UTILIZAÇÃO DA ESTRATÉGIA PjBL NO DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO FERRAMENTA DE ENSINO EM ENGENHARIA

COBENGE 2016

XLIV CONGRESSO BRASILEIRO DE EDUCAÇÃO EM ENGENHARIA 27 a 30 de setembro de 2016

UFRN / ABENGE

UTILIZAÇÃO DA ESTRATÉGIA PjBL NO DESENVOLVIMENTO DE

UM SISTEMA FOTOVOLTAICO COMO FERRAMENTA DE ENSINO

EM ENGENHARIA

Mariane Ferreira Martins – mariane.martins@engenharia.ufjf.br

Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Faculdade de Engenharia Rua José Lourenço Kelmer s/n, Campus Universitário

CEP: 36036-330 – Juiz de Fora – Minas Gerais

Bruno Henrique dos Santos – bruno.henrique@engenharia.ufjf.br Gustavo da Silva Lima – silva.gustavo@engenharia.ufjf.br Francisco José Gomes – chico.gomes@ufjf.edu.br

Dionathan Barroso da Silva – dionathan.silva@ifsudestemg.edu.br

Instituto Federal do Sudeste de Minas Gerais (IF Sudeste MG) Rua Técnico Panamá, 348

CEP 36240-000 – Santos Dumont – Minas Gerais

Resumo: O presente trabalho tem por objetivo complementar a formação em engenharia

através do dimensionamento e implementação de um sistema de geração fotovoltaico para atender parte da demanda energética de um laboratório da universidade. Utilizando as bases da estratégia de ensino Project Based Learning (PjBL), almeja-se a consolidação e a expansão de conhecimentos técnicos, juntamente com o desenvolvimento de habilidades transversais tão importantes ao perfil do engenheiro moderno. Trabalhando conforme diretrizes do PjBL, e atendendo ao convite da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal de Juiz de Fora, os discentes do curso de engenharia elétrica desenvolveram o presente projeto, cujo objetivo foi a instalação de um sistema de geração fotovoltaica no Laboratório Casa Sustentável (LCS), um espaço para aplicação integrada de atividades de ensino, pesquisa e extensão, transdisciplinares em arquitetura e engenharia, voltadas para a otimização e sustentabilidade na construção civil.

Palavras-chave: PjBL, Ensino em Engenharia, Instalação Fotovoltaica, Interdisciplinaridade, Sustentabilidade

1. INTRODUÇÃO

O avanço das tecnologias e o aumento do consumo de energia pela população mundial trouxeram às universidades discussões cada vez mais profundas a respeito do desenvolvimento sustentável. Em um mundo cada vez mais globalizado e ainda dependente de fontes de energia não renováveis, faz-se necessário ao perfil do engenheiro o estudo e entendimento de fontes renováveis a fim de atender às demandas do mercado e da sociedade, e contribuir para o desenvolvimento de uma matriz energética mais robusta e sustentável.

Dessa forma, a educação em engenharia necessita de novas posturas pedagógicas que permitam a formação de profissionais em sintonia com as novas demandas do mercado de trabalho (SILVEIRA, 2005). Para que isso seja possível, é necessário modificar a estrutura de

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formação utilizada nas universidades e repensar o modo como o ensino é praticado, de forma a aproximar o estudante da realidade que encontrará no mercado de trabalho (COMMITTEE ON ENGINEERING EDUCATION, 2005). Assim, torna-se fundamental o desenvolvimento de métodos ativos de aprendizagem, onde o estudante não é mais receptor da informação, mas sim modificador e criador desta, desenvolvendo o conhecimento técnico em sintonia com a demanda das indústrias, simultaneamente ao desenvolvimento das competências transversais (PRINCE, 2004).

Dentro da vasta gama de conhecimentos técnicos necessários aos estudantes de engenharia estão as fontes renováveis de energia. Dentre essas fontes, se destaca fortemente a energia solar fotovoltaica, por ser uma das fontes primárias menos poluentes, além de ser silenciosa, modular, necessitar de pouca manutenção, possuir prazos de instalação e operação muito pequenos (IMHOFF 2007), provocar impacto ambiental pequeno e poder ser facilmente integrada às construções, gerando eletricidade localmente sem a necessidade de linhas de transmissão que provocam perdas e certo impacto ambiental.

Grande atenção se voltou à geração fotovoltaica após a crise do petróleo na década de 70, em que o mercado percebeu que os combustíveis fósseis são finitos e sujeitos a diversos problemas em seu fornecimento, levando a um despertar para as limitações impostas pelas fontes convencionais de energia e a necessidade de se buscar alternativas àqueles já existentes. Foram então iniciados esforços significativos para desenvolver sistemas de energia solar fotovoltaica, principalmente para uso residencial e comercial. De fato, segundo Fraidenraich (2005), tal crise impulsionou o desenvolvimento dessa tecnologia no Brasil, levando à comercialização de produtos do setor no país.

Adicionalmente, por ser um país localizado em sua maior parte na região tropical, o Brasil possui grande potencial de energia solar durante todo o ano. A utilização dessa fonte poderia trazer benefícios em longo prazo para o país, regulando a oferta de energia em situações de estiagem, diminuindo a dependência do mercado de petróleo e reduzindo as emissões de gases poluentes na atmosfera como estabelece a Conferência de Kyoto (PEREIRA 1997).

Junto à busca por esses conhecimentos fundamentais ao engenheiro da atualidade está a preocupação em se obter formas mais claras e eficientes de assimilação desses conteúdos por parte dos estudantes. O PjBL - Project Based Learning - tem se mostrado bastante eficaz, trazendo o aluno a uma nova interação com a informação (XIANYUN DU, 2009).

Com base nisso, foi desenvolvido o presente trabalho, que consiste no estudo, projeto e implementação de uma usina micro geradora solar fotovoltaica, através das diretrizes do PjBL, em um laboratório da Universidade Federal de Juiz de Fora, a partir de uma parceria com a Faculdade de Engenharia com a Faculdade de Arquitetura e Urbanismo.

O Laboratório Casa Sustentável - LCS é uma edificação para aplicação integrada de atividades de ensino, pesquisa e extensão, transdisciplinares em arquitetura e engenharia, voltadas para a otimização e sustentabilidade da construção civil. Construído em um espaço fora do campus universitário, no Jardim Botânico da Universidade Federal de Juiz de Fora, o LCS simula uma casa, composta por seis ambientes que retratam ambientes típicos de uma casa: recepção, quarto, sala, escritório, cozinha e banheiro (ZAMBRANO, 2012). Este laboratório, cuja orientação no espaço visa aperfeiçoar o aproveitamento de iluminação e ventilação naturais, possui estrutura ideal para instalação de paineis fotovoltaicos, uma vez que seus telhados são voltados para o norte geográfico, ideal para a instalação de paineis fotovoltaicos.

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Dessa forma, neste trabalho apresentam-se as bases educacionais que orientaram a execução desde o detalhamento do projeto e, por fim, a avaliação dos impactos na formação educacional dos graduandos envolvidos. A estruturação obedece à seguinte ordem: na seção 2 é detalhada a estratégia de ensino adotada, o PjBL; a seção 3 apresenta o desenvolvimento do projeto de geração de energia; e por fim a seção 4 discute os resultados avaliados ao longo do projeto e suas conclusões.

2. METODOLOGIA

A metodologia tradicional, ainda vigente nas escolas e universidades, se mostra eficiente ao produzir a mecanização do aprendizado através da resolução de grandes quantidades de exercícios muito específicos sobre cada disciplina, porém, se mostra falha em diversos outros pontos que envolvem o processo de aprendizado.

A segregação do conhecimento desenvolve nos alunos a atenção seletiva, dessa forma, a atenção do aluno se volta apenas para o conteúdo de cada disciplina, impossibilitando uma visão mais ampla sobre as possíveis conexões interdisciplinares envolvendo determinado problema.

Outra falha no método tradicional de ensino é o não desenvolvimento das relações interpessoais, uma vez que os alunos posicionam-se, em sala de aula, uns de costas para os outros e, raramente são desafiados a trabalharem em equipe. Uma última falha presente no modelo citado é a dependência da figura do professor para a construção do conhecimento. “Ensinar não é transferir o conhecimento, mas criar possibilidades para a sua produção ou construção.” (FREIRE, 1996). Neste modelo, professor e aluno estabelecem uma relação hierárquica que interfere no desenvolvimento pleno das capacidades individuais de ambos.

Como alternativa à metodologia de ensino tradicional apresenta-se o método PjBL (do inglês Project Based Learning). O PjBL, utilizado vastamente por grupos tutoriais em diversas universidade ao redor do mundo, como na Harvard University (Estados Unidos), consiste no desenvolvimento de projetos reais, permitindo assim, a construção do conhecimento de forma mais ampla e sólida, bem como, o desenvolvimento das habilidades transversais (soft skills) como: "2) Solução de problemas, criatividade e pensamento crítico", "3) Trabalho em equipe e relações interpessoais", "4) Comunicação clara e objetiva”, 5) Avaliação e autoavaliação", 6) "Integrar conhecimentos", "7) Gerenciar mudanças, lidando com o novo" (FELDER, 2003).

Vale ressaltar que um dos traços mais importantes do PjBL está na figura do tutor que é diferente do professor tradicional, e cuja postura utiliza análises críticas, sugestões e perguntas, a fim de estimular os alunos na busca por conhecimento e desenvolvimento das habilidades transversais.

3. OBJETIVO

O principal objetivo do LCS é disponibilizar ao público visitante e usuários um ambiente confortável e com princípios sustentáveis. Consoante a essa ideia, foi executado o presente trabalho com o intuito de desenvolver nos alunos participantes relevantes competências profissionais, estreitar o contato com a vida real no mercado de trabalho, e adquirir novos conhecimentos na área por meio do trabalho multidisciplinar em equipe, envolvendo também discentes do curso de Arquitetura.

Por configurar uma parceria entre diferentes cursos, com alunos de perfis distintos, este trabalho buscou reforçar a habilidade de trabalho em equipe, liderança, cooperação, comunicação, troca de saberes e visões de mundo, resolução de conflitos e organização.

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Adicionalmente, pelo teor técnico do trabalho, espera-se também o aprofundamento dos conhecimentos na área, capacidade de aprendizado autônomo e gestão financeira.

Todas essas habilidades foram avaliadas, para mapear qualitativa e quantitativamente o desenvolvimento das mesmas, e serviram para mensurar o impacto da realização deste projeto sobre a formação dos integrantes.

4. DESENVOLVIMENTO

O estudo para a desenvolvimento do sistema no LCS foi iniciado com o levantamento de dados meteorológicos da região extraídos da plataforma do Instituto Nacional de Meteorologia – INMET (PEREIRA, 1997). Obteve-se, então, o menor índice de radiação solar médio diário por metro quadrado, o que permitiu a realização do cálculo do valor acumulado de irradiação solar médio diário no local, através do número de horas de Sol Pleno (SP - considerado de 10h às 14h). Através desses cálculos, pôde-se concluir que seria viável, com a utilização dos equipamentos corretos, o uso de paineis de geração fotovoltaica como forma de complementar uma parte da demanda de energia elétrica do LCS. Partindo desse ponto, desenvolveu-se estudos sobre a tecnologia fotovoltaica, suas características e formas de implementação.

Figura 1 – Sistema de geração fotovoltaica Off-Grid.

O projeto técnico consiste na energização de quatro lâmpadas LED, de corrente contínua (CC), que irão iluminar a recepção do Laboratório. De forma sintetizada, o esquemático da figura 1 ilustra os componentes necessários para a instalação do sistema de geração solar

off-grid.

As lâmpadas LED foram escolhidas por serem de corrente contínua, possuírem maior durabilidade e eficiência quando comparadas às comuns e, além disso, terem geração de calor praticamente nula, o que potencializa a economia energética.

Os paineis solares fotovoltaicos, principal componente do sistema, são dispositivos utilizados para converter a energia da luz do Sol em energia elétrica solar. São compostos por células solares, assim designadas já que captam, em geral, a radiação solar, e não possuem

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mecanismos móveis, não geram resíduos e não precisam de grande manutenção. Existem em três tipos separados de acordo com sua composição, seu custo e sua eficiência: monocristalino (de preço mais elevado e maior eficiência, entre 14 % e 21%), policristalino (preço mais acessível e com eficiência entre 13% e 17%) e de filme fino (usado em camadas, é ideal para ser adaptado às superfícies; possui eficiência entre 13% e 16%) (RÜTHER, 2004).

As baterias, neste sistema, armazenam a energia gerada através dos paineis, que podem produzir quantidade maior ou menor de acordo com a quantidade de luz, ou irradiação solar, incidente sobre as placas. Essa variação do nível de energia produzido é um problema para as baterias, que não conseguem suportar sobrecargas ou descargas profundas. Faz-se, necessário, portanto, a utilização de um controlador de carga, a fim de protegê-las, resolvendo o que seria um empecilho e aperfeiçoando seu carregamento.

Os controladores de carga são fabricados com a tecnologia PWM (Pulse Width

Modulation), de menor custo e eficiência, ou com a tecnologia MPPT (Maximum Power Point Tracking), de maior custo e eficiência. Tais tecnologias, usando técnicas diferentes, têm por

objetivo aproveitar da melhor forma possível a incidência de irradiação solar nas placas, transformando-a em potência elétrica.

Partindo do estudo da exploração da energia solar fez-se necessário, para toda a equipe, pesquisas para conhecimento do completo funcionamento desta fonte, estabelecendo bases concretas sobre o assunto. Para tanto, foi ministrado, por um integrante mais experiente do grupo, um minicurso sobre geração fotovoltaica, permitindo desenvolver competências transversais juntamente com a qualificação profissional necessária ao projeto.

Após toda a fase de conhecimento desta tecnologia, iniciou-se o dimensionamento propriamente dito. De posse dos dados de incidência solar média regional, definiu-se, então, a carga que seria energizada pelos paineis. Mediante análise da planta do LCS, e por conveniência da coordenação, estabeleceu-se que quatro lâmpadas LED de 10 W (Watt) de potência da recepção da Casa seriam alimentadas por paineis solares. Mediante cálculo do consumo total (multiplicando a potência das quatro lâmpadas pelo número de horas que ficarão ligadas e considerando uma perda de 10% devido à dissipação de calor) pôde-se definir a quantidade de energia que deveria ser suprida, 230 W.

Para a definição da potência dos módulos fotovoltaicos, elaborada com base no consumo total diário e nas horas equivalentes de sol pleno (SP) por dia (h/dia), considerando, ainda, o fator de perdas de potência (fpp) de 0,75 e o fator de perdas de segurança (fps) também de 0,75 (PINHO, 2014) utilizou-se:

𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑜 𝑔𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑆𝑃 ∗ 𝑓𝑝𝑝 ∗ 𝑓𝑝𝑠

(1) E pôde-se concluir que seriam necessários dois paineis de geração de 95 Wp (Watt.pico, ou seja, em sua máxima produção) para suprir a demanda de 230 Wp.

Em seguida, os alunos realizaram o dimensionamento do banco de baterias como segue: 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑛𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ∗ 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎

𝑇𝑒𝑛𝑠ã𝑜 𝑑𝑎𝑠 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑠 ∗ 𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (2)

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Utilizando informações de consumo total diário (230 W), os dias de autonomia (cinco dias, que é o período em que o sistema é capaz de funcionar sem uma produção considerável dos paneis), a tensão do banco de baterias (12 Volts) e a profundidade de descarga da bateria (de 0,6, informação fornecida pelo fabricante do produto) (PINHO, 2014). Obtendo um valor de 370 A.h (ampere.hora), foram selecionadas duas baterias de 185 Ah cada.

Posteriormente, foi escolhido o controlador de carga de 20A (ampere) com base em todas as informações colhidas durante a execução do trabalho, utilizando a fórmula:

𝐶𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑙 ∗ 𝑛° 𝑝𝑎𝑖𝑛𝑒𝑖𝑠 ∗ 𝑡𝑎𝑥𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑎𝑛ç𝑎 (3) A corrente de curto circuito varia de painel para painel, de acordo com o modelo, e deve ser informada pelo fabricante. A taxa de segurança adotada, que foi de 1,25, representa o percentual de variação da corrente dos paineis que o controlador suportaria (PINHO, 2004).

Finalmente, o grupo executou a fase final do projeto, onde a cotação financeira de todos os equipamentos e mão de obra foram levadas em consideração a fim de avaliar qual seria a melhor opção para ser implementada no Laboratório.

Atualmente, o projeto está em fase de revisão para posterior implementação no LCS, tendo em vista que a verba para a compra de equipamentos foi concedida pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais – FAPEMIG.

5. RESULTADOS

Avaliaram-se, ao final do projeto, os impactos do projeto na formação de seus participantes. Os atributos analisados foram a demanda por estudos de temas não abordados na grade curricular do curso, a percepção da relevância do projeto na formação dos envolvidos e as competências transversais desenvolvidas. Em todos os casos, nota-se que este projeto teve um alto impacto positivo na formação desses discentes.

Figura 2 – Competências Transversais desenvolvidas

0 1 2 3 4 5 6 Trabalho em equipe Solução de conflitos Gestão de Projetos Oratória e comunicação Liderança Autodidática Organização Cumprir prazos

Quantidade de vezes que cada competência foi citada

Co m p e tê n ci as

Quais competências transversais você

conseguiu desenvolver no projeto?

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Figura 3 – Demanda de estudos além do currículo de graduação

Figura 4 – Percepção da relevância do projeto na formação acadêmica

Ao longo do desenvolvimento deste trabalho, alguns problemas foram enfrentados, demandando capacidade de lidar com o inesperado, busca por novas soluções, e resolução de conflitos. A tabela abaixo mostra as competências reforçadas a cada dificuldade encontrada:

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Tabela 1. Competências reforçadas de acordo com as dificuldades no projeto

Problema Surgido Solução encontrada Competências Reforçadas

Necessidade de escolher um sistema

off-grid ou on-grid.

Off-grid dispensa compra de inversor de

frequência, o componente mais caro de um projeto fotovoltaico; e as dimensões da instalação, de menor porte, ratifica essa decisão. Aprofundamento dos conhecimentos na área e capacidade de aprendizado autônomo. Dificuldade de desenvolver um projeto que se adeque à disponibilidade orçamentária.

Elaboração de projetos em diversos cenários, e apresentação para a Faculdade de Arquitetura a fim de que esta escolhesse aquele que atendia melhor às necessidades e à capacidade orçamentária.

Habilidade de trabalho em equipe, liderança, gestão financeira. Dimensionamento de componentes elétrico-eletrônicos, observando a compatibilidade entre todos eles.

Intensa pesquisa a respeito do tema, consulta a manuais técnicos e

informações de fabricantes (datasheets).

Cooperação, organização, aprofundamento dos conhecimentos na área. Dificuldades em apresentar o projeto para membros da Faculdade de Arquitetura, de forma acessível a pessoas não especialistas na área, e obter recursos

financeiros suficientes.

Elaboração de relatórios intuitivos, claros e objetivos, acompanhado de explicações de todos os detalhes do projeto. Diálogo com as partes para ciência da importância do projeto, e do mútuo entendimento dos objetivos comuns.

Habilidade de trabalho multidisciplinar em equipe, cooperação, resolução de conflitos, comunicação.

Dado isso, é notável a contribuição deste trabalho à formação dos discentes envolvidos, demonstrando os excelentes resultados da aplicação da metodologia PjBL, nesse caso particular onde trabalham, de forma conjunta, alunos de diferentes cursos de graduação.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A metodologia PjBL, consolidada em renomadas universidades internacionais, apresenta desafios em sua implementação no Brasil, pois, conforme exposto, muito destoa do tradicional método de ensino, enfrentando dificuldades que vão desde resistência de professores à sua adoção, por insegurança de alterar o modus operandi consagrado, até a falta de recursos nas universidades para a realização dos projetos.

Entretanto, os resultados deste trabalho evidenciam os resultados da aplicação dessa metodologia, que não só é mais eficiente no ensino de conteúdo técnico, mas também desenvolve uma série de competências, tão demandada dos nossos engenheiros atuais.

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Por fim, dada sua aplicabilidade no mercado de trabalho, o conhecimento técnico adquirido foi muito produtivo. Em adição, as competências trabalhadas, tanto técnicas como transversais, citadas ao longo deste trabalho, são parte daquelas que se espera de um bom profissional de engenharia atualmente, inclusive algumas estão explícitas nas Diretrizes Curriculares Nacionais do Curso de Graduação em Engenharia, bem como na a Declaração de Valparaíso sobre Competências Genéricas do Engenheiro Iberoamericano - ASIBEI (ASIBEI, 2015).

Agradecimentos

Ao Programa de Educação Tutorial - PET/MEC da Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Juiz de Fora - UFJF, que possibilitou a execução do projeto, à Fundação de Amparo à Pesquisa do estado de Minas Gerais - FAPEMIG, ao Grupo de Estudos de Edificações Sustentáveis – GEES, ao Laboratório de Pesquisa em Conforto Ambiental e Sustentabilidade – ECOS, do Curso de Arquitetura e Urbanismo da UFJF.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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FELDER, R. M. Engineering Education in 2015 (or Sooner) Proceedings of the 2005. Regional Conference on Engineering Education, December 12-13, Johor, Malaysia, 2005.

RÜTHER, Ricardo. Edifícios Solares Fotovoltaicos: O Potencial da Geração Solar Fotovoltaica Integrada a Edificações Urbanas e Interligadas à Rede Elétrica Pública no Brasil. / Ricardo Rüther – Florianópolis: LABSOLAR, 2004.

PINHO, João Tavares; GALDINO, Marco Antônio. Manual de Engenharia para Sistemas Fotovoltaicos. Grupo de Trabalho de Energia Solar - GTES, CEPEL. Rio de Janeiro, 2014.

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ANEEL. Resolução Normativa nº 482, de 17 abr. 2012.

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PEREIRA E.B.; COLLE S. Revista Ciência Hoje 22, 25 (1997).

ZAMBRANO, Letícia. 2012, Sustainable HomeLab: Exhibition space and experimental lab for education and research on sustainable living environments. LCS, (Laboratório Casa Sustentável, in Portuguese). São Paulo, SASBE2012.

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USING PjBL STRATEGY IN THE DEVELOPMENT OF

PHOTOVOLTAIC SYSTEM AS AN ENGINEERING TEACHING TOOL

Key-Words: PBL, Engineering Education, Photovoltaic Installation, Interdisciplinary, Sustainability