Voltar a: 10ºAno – Física
Ficha nº4
⇒ Radiação e irradiância.
⇒ Painéis fotovoltaicos
1. A figura mostra o Tomás a andar de bicicleta, detetada com uma câmara de radiação infravermelha.
1.1. A que se deve a existência de diferentes “cores” na figura?
1.2. A temperatura do Tomás é superior ou inferior à temperatura ambiente?
1.1 As cores devem-se a zonas de diferentes temperaturas que emitem radiação eletromagnética de diferente comprimento de onda.
1.2 A temperatura do Tomás é superior à temperatura ambiente.
2. A potência da radiação eletromagnética emitida pela estrela X é cerca de 6,684 x 1027 W.
2.1 Calcula a emitância radiante da estrela, considerando que a estrela é uma esfera.
2.2 Calcula a irradiância média ao nível da órbita do Planeta.
2.3 Considera uma sonda que orbita o Planeta a uma altitude média de 640 km.
Num determinado período de funcionamento, o conjunto de painéis fotovoltaicos (16 painéis, cada um com comprimento de 40,0 m e largura de 20,0 m) que alimentam a sonda consegue transferir para os equipamentos um máximo de 4839 kW.
Supondo que a energia da radiação eletromagnética incidente nos painéis é proveniente somente da estrela, e que a irradiância nos painéis é a que foi calculada na alínea anterior, calcula o rendimento dos painéis da sonda nesse período de funcionamento.
2.1 Emitância radiante de um corpo:
2.2 Toda a potência da radiação eletromagnética emitida pela estrela é enviada para todas as direções . A potência da radiação eletromagnética que chega à distância de 300 milhões de quilómetros é a mesma que é emitida pela estrela, mas distribui-se por uma área que corresponde à área de uma esfera com o raio igual à distância entre o planeta e a estrela. A potência da radiação, recebida por unidade de área, à distância de 300 milhões de quilómetros corresponde à irradiância ao nível da órbita da Terra.
2.3 Área total dos painéis :
- 16 x 40,0 x 20,0 = 12800 m2
Potência incidente em todas os painéis ( potência disponível)
- O rendimento dos painéis é:
3*. Os satélites estão, geralmente, equipados com painéis fotovoltaicos que produzem energia elétrica para o funcionamento dos sistemas de bordo.
Considera que a intensidade média da radiação solar, ao nível da órbita de um satélite geoestacionário, é 1,3 x 103 W m-2.
3.1 Seleciona a opção que completa corretamente a frase seguinte.
Para que a intensidade média da radiação solar incidente num painel colocado num satélite geoestacionário seja 1,3 x 103 W m– 2, esse painel terá de estar orientado segundo um plano …
(A) … perpendicular à direção da radiação incidente, e poderá ter uma área diferente de 1 m2.
(B) … perpendicular à direção da radiação incidente, e terá de ter uma área de 1 m2.
(C) … paralelo à direção da radiação incidente, e terá de ter uma área de 1 m2.
(D) … paralelo à direção da radiação incidente, e poderá ter uma área diferente de 1 m2.
3.2 Admita que um satélite geoestacionário está equipado com um conjunto de painéis fotovoltaicos, adequadamente orientados, de rendimento médio 20 % e de área total 12 m2.
Determina a energia elétrica média, em quilowatt-hora (kW h), produzida por aquele conjunto de painéis fotovoltaicos durante um dia.
Apresenta todas as etapas de resolução.
Exame de Física e Química de 11.º ano, 2013, 2.ª fase
3.1 Opção (A)
3.2
- E = 75 KWh
4. As lâmpadas incandescentes emitem radiação visível devido à elevada temperatura que atinge o seu filamento de tungsténio.
Qual será a área de um desses filamentos, com irradiância de 0,12 MW m-2, que radia com potência 60 W?
(A) 200 m2
(B) 7,2 x 10-3 m2
(C) 500 m2
(D) 5,0 x 10-4 m2.
- Opção (D)
5. Seleciona a opção correta.
(A) A radiação ultravioleta tem maior comprimento de onda do que a radiação violeta.
(B) A radiação vermelha tem menor energia do que a radiação micro-ondas.
(C) A radiação de maior comprimento de onda do espetro visível é a radiação vermelha.
(D) Os raios cósmicos propagam-se a maior velocidade no vazio do que as ondas de rádio.
- Opção (C)
6. À temperatura ambiente:
(A) só o corpo humano emite radiação infravermelha.
(B) os corpos absorvem de igual modo a radiação que neles incide.
(C) os corpos emitem e absorvem radiação.
(D) os corpos só emitem radiação.
- Opção (C)
⇒ Todos os corpos, a qualquer temperatura, emitem e absorvem radiação.
⇒ Se estiverem em equilíbrio térmico com a vizinhança a energia que emitem por unidade de tempo e de área será igual à que absorvem.
7. À temperatura ambiente, o corpo humano emite predominantemente na região do infravermelho. Esta radiação pode ser detetada com máquinas sensíveis à radiação infravermelha.
7.1 Apresenta exemplos de aplicações que funcionem com base nesta propriedade.
7.2 Considerando a área de superfície de uma pessoa cerca de 1,60 m2, e a intensidade total da radiação emitida (irradiância) de 439,1 W m-2. Calcula a quantidade de energia emitida durante o intervalo de tempo de 20 min.
7.1
⇒ Termómetros de infravermelhos, visão noturno, sensores de infravermelhos, etc
7.2
8. Betelgeuse está a uma distância de cerca 642,5 anos-luz da Terra.
A potência da radiação eletromagnética emitida pela estrela Betelgeuse é cerca de 160 vezes superior à do Sol, sendo o valor desta 3,768 x 1026 W.
Dado: c = 3,0 x 108 m s-1
8.1 A que distância de Betelgeuse deve estar um planeta para que a irradiância ao nível da sua órbita, devida à radiação eletromagnética proveniente de Betelgeuse, seja igual à irradiância solar da Terra (Er (Terra)= 1,364 x 103 W m-2).
8.2 O valor da irradiância de Betelgeuse à distância da Terra.
8.1
em que r é a distância à órbita desse planeta.
- Sabendo que a Terra está a 150 milhões de km do Sol, esta distância seria cerca de 12,5 vezes maior do que a distância Terra-Sol.
8.2 Distância Betelgeuse-Terra:
9. Seleciona a afirmação que completa corretamente a frase seguinte.
Nas células fotovoltaicas utilizam-se semicondutores, porque .. .
(A) … o fotão, ao transferir a energia adequada a um eletrão do material, conduz à formação do par eletrão-lacuna, que contribui para a condução térmica.
(B) … são materiais semelhantes ao metais e que podem ser dopados.
(C) … são melhores condutores térmicos do que os metais.
(D) … existe um elevado número de eletrões que contribuem para a condução térmica.
- Opção (A)
10. Calcula a irradiância emitida pela parte esférica de um brinco de ouro com 1,0 cm de diâmetro que emite 2,0 J s-1.
11. Um telemóvel precisa de uma potência de 10 W para funcionar.
No circuito usado, está montado um pequeno painel fotovoltaico, com uma área de 300 cm2, foi iluminado por um foco luminoso que, incidindo perpendicularmente ao painel, fornece uma potência de radiação incidente de 1500 W por m2.
O rendimento do painel é de 25%.
11.1. O painel consegue fornecer a energia necessária para carregar o telemóvel?
11.2. E se o painel escorregar cair e ficar com uma orientação de 50º em relação à orientação mais favorável?
11.1
- A = 300 cm2 = 3,00 x 10-2 m2
- Assim, o telemóvel consegue carregar.
11.2 A área efetiva agora é :
- Nestas condições o telemóvel já não carrega.
12*. Por que razão se usam telhados negros em casas situadas em zonas frias?
⇒ Os corpos pintados de negro absorvem toda a radiação visível que neles incide, que aquece a casa.
13. Considera três latas de alumínio cilíndricas colocadas à mesma distância de uma lâmpada, durante o mesmo intervalo de tempo.
Durante esse intervalo de tempo, registou-se, regularmente, a temperatura no interior de cada uma das latas.
13.1. Indica, justificando, em qual das latas se terá observado uma maior variação de temperatura, durante o referido intervalo de tempo.
13.2. Qual é o principal mecanismo de transferência de energia responsável pelo aquecimento das latas?
13.3. Determina a irradiância do filamento da lâmpada incandescente, com área de 60 mm2, emite 1,24 x 103 J de energia, em 40 s.
13.1 A lata pintada de preto é a que apresenta um maior aumento de temperatura, devido ao seu forte poder de absorção ( a radiação visível é totalmente absorvida pelas superfícies pretas) comparativamente com as outras latas, cujo poder de absorção é menor.
13.2 Entre a lâmpada e as latas há transferência de energia sob a forma de calor por radiação eletromagnética.
13.3
14. Considera que a irradiância solar média, ao nível da órbita de um satélite de GPS, é 1,68 x 103 W m-2.
14.1 Para que a intensidade média de radiação solar incidente num painel, colocado num satélite GPS, seja 1,68 x 103 W m-2, esse painel terá de estar orientado segundo um plano
(A) paralelo à direção da radiação incidente, e tem de ter uma área de 1 m2.
(B) paralelo à direção da radiação incidente, e poderá ter uma área diferente de 1 m2.
(C) perpendicular à direção da radiação incidente, e poderá ter uma área diferente de 1 m2.
(D) perpendicular à direção da radiação incidente, e tem de ter uma área de 1 m2.
14.2 Admitindo que um conjunto de painéis fotovoltaicos do satélite GPS tem de rendimento médio 12% e de área total 18,0 m2, determina a energia elétrica média produzida por aquele conjunto de painéis fotovoltaicos durante um dia.
14.1
- Opção (C)
14.2 A potência total recebida nos 18,0 m2 de painéis é :
- A energia disponível no painel é:
A energia elétrica produzida corresponde á energia útil:
15. Instalou-se numa habitação um sistema solar fotovoltaico, cuja eficiência de conversão de radiação solar em energia elétrica é 12 %. Supõe que num dia em que não há sol direto a intensidade da radiação incidente é 800 W m-2.
15.1 Faz uma estimativa da área que o painel fotovoltaico deve ter para manter em funcionamento durante 4 h, quatro lâmpadas de 60 W, dois televisores de 60 W e um eletrodoméstico de 100 W.
15.2 Determina o valor da energia elétrica fornecida pelo painel durante as 4 horas de funcionamento.
15.1
15.2
- P = E/Δt ⇔ E = 3833 x 4 = 15,3 kWh
16. Como varia a irradiância de uma esfera se o seu diâmetro aumentar para o dobro, a temperatura constante?
- A irradiância é inversamente proporcional à área; deverá diminuir quatro vezes, pois a área aumenta quatro vezes.
17. A Sofia pretende realizar um projeto com o objetivo de fornecer 17,2 MW a 5 mil residências de uma pequena vila do interior do Alentejo, para concretizar o seu plano vai instalar 58 mil painéis.
17.1. Se a Sofia construísse a central em Bragança, produziria a mesma energia que no Alentejo? Porquê?
17.2. Se a potência solar média incidente no local de instalação for de 1200 W m-2 e o rendimento dos painéis for de 18%, determina:
17.2.1. a área de painéis a instalar;
17.2.2. a área de cada painel.
17.1
⇒ Sendo a potência solar incidente menor, numa região mais próxima do polo norte, a potência fornecida pela central deviria ser menor.
17.2.1
17.2.2
18. Por que razão a neve no alto das montanhas se conserva durante muito tempo quando há sol?
⇒ Devido à cor branca da neve, praticamente toda a radiação visível que incide na neve é refletida, ou seja, não é absorvida por ela, pelo que demora tempo a fundir.
19. Num dia de céu claro é possível medir junto à superfície terrestre num plano perpendicular a radiação proveniente do sol e é cerca de 1080 W m-2.
Um painel fotovoltaico de área 30,0 m2 é instalado no telhado de uma casa e apresenta um rendimento de 12%.
Determina a potência elétrica disponibilizada ao circuito elétrico da casa considerando a irradiância referida.
20. Foram colocados três painéis fotovoltaicos num telescópio que orbita a Terra a cerca de 680 km de altitude, têm um comprimento de 12,5 m, uma largura de 2,50 m e um rendimento de 15,0%.
20.1 Assinala a opção correta.
(A) Os painéis fotovoltaicos do telescópio têm um rendimento muito superior aos utilizados na atualidade em terra.
(B) Os painéis fotovoltaicos utilizados nas habitações também servem para aquecimento de águas sanitárias.
(C) Os painéis fotovoltaicos do telescópio transformam energia da radiação eletromagnética em energia elétrica.
(D) Os painéis fotovoltaicos transformam energia térmica em energia elétrica.
20.2 Calcula a potência elétrica que os painéis fotovoltaicos do telescópio são capazes de transferir para os componentes elétricos do telescópio se a irradiância solar média, na alta atmosfera, for de 556 W/m2.
20.3 Será suficiente a energia fornecida durante duas horas por esses painéis fotovoltaicos para alimentarem os dispositivos eletrónicos que consomem 80,08 MJ de energia.
20.1
- Opção (C)
20.2.
A potência total recebida nos painéis do telescópio é
- PTotal = 3 x (12,5 x 2,50) x 556 = 5,21 x 104 W
Mas o rendimento é 15,0 %
20.3. A energia que os painéis conseguem transferir em duas horas é:
- Etransferida = Pútil x Δt = 7,82 x 103 x 2 x 3600 = 5,63 x 107 J = 56, 3 MJ
Não, a energia não seria suficiente.
21*. Calcula a área de painéis fotovoltaicos necessária para fazer funcionar uma lâmpada de 100 W, sabendo que o rendimento é 15 %.
Considera a radiação solar, num dia de céu azul, incidente perpendicularmente sobre um painel fotovoltaico, com intensidade de 1000 W m-2.
- A = 0,667 m2
22. A irradiância média do Sol (de raio de 6,96 x 108 m ) é de 6,4 x 107 W m-2.
Calcula a irradiância no topo da atmosfera terrestre (a constante solar), sabendo que o topo da atmosfera terrestre se encontra a 1,50 x 108 km de distância da superfície do Sol.
23. As centrais solares térmicas são constituídas por painéis controlados por computadores.
Cada um destes painéis reflete a luz solar para o topo das torres, nessas torres, os raios solares aquecem as turbinas produzindo vapor que depois servirá para gerar eletricidade.
A escolha da localização teve em conta o período de tempo em que o local recebe luz solar e a sua proximidade com as linhas de transmissão de eletricidade, para poder ser usada na alimentação dos lares.
As autoridades estimaram que produzir um megawatt/hora de energia numa central a carvão custa 90 euros, enquanto se for numa central solar custa 242 euros.
23.1. Será que podemos considerar estas centrais, como centrais fotovoltaicas.
23.2. Explica a formação de vapor nas turbinas da central.
23.3. Atendendo aos custos de produção, quais serão as vantagens de construir uma central deste tipo?
23.1 Não, a energia solar é utilizada no aquecimento das turbinas, com produção de vapor, e a geração de eletricidade é feita utilizando o vapor de água.
23.2 Nas turbinas, a energia da radiação solar é utilizada no aquecimento da água e na sua vaporização.
23.3 Embora a energia produzida numa central a carvão seja muito mais barata, a central a carvão é poluente e o carvão não é uma fonte de energia renovável como a energia solar.
24. A Leonor vai acampar e com o objetivo de aumentar a eficiência ao cozer os alimentos, qual será a melhor panela de alumínio que deve levar.
(A) tiver o fundo polido e as paredes laterais pretas.
(B) estiver a cozer exposta ao sol e for toda revestida de preto.
(C) for totalmente polida.
(D) tiver o fundo preto e as paredes laterais polidas.
- Opção (B)
A parede negra (ao contrário da polida) leva a uma completa absorção da radiação solar visível, contribuindo essa radiação absorvida para diminuir o tempo de cozedura.
25. Considera uma câmara de vídeo vigilância, que funciona à custa da energia elétrica fornecida por um painel fotovoltaico de dimensão 25 cm por 80 cm, que apresenta um rendimento de 14 %.
A irradiância solar média nesse local é de 380 W m-2 e o painel fotovoltaico origina uma diferença de potencial de 45 V.
25.1. Qual a corrente elétrica que alimenta a câmara?
25.2. Verifica se a energia que a câmara recebe, durante um dia de funcionamento, do painel fotovoltaico, em que o tempo de exposição ao Sol é de 7,0 h, é suficiente para alimentar a câmara durante três dias, sabendo que consome 300 kJ por dia.
25.1
24.2
- Consumo do semáforo em três dias é 3 x 2,76 x 105 J = 8,01 x 105 J a energia que a câmara recebe durante um dia de funcionamento do painel fotovoltaico não é suficiente para alimentá-lo durante três dias.
26. Qual é a principal transformação de energia que ocorre numa célula fotovoltaica.
- Transformação de radiação eletromagnética em energia elétrica.
27. Seleciona a opção que completa corretamente a frase seguinte.
A radiação infravermelha tem …
(A) … um único valor de comprimento de onda.
(B) … valores de comprimento de onda inferiores ao da radiação verde.
(C) … valores de frequência superiores a 2,3 x 1014 Hz.
(D) … valores de frequência compreendidos entre a radiação micro-ondas e a visível.
- Opção (D)
28. Seleciona a afirmação que completa corretamente a frase seguinte.
Nos materiais usados nas células fotovoltaicas, há necessidade de incorporar átomos de elementos diferentes nos materiais usados nas células fotovoltaicas, para .. .
(A) … modificar as propriedades de absorção dos materiais.
(C) … aumentar a emissividade dos materiais.
(C) … modificar as propriedades elétricas dos materiais.
(D) … modificar as propriedades térmicas dos materiais.
- Opção (C)
29. Seleciona a opção correta.
(A) O rendimento do painel fotovoltaico só depende da intensidade da radiação incidente.
(B) O rendimento do painel fotovoltaico só depende dos materiais que o constituem e não das condições em que está a operar.
(C) O rendimento do painel fotovoltaico aumenta com o aumento da temperatura.
(D) O rendimento do painel fotovoltaico diminui com o aumento da temperatura.
- Opção (D)
