Atividade laboratorial

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💡 A pergunta desta atividade

Um painel fotovoltaico transforma luz em eletricidade, mas com que rendimento? E em que condições fornece mais potência? Vais descobri-lo medindo, passo a passo, como num laboratório a sério. Carrega em ⛶ Ecrã inteiro para projetares cada quadro.

📐 Formulário (só as fórmulas das metas) — clica para abrir
Potência elétrica
P = U I
U em V, I em A ⇒ P em W
Irradiância (inclinação)
G = G0 cos α
α = ângulo entre a luz e a perpendicular ao painel
Potência da radiação incidente
Pinc = G A
A = área do painel
Rendimento do painel
η = PPinc × 100
em %; máximo para um certo U
Valor mais provável (média)
x̄ = x1 + x2 + x33
várias medições
Incerteza e desvio percentual
u = |xi − x̄|máx · ur = ux̄ × 100
resultado: x = x̄ ± u

🎯 No fim deves saber

  • associar a conversão fotovoltaica à transferência de energia da luz para o painel (aparece uma diferença de potencial nos terminais);
  • montar o circuito e medir U e I (amperímetro em série, voltímetro em paralelo);
  • calcular a potência elétrica P = U I do painel;
  • investigar o efeito da irradiância (inclinação e filtros) e concluir a melhor orientação do painel;
  • construir o gráfico P(U) e determinar a tensão que otimiza o rendimento.
0

🧠 A física por trás, em 1 minuto

inclina a lâmpada
1 · A luz chega ao painel

A irradiância G é a potência da luz por unidade de área. Ao inclinar a lâmpada, a luz chega mais «rasante» e G diminui.

Inclinação α (°)
G = G0 cos α = 1000 × cos ° = W m-2

✋ Prevê: quando α aumenta, a irradiância no painel…

cos α diminui de 1 (0°) a 0 (90°).
U ≠ 0nos terminais
2 · Da luz à eletricidade

A energia da luz é transferida para o painel e transforma-se em energia elétrica: aparece uma diferença de potencial nos terminais. Em curto-circuito, a corrente é proporcional à irradiância.

Inclinação α (°)
Icc ≈ 0,30 × G1000 = A

✋ Prevê: a conversão fotovoltaica transforma…

o painel recebe radiação e fornece energia elétrica.
AVvalores lidos (A e V)
3 · Mede U e I

Varia a resistência R do reóstato: mudam a tensão U e a corrente I. A potência fornecida é P = U I.

Resistência R (Ω)
Inclinação α (°)
U = V · I = A
P = U I = W

✋ Prevê: o amperímetro liga-se…

a corrente tem de atravessá-lo.
U (V)P (W)
4 · A curva P(U)

Cada valor de R dá um ponto (U; P). Mexe no cursor: o ponto sobe e depois desce na curva P(U).

Resistência R (Ω)
U = V · P = W

✋ Prevê: à esquerda e à direita do máximo, a potência é…

a curva P(U) tem um máximo.
U (V)P (W)
5 · O rendimento

O rendimento é η = PG A × 100, com A = 0,0050 m² e G = 1000 W m-2. É máximo onde P é máxima.

Resistência R (Ω)
η = %
ηmáx = %

✋ Prevê: o rendimento do painel é máximo…

η ∝ P com Pinc fixa.
6 · A melhor orientação

A potência máxima do painel depende da inclinação. Mexe em α e compara.

Inclinação α (°)
Pmáx(α) = W
(a 0°: W)

✋ Prevê: a melhor orientação do painel é…

cos 0° = 1: irradiância e potência máximas.
1

🎯 O que vamos fazer — fá-lo tu, passo a passo

RAV
1 · Liga a lâmpada

Vais fazer a medição tu mesmo. A lâmpada ilumina o painel (luz perpendicular, sem filtros) e o reóstato está regulado para R = 10 Ω.

RAVU = 2,38 VI = 0,238 A
2 · Calcula a potência

P = U I, com U = 2,38 V e I = 0,238 A.

W
P = 2,38 × 0,238 = 0,567 W.
RAVU = 2,38 VI = 0,238 A
3 · Calcula o rendimento

A irradiância é G = 1000 W m⁻² e o painel tem A = 0,0050 m².

η = PG A × 100

%
η = 0,5671000 × 0,0050 × 100 = 11,3 %.
RAVU = 2,38 VI = 0,238 A
4 · Prevê o que vais descobrir

Na atividade vais variar R e medir U e I em cada caso.

✋ Prevê: se mudares R, a potência P do painel…

P(U) tem um máximo: é essa a tensão que otimiza o rendimento.
2

🧰 O material: monta tu, peça a peça (e fica a saber para que serve)

?
1 · Coloca a peça (1 de 6)

Precisas de uma fonte de luz que simule o Sol. Arrasta (ou toca em) a peça certa para a zona a piscar.

💡 Lâmpada🌡️ Termómetro🧲 Íman
Lâmpada: simula a radiação solar. Fica fixa a uma certa distância; a inclinação em relação ao painel é o que se vai variar.
?
2 · Coloca a peça (2 de 6)

Agora o dispositivo que converte a luz em energia elétrica.

🪝 Dinamómetro🔊 Altifalante🔆 Painel fotovoltaico
Painel fotovoltaico: converte a energia da luz em energia elétrica; aparece uma diferença de potencial nos seus terminais.
?
3 · Coloca a peça (3 de 6)

Para variar a irradiância sem mexer na lâmpada, interpões entre a lâmpada e o painel…

🌡️ Termómetro🪟 Filtro🧲 Íman
Filtros: ao interpô-los, a irradiância G (potência da luz por m²) diminui, sem mudar a lâmpada.
?
4 · Coloca a peça (4 de 6)

Falta uma resistência que possas variar para mudar a tensão de saída do painel.

🎚️ Reóstato🔊 Altifalante🪝 Dinamómetro
Reóstato (resistência variável) R: muda a tensão de saída U e a corrente I do painel.
R?
5 · Coloca a peça (5 de 6)

Que aparelho mede a corrente elétrica? (liga-se em série)

🌡️ Termómetro🧲 Íman🅰️ Amperímetro
Amperímetro: mede I. Liga-se em série (a corrente passa por ele).
RA?
6 · Coloca a peça (6 de 6)

E a diferença de potencial nos terminais do reóstato? (liga-se em paralelo)

🪝 Dinamómetro📟 Voltímetro🔊 Altifalante
Voltímetro: mede U nos terminais do reóstato. Liga-se em paralelo. Com U e I calculas P = U I.
3

☀️ Conversão fotovoltaica: da luz à eletricidade

painel fotovoltaicoU ≠ 0luz
O que faz o painel?

Quando a luz incide nas células do painel, parte da sua energia é transferida para o painel e transformada em energia elétrica: aparece uma diferença de potencial (tensão) nos terminais do painel. Ligado a um circuito, o painel fornece corrente.

✋ Prevê: um painel fotovoltaico converte…

conversão fotovoltaica: energia da radiação → energia elétrica.
painel fotovoltaicoU ≠ 0luz
O que se vê nos terminais?

✋ Prevê: quando a luz incide no painel, aparece nos seus terminais…

é a diferença de potencial (tensão) que faz o painel fornecer corrente.
4

🔌 Montar o circuito (e ligar bem os aparelhos)

RAV
Amperímetro: série ou paralelo?
  1. Liga o painel, o amperímetro e o reóstato em série, formando um circuito fechado.
  2. Liga o voltímetro em paralelo com o reóstato (aos seus terminais).
  3. Fixa a lâmpada a uma certa distância, com incidência perpendicular (α = 0°).
💡 Confirma as polaridades dos aparelhos e escolhe as escalas mais adequadas antes de ligar a lâmpada.

✋ Prevê: o amperímetro liga-se…

a corrente tem de passar pelo amperímetro: em série.
RAV
Voltímetro: série ou paralelo?

✋ Prevê: o voltímetro liga-se…

mede a diferença de potencial entre dois pontos: em paralelo.
RAV
Incidência da luz

✋ Prevê: para a medição da curva P(U) a luz deve incidir…

assim a irradiância é máxima e fica fixa durante a série.
5

📟 Medir U e I e calcular a potência

R (Ω)U (V)I (mA)P (mW)
30,90300?
61,78297?
102,38238?
182,57143?
302,6388?
Converte e calcula P
  1. Para cada valor de R, lê U no voltímetro e I no amperímetro.
  2. Converte I de mA para A (÷ 1000).
  3. Calcula P = U I em cada linha.

Na 3.ª linha: R = 10 Ω, U = 2,38 V e I = 238 mA = 0,238 A.

P = U I

W
P = 2,38 × 0,238 = 0,566 W.
R (Ω)U (V)I (mA)P (mW)
30,90300?
61,78297?
102,38238?
182,57143?
302,6388?
Unidades

✋ Prevê: U em V e I em A dão P em…

1 V × 1 A = 1 W.
R (Ω)U (V)I (mA)P (mW)
30,90300?
61,78297?
102,38238?
182,57143?
302,6388?
Quantas medições?
pelo menos 5, para desenhar bem a curva.
6

📈 Variar R e traçar a curva P(U)

0,51,01,52,02,50,20,40,6U (V)P (W)máximo
Onde está o máximo?
  1. Varia R e mede U e I em, pelo menos, 5 valores de R.
  2. Marca os pontos (U; P) e liga-os com uma curva.
  3. Procura o máximo: é a tensão que otimiza o rendimento.

Com os dados da tabela ((0,90 V; 270 mW); (1,78 V; 529 mW); (2,38 V; 568 mW); (2,57 V; 367 mW); (2,63 V; 231 mW)):

mW
a maior potência da tabela: 568 mW (com U ≈ 2,38 V).
0,51,01,52,02,50,20,40,6U (V)P (W)máximo
A que tensão?
V
o máximo ocorre para U ≈ 2,38 V: é a tensão que otimiza o rendimento.
0,51,01,52,02,50,20,40,6U (V)P (W)máximo
Antes e depois do máximo

✋ Prevê: à esquerda e à direita do máximo, a potência…

a curva P(U) sobe até ao máximo e depois desce.
7

🔆 Irradiância: inclinação e filtros

normalαG = G₀ cos α
Irradiância a 60°
  1. Inclina a lâmpada: quanto maior α, menor a irradiância que chega ao painel.
  2. Interpõe filtros: cada filtro retira uma fração da luz.
  3. Compara a potência máxima de cada série e conclui a melhor orientação.

G = G0 cos α, com G0 = 1000 W m⁻² e α = 60° (calculadora em graus).

W m⁻²
G = 1000 × cos 60° = 1000 × 0,5 = 500 W m⁻².
normalαG = G₀ cos α
Irradiância a 30°
W m⁻²
G = 1000 × cos 30° = 866 W m⁻².
normalαG = G₀ cos α
Melhor orientação

✋ Prevê: para maximizar a potência do painel, a luz deve incidir…

cos 0° = 1: a irradiância é máxima.
8

🏁 Rendimento do painel

P_inc = 5,0 WP_máx = 0,57 Wη = P / P_inc
Potência incidente
  1. Calcula a potência da radiação que incide no painel: Pinc = G A.
  2. Calcula o rendimento: η = PPinc × 100.
  3. O rendimento é máximo na tensão onde P é máxima.

Pinc = G A, com G = 1000 W m⁻² e A = 0,0050 m².

W
Pinc = 1000 × 0,0050 = 5,0 W.
P_inc = 5,0 WP_máx = 0,57 Wη = P / P_inc
Rendimento máximo

η = PmáxPinc × 100, com Pmáx = 0,568 W.

%
η = 0,5685,0 × 100 = 11,4 %.
P_inc = 5,0 WP_máx = 0,57 Wη = P / P_inc
Quando é máximo?

✋ Prevê: o rendimento do painel é máximo…

η ∝ P; com Pinc fixa, η é máximo onde P é máxima.
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⚠️ Erros: de onde vêm e como reduzi-los

aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Leituras que oscilam
🎲 AleatóriosLeituras que oscilam (a lâmpada varia um pouco). Reduzem-se: repetindo e usando a média.
📏 SistemáticosÂngulo mal medido, painel a aquecer, luz ambiente. Reduzem-se: medir bem α, deixar arrefecer, escurecer a sala.
🔧 InstrumentaisResolução e classe do voltímetro e do amperímetro. Reduzem-se: escalas adequadas.

✋ Prevê: a lâmpada varia um pouco e as leituras oscilam. É um erro…

reduz-se repetindo e usando a média.
aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Ângulo mal medido

✋ Prevê: o ângulo α está sempre medido 5° a menos. É um erro…

desvia sempre no mesmo sentido: corrige-se medindo melhor.
aleatóriosespalhadossistemáticostodos desviadosinstrumentaislimite do aparelho
Classe dos aparelhos

✋ Prevê: o voltímetro só dá 2 casas decimais. É um erro…

limite do aparelho (resolução).
🧪

Agora és tu: o laboratório virtual

  1. Mantém a lâmpada a α = 0° e sem filtros; varia R e carrega em ▶ Medir em ≥ 5 valores.
  2. Lê U, I, P e η e vê a curva P(U) com o seu máximo.
  3. Muda a inclinação e os filtros e compara as séries.
  4. Cumpre as missões 🏅.
✅

Conclusão da atividade

P = U · Ia curva P(U) tem um máximoη = P / (G A)melhor orientação: luz perpendicular (α = 0°)
  • Ao incidir luz no painel há transferência de energia e aparece uma diferença de potencial nos seus terminais.
  • A potência fornecida é P = U I; o gráfico P(U) tem um máximo, onde o rendimento é máximo.
  • A irradiância diminui com a inclinação (G = G0 cos α) e com os filtros: a melhor orientação é a perpendicular à luz.

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