Os recursos aplicados são parte de uma ação real executada em uma Comunidade de Acampados (Acampamento Elisabeth Teixeira) no município de Limeira, SP. Desenvolveram-se princípios básicos da eletricidade e engenharia cuja finalidade maior foi a de capacitar esse grupo de moradores em princípios básicos sobre como montar, instalar e dar manutenção em sistemas próprios de microgeração de energia gerada por placas fotovoltaicas. 9.1 - Fase 1 – Características gerais do grupo
O cenário de geração de energia encontrado no assentamento em estudo que contém 112 familias residentes está descrito nas Tabelas 9.1 e 9.2
Tabela 9.1- Sistemas de Geração de Energia Anteriormente Instalados
Tipo Aplicação Quantidade Porcento
Fotovoltaicos OK Iluminação 02 1,78%
Fotovoltaicos Ñ.OK Iluminação 07 6,25%
Gás Alimentação e banho 94 83,97%
Combust. Líquido Iluminação e Alimentação 02 1,78%
Carvão Luz, Alimentos, banho e Aquecimento 07 6,25%
Total 100%
Tabela 9.2 - Origem dos Sistemas Fotovoltaicos Anteriormente Instalados
Origem Fotovoltaicos OK Fotovoltaicos Ñ.OK Porcentagem
Programas Oficiais 0 0 0%
Compra 02 07 100%
Doação 0 0 0%
Total 100%
A participação na capacitação dos Assentados (Tabelas 9.3, 9.4, 9.5 e 9.6) foi oferecida a todos os integrantes da comunidade, independentemente de pré-requisitos como idade, nível escolar, ou experiência técnico-profissional prévia na área de eletricidade (elétrica e eletrônica).
Tabela 9.3 - Idade dos Participantes
Faixa etária (anos) Quantidade Porcentagem
14 a 29 05 20,83%
30 a 45 10 41,67%
46 a 59 5 20,83%
60 e acima 4 16,67%
Total 24 100%
Destacamos na Tabela 9.3 que 1/3 dos participantes tem idade acima de 45 anos (13 pessoas). O número de participantes do projeto é distribuído por gênero em suas faixas etárias na Tabela 9.4.
Tabela 9.4 - Quantidade de Participantes por Sexo
Faixa etária (anos) Feminino Masculino
14 a 29 1 3
30 a 45 4 9
46 a 59 3 2
60 e acima 1 1
Total 09 15
O dado que mais chama a atenção na Tabela 9.4 é baixa presença das mulheres (apenas uma) de 14 a 29 anos, pois na sua maioria ficam em casa cuidando de crianças menores: filhos, irmãos ou vizinhos. As ocupações/origens profissionais dos participantes estão descritas na Tabela 9.5.
Tabela 9.5 - Atividades/Profissões de Participantes por Sexo
Origem Feminino Masculino % Total
Agricultura 2 2 16,66%
Comércio 4 1 20,83%
Indústria 1 8 37,50%
Estudante 2 4 25,00%
A grande presença dos participantes ligado à origem industrial (37,50%) e a baixa presença de moradores com origem agrária é um dado importante na Tabela 9.5. Os relatos e vivências mostram que muitos dos participantes querem deixar a cidade e morar no campo, tentar viver da agricultura familiar, e por isso, da importância do fornecimento de energia elétrica para auxiliar na agriculta do lotes dos assentados. O número de anos de escolaridade (Tabela 9.6) pode, também, apontar para esta realidade.
O dado assustador na Tabela 9.6 são os 75% de pessoas com até 08 anos de escolaridade (nível fundamental incompleto), que, por outro lado, mostram 25% do total de participantes com formação básica (completa ou não).
Para preparar as abordagens teóricas, levamos em consideração essa heterogeneidade do grupo, formado por pessoas desde jovens a idosos; moradores com alguma formação acadêmica e outros que nunca haviam frequentado escola. A partir desse cenário, o caminho para transpor as limitações cognitivas necessárias ao entendimento mínimo dos conceitos envolvidos foi o de, ao máximo possível, usar de elementos do cotidiano dos participantes. Como exemplo adotamos a abordagem por comparação entre elementos básicos, suas grandezas e suas inter-relações com processos do cotidiano dos acampados. Estes processos são essenciais, e.g., para o entendimento do funcionamento de um sistema elétrico baseado em micro geração de energia fotovoltaica.
9.2 - Fase 2 – Condição de partida e variáveis de avaliação
As quatro primeiras etapas apresentadas na Figura 7.1, Visitar Público Alvo, Realizar Discussões, Identificar Necessidade e Identificar Estratégias de Solução são realizadas durante a primeira quinzena do projeto. A etapa 3 trata da identificação de necessidades, que é fundamental para definir as condições de partida (condições iniciais) dentro da proposta de Educação Não-formal.
Nesta primeira quinzena os Assentados em conjunto com o Pesquisador selam um compromisso sobre aquilo que buscam realizar e quais os objetivos a serem perseguidos. Para os Assentados, dá-se clareza da necessidade de viabilizarem espaços, disporem de tempo e de buscarem algum tipo de sucata específica, caso de vidros e esquadrias de alumínio para a finalização dos painéis solares e, também de atuarem em conjunto para a obtenção de possíveis recursos financeiros. Da parte do Pesquisador, o projeto requer a viabilização de recursos didáticos, tecnológicos e apoio na obtenção de recursos financeiros para o projeto ser
Escolaridade (anos) Feminino Masculino % Total
Até 04 3 3 25,00%
De 05 a 08 2 10 50,00%
De 09 a 12 2 2 16,67%
Acima de 12 2 0 8,33%
desenvolvido e concluído. Contudo, o principal elemento identificado neste período é a unânime e emergente necessidade de energia elétrica. Esta necessidade é o principal fundamento adotado (função diagnóstica) para a condição de partida dos trabalhos, assim como para a definição do foco do objetivo traçado (funções Comparadora de Resultados e Valorizadora de Objetivos). Esta condição define uma variável geral do processo de avaliação empreendido: a variável Necessidade.
A variável Necessidade é usada como elemento de comparação tanto no processo capacitatório, quanto como referencial para as demais variáveis adotadas, também identificadas nessas etapas iniciais, no entanto, apenas pelo Pesquisador. As outras variáveis estabelecidas são a variável de avaliação do processo, chamada Comprometimento com a Execução, traduzida pelos Investimentos financeiro, de tempo e disponibilização de espaços, e a variável Entrega de Resultados (complementação das tarefas) associada à avaliação de aprendizagem.
A etapa 4, Identificar Estratégias de Solução, consolida a proposta de adoção da Educação Não-formal associada ao uso de kits didáticos de peças acopláveis para energias renováveis. As duas quinzenas seguintes de trabalhos podem ser descritas nas etapas de 5 a 8, Compra de Materiais, Obtenção de Sucata, Organizar um Laboratório (entendido com um ambiente móvel para a estrutura tecnológica de realização dos trabalhos práticos) e Organizar Grupos de Trabalho (flexíveis), mais o início da 4ª quinzena dentro da 9ª etapa finalizam os preparativos para os trabalhos práticos descritos nos Capítulos de 9.3 a 9.10.
9.3 - Fase 3 – Componentes de um Sistema Fotovoltaicos Off-grid
Nesta etapa do trabalho, foram apresentados todos os componentes que fazem parte de um sistema fotovoltaico off-grid, que é o tipo de sistema fotovoltaico utilizado para sistema isolados, sem acesso a rede de eletrificação. Desta forma, os moradores do acampamento tiveram a oportunidade de manusear, desmontar e verificar como é construido cada componente. Um sistema fotovoltaico off-grid é formado basicamente por 4 elementos (Figura 9.1), sendo eles: (1) Módulos Solar ou Painéis Solares: Responsável pela transformação da luz solar em energia elétrica (efeito fotovoltaico); (2) Controlador de carga para energia solar: elemento responsável pelo controle ou balanceamento de carga energética que será enviado para a bateria, O controlador solar também controla a quantidade de energia
que a bateria possui, evitando explosões de super-cargas na bateria; (3) Bateria: dispositivo responsável pelo armazenamento de carga energética para utilização futura, quando os painéis não puderem mais transformação luz em energia elétrica e; (4) Inversor para sistema fotovoltaico: Unidade responsável por realizar a conversão de voltagem da bateria de 12 voltz em corrente contínua para 127/220 volts em corrente alternada para alimentar e ligar nossos eletrodomésticos.
Figura 9.1 – Esquema de um sistema fotovoltaico off-grid. Elaboração Própria
É necessário que os participantes (e.g. Fig. 9.2) tenham a compreensão e entendimento básico de um sistema fotovoltaico off-grid, seus elementos e funções. O sistema que se propõe (Capítulo 8.9) deve ser capaz de prover energia elétrica para iluminar uma residência e o entorno imediato do acampamento de forma a manter a condição mínima de segurança noturna de seus moradores.
Figura 9.2 – Primeiro contato dos moradores com os componentes de um Sistema fotovoltaico off-grid . Elaboração Própria
9.4 - Fase 2 – Tipos de transformação de energia elétrica
Antes de trabalharmos com conceitos da energia elétrica, foram abordados com os participantes algumas das diversas formas de transformação de energia elétrica presentes nas fontes de nossa matriz energética. De forma simplificada, abordamos os tipos de transformação de energia, e.g, reações químicas em energia elétrica (baterias), movimentos de motores em energia elétrica (Figura 9.3), etc.
(a) (b) (c)
(d) (e)
(f) (g) (h)
Figura 9.3 – Montagens e experimentos de transformações de uma dada energia para energia elétrica: com (a) e (b) experimenta-se a energia eólica; através de (c) exercita-se a energia mecânica de um mini-dínamo de ação manual; em (d) e (e) manipula-se a energia química de bebidas refrigerantes; (f) e (g) permitem observar os resultados da energia química armazenada em caules de batata doce; e, por último, (h) destaca um modelo de coleta da energia armazenada na radiação da luz.
Na figura 9.3, podemos observar experimentos usando o kit didático para que os acampados pudessem compreender as diversas formas de transformação de energia. Dentre
elas estão os experimentos das reações químicas a partir de batatas-doces e refrigerantes que provocaram grande impacto junto aos presentes ao simularem acumuladores de energia elétrica (nos moldes de baterias), transformando a energia química de caules e líquidos em energia elétrica. Desta forma, o grupo observou questões práticas sendo abordadas por pensamentos abstrato-conceituais com o uso de tratamento lúdico, mas ainda assim, prático. Ao trabalharmos com um grupo de diferentes graus de escolaridade e experiência, é necessário aprender e respeitar a linguagem e expressão cotidianas. Desta forma aumentamos as oportunidades de trocar informações e conhecimentos que permitam (neste processo de ensino-aprendizagem) oferecer ferramentas que possam aumentar a eficácia do enfrentamento das dificuldades enfrentadas pelos participantes. Assim, nos aproximamos do que propõe a Educação Não-Formal.
Para estes exemplos de transformação de energia, além dos experimentos com os kits, usamos uma vez mais a linguagem cotidiana dos assentados, relacionando o processo de descarga de uma bateria com a diminuição (ao longo do tempo) da “força” da terra numa área de plantação, até que não consiga mais produzir (bateria descarregada). Assim, essa terra necessita ser adubada (carregada) e fortalecida novamente para outro plantio. Esse ciclo pode ser associado a um circuito fechado.
9.5 - Fase 3 – Associação Circuito Elétrico e Circuito Hidráulico
Um dos grandes desafios de se explicar as grandezas físicas mais usuais de um circuito elétrico, e.g., tensão, corrente e resistência, bem como a relação entre elas, deve-se ao fato dessas grandezas serem abstratas. Pessoas não treinadas não conseguem vê-las nem tocá-las sem correr riscos, nem sofrer danos ao buscarem sentir e mensurar fisicamente seu calor, textura, etc. Uma forma de superar essa barreira é fazer uso de comparação por semelhança a sistemas que apresentem elementos físicos que se comportem, ou tragam resultados semelhantes aos que se apresentam entre as grandezas elétricas. O que propusemos como exemplo foi a comparação com um circuito hidráulico básico, formado por uma caixa d’água doméstica, canos (condutos de distribuição), torneira (chave de controle) e turbina.
Desta forma viabiliza-se uma forma de associação entre abstrato (corrente elétrica) e concreto (fluxo d’água), tomando como referência a vivência das pessoas em uma representação simples (Figura 9.4 e Tabela 9.7):
Figura 9.4 – Exemplo de um sistema hidráulico
Tabela 9.7 – Semelhança entre os circuitos elétrico e hidráulico
A primeira ênfase dada com grande importância está na segurança. Enquanto um circuito hidráulico pode causar pequenos danos como umidade e fungos, um circuito elétrico pode causar às pessoas danos graves ou fatais (queimaduras, contrações e morte).
Na relação de comparação e/ou semelhança a Figura 9.4 mostra um circuito hidráulico representado por um ciclo que pode iniciar com a caixa d’água que é mantida sempre cheia. O líquido flui pelos canos que conduzem a água até uma torneira que controla quanto líquido cai sobre uma roda d’água que, por sua vez, deve girar e despejar a água no solo. A água do solo evapora formando nuvens e, com a chuva, volta a encher a caixa d’água. O ciclo do circuito hidráulico se fecha.
O circuito hidráulico permite a abordagem concreta das grandezas físicas presentes. Note-se que a ilustração da Figura 9.4 representa um sistema em que a água acumulada na caixa d’água é usada para movimentar a roda d’água. A caixa d’água é a fonte na Tabela 9.7 que representa uma bateria elétrica. A diferença de alturas entre a superfície da água na caixa d’água e o eixo da roda d’água do circuito representa o valor da tensão (conhecida como
Circuito Elétrico Circuito Hidráulico Fonte
Condutores Fluxo Carga Resistência
Baterias, Rede elétrica Fios elétricos Elétrons Lâmpada Filamento da lâmpada Caixa d’água Canos Água Turbina Ideal Torneira
voltagem) aplicada ao circuito. Em outras palavras, quanto maior é a altura, maior a representação da “voltagem” ou, se a altura diminui, também diminui a voltagem. A água fluindo pelos canos como uma corrente d’água (semelhante aos elétrons da corrente elétrica) é o elemento de fluxo em Tabela 9.7. Há um entendimento intuitivo sobre energia associada à percepção de que quanto maior o tamanho da caixa d’água de altura fixa, mais longo é o tempo em que a corrente d’água flui pelos canos e, assim, a roda d’água pode permanecer girando por mais tempo. Desta forma, associam-se as percepções de energia acumulada e, também, de consumo por um dado tempo em um circuito elétrico (semelhante ao conceito de Carga, dado em kWh).
No modelo, a torneira mais aberta ou mais fechada modifica a quantidade de água de sua saída, desta forma, contendo a água, ou modificando a resistência à passagem d’água (em semelhança à resistência elétrica). A turbina que precisará de maior ou menor fluxo d’água para girar, respectivamente mais ou menos rápido, é semelhante a uma lâmpada com maior ou menor brilho. A turbina representa a carga na Tabela 9.7. Quanto maior a carga, maior deve ser a capacidade da bateria (caixa d’água) para manter o sistema funcionando pelo mesmo período de tempo.
Esse primeiro estudo de caso foi longamente discutido com os alunos do acampamento aproveitando a vivência diária deles no uso de caixas d’água, como forma de praticar as proposições da Educação Não-Formal. A barreira dos conceitos abstratos da eletricidade é relativamente superada pela sua associação a uma vivência concreta e diária. Assim, foram abordados de forma aplicada os principais elementos conceituais (e.g., corrente, tensão, resistência elétrica, potência e carga), além de princípios de medição adotados no Kit didático com o uso de voltímetros e amperímetros. Com eles, tensão e corrente foram identificadas e medidas.
O próximo capítulo apresenta a preparação dos educandos para o contato com os elementos conceituais e suas medidas, proporcionando alguma introdução ao uso dos componentes do Kit Didático, facilitando sua manipulação em algumas configurações básicas de montagem.
9.6 - Fase 4 – Princípios de um Circuito Elétrico Básico
A Fase 4 está subdividida em cinco situações apresentadas. Neste primeiro estudo, um circuito elétrico de corrente contínua é montado em configuração mínima, contendo um gerador de energia (pilhas/baterias), um interruptor, fios e uma carga. Assim, novos circuitos são explorados por variações em um ou dois elementos. Esses circuitos (apresentados nas próximas subseções) são sempre associados a um exemplo real de dispositivos alimentados por corrente alternada presentes no dia-a-dia dos educandos (e.g., lâmpadas residenciais).
Este estudo propôs aos acampados a ideia de um circuito (Figura 9.5) como uma sequência de elementos interligados (‘coisas’ conectadas), cada qual com uma função pré- determinada.
Figura 9.5 – À esquerda um circuito elétrico aberto (lâmpada apagada) e, à direita um circuito elétrico fechado (lâmpada acesa).
Um polo de um conjunto de pilhas é conectado a um ‘botão’ (interruptor) que é conectado a uma ‘mini lâmpada’, que por sua vez, é conectada por um fio que retorna até o outro polo das pilhas. Semelhantemente tratou-se o conceito de circuito fechado. O circuito se inicia num polo de uma bateria, passa pelos componentes e se completa ao retornar ao outro polo da bateria. Elementos bipolares foram apresentados e, mesmo que o circuito esteja completo e visualmente fechado, seus componentes podem estar abertos (e.g., o interruptor na posição ‘off’, ou uma lâmpada queimada). A segunda proposição foi tratada para a compreensão de ligações em série e ligações em paralelo, tanto em componentes não polarizados (e.g., lâmpadas comuns) quanto para as baterias que são polarizadas.
Figura 9.6 – Os acampados fazendo as simulações e experimentos de circuito elétrico aberto e circuito elétrico fechado com os kits didáticos.
9.6.1- Fase 4.1 – Princípios de corrente elétrica
O movimento de elétrons é abordado nesta segunda situação. Uma corrente elétrica em um circuito fechado é associada ao sentido do movimento de uma hélice no eixo de um pequeno motor elétrico (Figura 9.7). Inverter a polaridade do motor no circuito faz com que o motor gire no sentido contrário (Figura 9.8).
Figura 8.7 - Corrente no sentido direto em motores de corrente continua.
Figura 9.8 - Corrente no sentido invertido em motores de corrente continua. Elaboração Própria
Os participantes foram provocados, questionando-se sobre o sentido de giro do motor de um liquidificador: o motor gira ao contrário quando invertemos a ligação na tomada? Esta abordagem propicia a diferenciação entre corrente contínua e corrente alternada.
Figura 9.9 – Montando e experimentando sobre polarização de corrente continua e as diferenças entre motores de CC e CA.
O modelo de circuito apresentado permite simples compreensão de que, em primeiro lugar, os elementos básicos de qualquer circuito elétrico são formados por uma fonte (pilhas), os condutores (fios), algum tipo de controle (botões ou chaves) e uma carga (e.g., lâmpada incandescente). Num segundo momento, os acampados foram instigados a pensar sobre como é que esses elementos se relacionam entre si e quais são suas respectivas funções. Numa terceira abordagem, comparações são oferecidas para que esses educandos reflitam sobre esse
pequeno circuito com relação a outros circuitos, tais como os que são apresentados na Tabela 9.8.
Tabela 9.8 – Semelhanças entre componentes de diferentes circuitos elétricos
A identificação dos circuitos representados na Tabela 9.8 foram pensados e discutidos em conjunto com os participantes, fortalecendo a percepção sobre os componentes básicos que estão descritos.
9.6.2- Fase 4.2 – Princípios de um sistema elétrico
É importante destacar que para cada circuito descrito na Tabela 9.8 (lâmpada, geladeira e hidroelétrica), usaram-se desenhos (Figs. 9.5, 9.6 e 9.7) para que os educandos pudessem ser levados a identificar os componentes dos circuitos de forma abstrata, os associando a experimentos básicos com lastro em algumas de suas vivências.
A associação da ideia básica sobre Sistemas para esse grupo heterogêneo de pessoas parte de discussões sobre as montagens dos pequenos circuitos elétricos que podem ser aumentados e tomar forma de grandes dispositivos (e.g., rádios, televisores, aparelhos celulares). A ideia destes grandes dispositivos associou-se ao conceito de Sistema.
Um exemplo de esquema de um sistema básico equivalente ao sistema hidráulico da Figura 9.4 é mostrado na Fig. 9.10 para um sistema elétrico de uma lâmpada simples.
Figura 9.10 – Ilustração de um Sistema elétrico de uma lâmpada residencial
Sistema Fonte Condutores Controle Carga
Lâmpada doméstica Rede elétrica Fios embutidos Interruptor Lâmpada Geladeira Rede elétrica Fios internos Termostato Compressor (motor) Hidroelétrica Geradores das
represas TransmissãoLinhas de Subestações Indústria, ComércioResidências,
Fonte: rede elétrica Controle: interruptor Carga: Lâmpada Condutores: Fios embutidos
A ilustração da Figura 9.10 mostra uma lâmpada incandescente alimentada pela rede elétrica. A lâmpada é conectada diretamente ao neutro da rede elétrica (fio azul) e, controlada por um interruptor simples que controla a conexão entre a lâmpada e a fase (fio amarelo). Desta forma, os educandos foram apresentados a três diferentes tipos de lâmpadas (Tabela 9.9).
Tabela 9.9 – Equivalência de consumo entre alguns tipos de lâmpadas comerciais
Incandescente Fluorescente LED
Intensidade
(Lúmen)
(2)Vida Útil (Horas)
750 – 1000 6000 – 8000 20000 - 32000 (1)Consumo (W) 20 6 2 50 – 80 40 11 5 240 – 420 60 15 7 510 – 640 80 20 10 810 – 950 100 25 12 900 – 1100 150 60 20 1200 – 1900 250 80 30 1300 – 2500 500 200 100 5100 – 9500
Fonte (1): Adaptado de Souza et al (2017). Fonte (2): Adaptado de Silva, Lucas D., Soares, A.B.J. e Dranka, G.G. (2016).
Os diferentes tipos de lâmpadas na Tabela 9.10 (filamento, fluorescente e LED) apresentam diferentes características de construção e desempenho, que deram aos educandos informações básicas para que possam decidir sobre consumo e custo.
Tabela 9.10 – Principais características de construção de alguns tipos de lâmpadas comerciais
Incandescente Fluorescente LED
Fonte de Luz Fio de tungstênio Gás Dopagem química, Plástico refletor Tipo de Bulbo Vidro, vácuo Vidro, vácuo Tubo de vidro simples ou plástico
Tipo de Soquete Rosca Rosca, pinos Rosca, pinos, grampos
As informações da Tabela 9.9 foram abordadas com os educandos para melhorar a identificação destas diferentes lâmpadas. Uma representação para um sistema elétrico de uma geladeira pode ser observado na Figura 9.11.
Figura 9.11 – Ilustração de um circuito de uma geladeira
A Tabela 9.11 descreve a equivalência do sistema elétrico de uma geladeira com um circuito elétrico básico.
Tabela 9.11 – Semelhança entre circuitos - Geladeira
Circuito Elétrico Básico Sistema de uma Geladeira Fonte
Condutores Fluxo Carga Resistência
Baterias, Rede elétrica Fios elétricos
Elétrons Lâmpada
Filamento da lâmpada
Rede elétrica
Fios do circuito elétrico Elétrons
Lâmpada, sensor e compressor Resistência equivalente
O circuito elétrico de uma geladeira (Fig. 9.11) é alimentado pela rede elétrica através do conector (plugue), passa por um dispositivo elétrico que distribui a alimentação para uma lâmpada e para o compressor (motor), que tem dois tipos de controle: um limitador de excesso de corrente, chamado de ‘fusível’ (protetor de sobrecarga) e um controle de temperatura (termostato). Quando ocorre o excesso de corrente elétrica, o fusível derrete (precisa ser substituído) e abre o circuito fazendo com que o motor da geladeira seja desligado. O termostato é um sensor (dispositivo elétrico) que identifica uma dada temperatura dentro da geladeira e aciona uma chave (relé) que interrompe o motor.