes estanham, ou cobrem com solda, os pontos de contacto onde os fios devem ser ligados.
Solda normal (60% estanho e 40% de chumbo)pode ser usada.
Quanto ao ferro de soldar, um pequeno ferro do tipo lápis, de cerca de 35 a 40W é o suficiente.
O processo de soldar as peças de cobre à célula não é difícil, mas [hidepost=0]requer que seja feito de forma rápida com o ferro quente.
Primeiro, é muito importante que as duas superfícies a soldar estejam bem limpas. Deverá pois limpá-las com uma cotonete de algodão embebida em álcool e depois deixar secar a superfície antes de soldar.
Algumas células têm os dedos da parte frontal cobertos com um produto anti-reflexo. Se for esse o caso tem de o retirar, o que pode ser feito usando uma borracha de lápis normal, retirando assim essa cobertura apenas na zona onde se vai soldar, até ficar com um brilho metálico.
Quando soldar, pressione firmemente (veja figura anterior) a célula, mas não exagere pois pode parti-la.
Primeiro deve colocar solda na tira de folha de cobre em todo o seu comprimento, excepto na zona onde ela irá depois entrar em contacto (ser soldada) à célula seguinte, de forma a aumentar a flexibilidade.
É melhor soldar primeiro todas as peças de folha de cobre aos lados da frente (dedos) de todas as células…
… Depois colocar todas as células viradas ao contrário, sobre um superfície dura, na forma final, isto é, na forma desejada para o módulo, alinhando-as bem. Deve até fixar esse arranjo com pequenos pedaços de fita-cola, de forma a que as células não se desalinhem durante o processo da soldadura.
Depois então deverá soldar as tiras às partes traseiras das células.
As células do extremo do módulo devem ficar com a tira de folha de cobre respectiva a sair cerca de 1 cm para o exterior, de forma a podermos depois ligá-las ao circuito externo.

Construção de um Módulo Plano

Uma maneira simples de providenciar protecção às células é colocá-las dentro de uma caixa de acrílico.
Essa caixa terá uma tampa amovível que é presa com parafusos e selada com silicone em gel.
Deste modo, com esta protecção, o painel/módulo solar funcionará em pleno durante cerca de 15 anos, em média.

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Projectar a Caixa

O primeiro passo é desenhar/projectar a caixa que vai conter o painel.
Para um módulo de 32 células, dever-se-á usar 4 linhas de 8 células cada, embora sejam admissíveis outros arranjos, conforme o local onde será colocado.
Essas linhas de células devem ficar separadas umas das outras por fitas de acrílico finas, que fazem assim com que as linhas de células fiquem separadas umas das outras sem ser preciso prendê-las à caixa, além de suportarem a tampa de forma a que esta não possa ser empurrada para dentro e danificar as células.
Agora é calcular o tamanho da caixa.
Para isso, o melhor é colocar as células no sítio onde vão ficar, sobre o painel de acrílico inferior e medir então, deixando cerca de 1 cm entre cada linha e outro 1cm em cada extremo.
Veja a figura seguinte:



[continua...]

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 2/6)

[... continuação]

Medições Corrente – Tensão

Todas as células solares de silício disponíveis comercialmente produzem aproximadamente a mesma tensão eléctrica.
Mesmo para células relativamente ineficientes, a tensão em circuito aberto deverá ser acima dos 0.5 V e abaixo dos 0.6 V, debaixo de iluminação directa do Sol.
Com iluminação reduzida, a tensão de circuito aberto descerá para cerca de 0.3 V.
Se uma célula não atingir estes valores, provavelmente estará em curto-circuito.
Deverá então examinar visualmente a célula com muito cuidado para ver se encontra um defeito óbvio. Se o curto-circuito for interno, não poderá ser reparado.
O valor da corrente de saída de uma célula solar está directamente relacionado com a área da célula e a intensidade da luz a que está sujeita, para além da qualidade da célula, e é uma característica que é determinante para decidir se devemos usar ou não essa célula na construção do módulo, pois a corrente máxima que o módulo pode fornecer é igual à corrente máxima que a pior das células pode fornecer. Isto porque são ligadas em série no módulo.
Para saber a corrente aproximada que deve ser medida, e assim decidir se está boa ou não, meça a área da célula em centímetros quadrados e multiplique esse valor por 21. Depois meça o valor da corrente e veja se está perto do valor encontrado.
Outra solução é ter uma célula que sabe de certeza estar boa, medir a sua corrente máxima, que depois servirá de bitola para as células a testar.

Como Ligar as Células

As células solares podem ser ligadas a um circuito externo de várias maneiras.
Podem ser colocadas num suporte com contactos de mola que pressionam a parte da frente e a de trás; as conexões podem ser soldadas; mas a maneira mais comum de ligar células solares é soldando fios condutores nelas.
As células podem ser compradas com valores de corrente até 2.5A, mas as tensões que produzem são muito pequenas.
Assim, a única finalidade de ligarmos/juntarmos várias células num módulo é a de aumentar a tensão ou corrente disponíveis numa célula individual.
Habitualmente, a célula é projectada para poder entregar a corrente desejada, e assim ligamos várias células em série para produzir a tensão desejada.
Devemos sempre usar também um díodo de bloqueio para ligar o módulo à bateria, de modo a impedir que a corrente flua para trás, isto é, da bateria para o módulo, de noite ou quando o módulo tenha uma menor tensão que a bateria (períodos nublados). Se colocar um díodo em série com cada módulo ainda é melhor, pois a varia de um módulo não impede que os outros continuem a operar.

Os vários modos de ligar as células solares em série

- Na primeira (shingling) a parte traseira de uma célula é colocada por cima da parte dianteira da célula seguinte, em cerca de 1mm, e depois soldadas. O padrão de dedos é desenhado com uma tira própria para soldar num dos lados. Contudo, a expansão e contracção que ocorrem com a temperatura, para além de qualquer flexão do módulo, faz com que a zona de junção soldada se parta facilmente, implicando a falha da célula;
- A mais comum é a segunda, usando fios ligadores feitos de folha de cobre.
É a que vamos usar.
É muito fácil preparar esses fios de ligação, como se pode ver na figura seguinte:



A folha de cobre deve ser muito fina (0.002 polegadas ou 50 microns) de forma a permitir ligações flexíveis.
Estas fitas são muito fáceis de cortar a partir de uma folha maior.
O tamanho e forma exactas das tiras dependem do padrão dos dedos da célula, mas é melhor deixar 1 a 2mm de espaço entre as células.
Também é recomendável colocar 2 ou 3 tiras em paralelo entre cada célula de forma a fazer contactos redundantes. Assim, o módulo não falhará se uma ou duas soldaduras se partirem.
Veja a figura seguinte



Recomenda-se ainda que finos, preferencialmente plissados, tiras de cobre sejam soldadas a todo o comprimento das bandas largas. Estas fitas devem ir até, pelo menos, metade da parte traseira da célula seguinte, para melhorar a resistência a choques e torções.

Em vez de tiras de cobre, é também possível usar fio de cobre de pequeno diâmetro, para fazer as ligações.
As ligações dos fios devem ser feitas de modo a que fiquem com uma ligeira curvatura quando as células são colocadas na posição final, de forma a permitir a expansão e contracção térmica que ocorrerá sempre devido ás oscilações de temperatura.

[continua...]

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos (Parte 1/6)

Montando os nossos próprios Módulos Solares Fotovoltaicos

Parte 1/6

É possível, e relativamente fácil, qualquer pessoa montar os seus próprios módulos fotovoltaicos, a partir de células individuais.
Embora não fiquem tão fiáveis e duráveis como os comerciais, existe uma série de razões para que seja você a fazê-lo:
- Precisa de módulo personalizado para uma aplicação especial que requer uma voltagem não usual;
- Precisa de um módulo com uma determinada forma para caber numa dada localização;
- Comprou uma série de células fotovoltaicas em segunda mão, baratas, e quer aproveitá-las;
- Quer aprender mais acerca de células solares e decidiu meter a mão na massa para isso;

No nosso caso é esta última hipótese que prevalece – aprender.

Teste de Células Solares

Hoje em dia existem múltiplos locais onde pode comprar células solares individuais ou em grupos de 2 ou 4.
Seja qual for a sua origem, deve sempre testar, individualmente, cada uma das células que possui em seu poder e que irá usar para construir o módulo solar.
Isto porque, depois do módulo construído, descobrir que alguma das células não está em condições, o trabalho de remover essa célula do módulo é grande e corre ainda o risco de danificar as células vizinhas.
Felizmente, testar uma célula é fácil e barato. Basta possuir um multímetro normal, com campos de medida abaixo de 1 Volt e acima dos 10A.
Quando testarmos os módulos completos iremos medir tensões de 16 a 18 V ou mais, e correntes de curto-circuito possivelmente acima dos 2.5 A, dependendo do tamanho do módulo e das condições da luz.
O teste mais simples que nos dá indicações significativas são:
- A corrente de curto-circuito da célula;
- A tensão em circuito aberto sob condições de Sol brilhante.
Mas se o Sol brilhante não estiver disponível na altura do teste podemos até executá-lo com base em iluminação artificial.

Um Simulador Solar Simples

Para testar as células solares dentro de casa, precisamos de um simulador solar, que habitualmente são caros.
Mas podemos ultrapassar o problema duma forma aceitável, usando uma lâmpada projectora EHL standard, daquelas que são usadas nos projectores de slides.
A distância exacta entre a lâmpada e a célula solar depende da lâmpada mas será sempre à volta dos 35 cm.

Um Porta-Células Simples

Para medir as propriedades eléctricas das células solares, é necessário fazermos bons contactos eléctricos quer na parte traseira da célula quer nos dedos situados no lado superior da célula, de forma a que a célula não seja encoberta por nenhuma sombra.
Um porta-células simples pode ser construído para conseguir esse objectivo.
A base é um bocado de contraplacado, com cerca de 15x20 cm, sobre a qual devemos colar, com cimento-cola, um bocado de chapa fina de cobre ou aço galvanizado.
Deverá colocar um par de terminais, que se compram em qualquer loja de produtos electrónicos, e que servirão para ligar as pontas de prova do multímetros à placa de testes.
Para isso, depois de fazer, com um berbequim, um par de pequenos buracos de cerca de 15mm para as hastes desses terminais, faça um furo mais largo na parte traseira do contraplacado , de forma a que cada porca que segura os terminais possa ser apertada de permitir que o contraplacado assente perfeitamente sem altos e baixo, visto que essas mesma porcas ficarão embutida no contraplacado.
É importante que a chapa de cobre se mantenha limpa.
Isto porque queremos que a ligeira pressão do contacto frontal contra os dedos da célula deve ser suficiente para fazer um bom contacto na parte traseira.
Quando encostarmos a ponta de prova aos dedos frontais que constituem o terminal superior da célula, devemos ainda ter o cuidado de não fazer qualquer tipo de sombra sobre a célula.



[continua...]

Construção de Painel Solar Térmico (Parte 4/4)

Curso Profissional de Técnico de Energias Renováveis

Na continuação dos artigos anteriores, publicamos agora a terceira de quatro partes que constituem o guião para a construção de um painel solar térmico didáctico, mas plenamente funcional.

[...]
Como pode ver, basta fita adesiva para manter o conjunto fixo.


Fig. 18 – Pormenor da fita adesiva para segurar o vidro


Fig. 19 - Finito

No entanto recomenda-se o uso de algum tipo de grampos pois após alguns dias ao sol a fita começa a sair do lugar e a permitir que o vidro deslize. Uns quantos parafusos resolvem o problema.

Coloque agora o painel numa posição em que receba a maior quantidade de sol incidente.


Figura 20 – Ao Sol…

Aqui temos a parte mais grosseira.

Coloque uma ponta do tubo no seu balde de água fria, e assegure-se que ela fica no fundo do balde.

A seguir, pegue na outra ponta do tubo e chupe-o pela ponta, com o objectivo de fazer com que alguma água comece a correr para o painel.
Isto consegue fazer-se sem que entre nenhuma água para a sua boca, se for feito com cuidado.
Coloque o balde de água fria (fonte) numa posição mais elevada do que o seu balde de água quente (retorno) de modo a que o sistema funcione como um sifão.

Devido ao modo como o sistema está projectado (ambos os portos voltam ao mesmo local no painel) ele não funcionará como um termo-sifão.
Para isso poder acontecer teríamos de cortar o tubo mais longo e pô-lo a sair no topo do painel. Não o fixemos pois a grelha do frigorífico tem as duas pontas muito perto uma da outra (ao mesmo nível).
Mas pode arranjar/cortar as coisas de modo a que tal seja possível e assim construir o termosifão.

Aviso: Este painel funciona muito bem. Testámo-lo num dia de sol brilhante e em poucos segundos a água começou a sair do painel a escaldar. Por isso tenha cuidado para não se queimar.
Esta água muito quente só se forma quando a água no interior do painel é permitida que lá fique por cerca de um minuto sem se mexer.
Se a água se mexer, devido ao sifão de gravidade, a água sai a cerca de 110 graus, e embora quente, não o queimará.
A água não flui pelo painel a uma velocidade muito grande (pois os tubos são muito pequenos) mas isso tem um lado bom que é o facto de assim ela aquecer bem na sua viajem até ao colector.
Demora um bocado a aquecer um balde de 20 litros, pelo que:

Isolei o balde de retorno com plástico preto e vede-o na parte superior excepto onde o tubo entra. Isso ajudará a manter a temperatura da água quente para ser depois usada.

Deixe o sistema a funcionar por cerca de 2 horas num dia brilhante de sol e consegui aquecer um balde de 20 litros de água fria de 21 a 45 graus centígrados. A temperatura do ar estava a cerca de 24º C.

Se obrigarmos a água a permanecer no painel por alguns minutos e depois a forçarmos a sair (soprando por um dos tubos) a sua temperatura atingirá os 75º C.
Ficámos muito contentes com a eficácia do painel e o seu baixo custo. A sua eficácia é muito melhor do que no primeiro caso.

As alterações seguintes foram alterar a porta de saída de modo a ficarmos com um termo-sifão.
Desta forma o tubo de retorno pode ser alimentado para o balde de fonte e a água continuará a circular no painel ficando cada vez mais quente.

Também poderemos acrescentar espelhos ao painel para concentrar mais o calor.
O nosso objectivo era conseguir ferver a água.

Divirtam-se com a água quente.

Materiais e Ferramentas Necessários
• Água
• 2 baldes de 20 litros
• Berbequim e aparafusadora
• Tesouras
• Serra para cortar madeira
• Madeira
• Painel de vidro
• A parte traseira (grelha) de um frigorífico
• 4 metros de tubo plástico usado nos aquários
• Material para a traseira (capacho/tapete)
• Caixa de parafusos para madeira (aprox. 3 cm de comprimento)
• Folha de alumínio
• Rolo de fita adesiva forte
(multiplicar tudo por 12, pois são 10 grupos de alunos a trabalhar em simultâneo)

Construção de Painel Solar Térmico (Parte 3/4)

Curso Profissional de Técnico de Energias Renováveis

Na continuação dos artigos anteriores, publicamos agora a terceira de quatro partes que constituem o guião para a construção de um painel solar térmico didáctico, mas plenamente funcional.

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A seguir corte alguns entalhes na moldura, para a entrada e saída da água no colector.


Fig. 11 – Pormenor dos entalhes para a saída e entrada de água


Figura 12 – Pormenor

Repare de novo no uso de fita adesiva para vedar as fendas.

Compre alguns canos de água na loja local de material de pesca e fixe-os no final das entrada e saída do painel solar.


Figura 13 – Os canos/tubos que vão conduzir a água entre o nosso painel e o nosso reservatório/balde


Figura 14 – Junção dos tubos ao nosso colector solar (grelha de frigorífico)

A fita adesiva foi aplicada para garantir que a fixação ficava forte e poderá ser depois retirada se não for precisa.

A seguir fixe o colector à parte traseira, usando os grampos (ver pormenor na figura seguinte) que vinham montados no frigorífico e mais alguma fita adesiva.

Se preferir pode usar alguns parafusos e madeira, mas eu achei que a fita adesiva e a tensão natural da construção seria suficiente para manter tudo fixo no seu lugar.


Figura 15 – Repare nos grampos que fixam o colector à parte traseira do painel solar


Figura 16 – Está quase completo

Finalmente fixamos o vidro no topo.

Isso serve como “armadilha” (efeito de estufa) para a radiação infravermelha solar ficar dentro do painel, onde o colector a absorverá e assim aumentará a temperatura.


Figura 17 – Montagem do vidro na parte da frente do painel, também com fita adesiva

(continua...)

Construção de Painel Solar Térmico (Parte 2/4)

Curso Profissional de Técnico de Energias Renováveis

Na continuação do artigo anterior, publicamos agora a segunda de quatro partes que constituem o guião para a construção de um painel solar térmico didáctico, mas plenamente funcional.


Figura 5 – Placa de vidro

O vidro foi um verdadeiro achado, e será, talvez a única parte do painel que terá de comprar.

Assegure-se que o vidro é suficientemente grande para cobrir todo o colector e ter ainda folga para o fixar à moldura.

O capacho era enorme, por isso teve de ser cortado ao meio. Havia algumas coisas esquisitas e uma folha de metal dentro dele.

Remova a placa de metal (ou corte-a ao meio também).


Figura 6 – Corte o tapete de borracha à medida e retire todo o metal que, eventualmente, tiver dentro


Figura 7 – Tapete de borracha pronto a usar e que constitui a parte traseira do painel

A parte traseira foi cortada para caber, é tempo agora de começar a construir a moldura.

Construa a moldura à volta do colector, deixando espaço suficiente para que se mantenham juntos (ver figura abaixo).

A moldura é mantida fixa construindo uma outra moldura similar na parte traseira e aparafusando grandes parafusos de madeira através de moldura da frente e da moldura da parte de trás.



Figura 8 – Construção da Moldura

Adicionar uma folha de alumínio delgada na parte traseira.

A razão é que, ao contrário do que se possa pensar, nós não queremos que a parte traseira aqueça muito. Apenas queremos que o colector absorva calor. A folha de alumínio ficará com todo o calor que não for absorvido pelo colector de imediato e devolve-o para o colector para uma nova tentativa de absorção.

A cobertura de vidro, por sua vez, manterá todo o calor no interior do painel para absorção futura. A luz consegue passar através do vidro mas o calor não.


Figura 9 – Montagem vista de frente

Use fita adesiva na parte de dentro para vedar todas as fendas.
Funciona bem e mantém a folha de alumínio no lugar.


Figura 10 – Vista da parte de trás


(continua...)