Environmentální vzdělávání, výchova a osvěta

přesněji, přímé využití sluneční energie je demonstrováno na třech modelech:

• fotovoltaický panel,
• sluneční kolektor,
• Trombeho stěna.

1. Fotovoltaický panel

Teorie

Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová součástka schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Na rozdíl od fotočlánků může dodávat elektrický proud.

Velká část dnes používaných článků je vyráběná z monokrystalického (případně polykrystalického) dopovaného P křemíku. Polykrystalické křemíkové ingoty se vyrábějí se čtvercovým průřezem, vhodným pro výrobu solárních článků. Kulaté monokrystalické ingoty se často ořezávají na pseudočtvercový průřez, aby byla lépe využitá plocha solárních panelů. Ingoty se rozřežou na tenké destičky (maximálně 1/3 mm). Na těch se pak vytvoří leptáním textura (destička zmatní a lépe pohlcuje světlo). Destička se poté dopuje fosforem, čímž se vytvoří polovodivý P-N přechod, vybaví se antireflexní vrstvou nitridu (článek získá tmavě modrou barvu), a vodivou pastou se sítotiskem vyrobí metalizace na zadní i přední straně. Poté se článek vypálí (sintruje) – vytvoří se vodivé propojení metalizace s křemíkem.

Hotové články se spojují do série (a/nebo paralelně) pájenými plochými kovovými pásky a montují se do fotovoltaických panelů.
Ve fotovoltaickém článku lze na elektřinu přeměnit teoreticky maximálně padesát procent dopadajícího světla. Prakticky se dosahuje účinnosti asi patnáct procent u průmyslově vyráběných článků. U experimentálních laboratorně vyráběných článků se dosahuje účinnosti až třicet procent.
U současných tenkovrstvých článků dosahuje účinnost přibližně 8-9 procent, časem se však snižuje mnohem rychleji, než u tlustovrstvých článků. V roce 2006 Národní laboratoř pro obnovitelnou energii (USA) představila články využívající trojnásobné přechody s efektivitou až 40,7%.
(zdroj: Wikipedia.org)

Praxe

Popis obrázku

V horní části střechy se nachází fotovoltaický panel, pod ním je luxmetr s čidle. Vpravo na podstavci je stejnosměrný elektromotor s vrtulí, připojený k panelu přes ampérmetr – vlevo od motoru. Vpravo dole je voltmetr, měřící celkové napětí na panelu.

Experimenty

1. Závislost intenzity osvětlení na vzdálenosti světelného zdroje.
   Sestrojení grafu(E[lx]/l[m]),
   kde E – osvětlenost, l – vzdálenost od zdroje světla.

2. Závislost výstupního napětí fotovoltaického panelu na intenzitě osvětlení.
   Sestrojení grafu(U[V]/E[lx]),
   kde U – napětí na panelu, E – osvětlenost.
   Možno měřit bez zátěže panelu.

3. Účinnost přeměny světelného záření na elektrickou energii.
   Výstupní výkon panelu: P_výst[W] = U[V].I[A],
   kde P_výst – výkon, U – el. napětí panelu, I – el. proud v obvodu.
   Vstupní příkon: P_vst[W] = S[m²].E[lx]/683,
   kde P_vst – příkon, S – aktivní plocha panelu, E – osvětlení,
   1/683 – přibližný převodní vztah [lx] -> [W].
   Účinnost: η[%]=(P_výst[W]/P_vst[W]).100
   Výsledné hodnoty pro různé hodnoty osvětlení vyneseme do grafu(η[%]/P_vst[W]).

2. Sluneční kolektor

Teorie

Sluneční kolektor je nejjednodušší (a nejlevnější) způsob, jak využít sluneční záření pro výrobu energie – tepla. Postavíme-li sluneční kolektor do cesty slunečním paprskům, dojde na absorpční ploše kolektoru k přeměně slunečního záření v teplo, které je odvedeno pomocí čerpadla (případně samotíží) k dalšímu využití (ohřev TUV, přitápění i ohřev vody v bazénu).
Účinnost továrně vyráběných kolektorů se pohybuje kolem hodnoty 95%. U podomácku vyrobených kolektorů se můžeme dostat přes hranici 80%, při minimálních nákladech.
Důležité je naplánovat si, co s přebytkem tepla v letních měsících.
Náš demonstrační model má účinnost okolo 15%, což je dostačující pro demonstraci děje a zároveň je zachována maximální názornost.

Praxe

Popis obrázků

Obr. 1 – v dolní části střechy je sluneční kolektor propojený hadicemi s expanzní nádobou, tak aby mohlo docházet k cirkulaci vody v systému samotíží. Nad kolektorem je umístěna sonda snímače osvětlení, měřící přístroj je umístěn na podstavci. Vlevo od podstavce jsou stopky pro měření rychlosti změn teploty ohřívané vody. Nad stopkami jsou umístěny multimetry nastavené na měření teploty. Levý měří teplotu prostředí, pravý teplotu vody. Zcela vlevo je odměrný válec a váha pro stanovení objemových a hmotnostních parametrů ohřevného systému.

Obr. 2 – detail konstrukce demonstračního kolektoru.

Experimenty

1. Tepelný výkon
   Měření je jen přibližné, protože nezohledňuje tepelné ztráty, ani tepelnou kapacitu celé soustavy.
   Ze známé hmotnosti vody v soustavě  a nárůstu teploty v čase dostáváme:
   P_výst[W]=m[kg].(t₁[°C]-t₀[°C]).c_H2O[J.kg^-1.K^-1]/t[s],
   kde P_výst – výkon, m – hmotnost vody, t₀, t₁ – počáteční a koncová teplota, c – měrná tepelná kapacita vody, t – čas.

2. Účinnost kolektoru – přesněji celé tepelné soustavy
   Výstupní výkon určíme stejně jako v předešlé úloze.
   Vstupní příkon: P_vst[W] = S[m²].E[lx]/683,
   kde P_vst – příkon, S – aktivní plocha panelu, E – osvětlení,
   1/683 – přibližný převodní vztah [lx] -> [W].
   Účinnost: η[%]=(P_výst[W]/P_vst[W]).100

3. Trombeho stěna

Teorie

Absorbérem je celá jižní stěna domu, která je černá a matná, aby dobře pohlcovala sluneční záření. Před stěnou je sklo, obyčejné okenní tabule, zasazené do dřevěného (kovového) rámu. Chladný vzduch proudí otvorem dole při podlaze místnosti před zahřátou stěnu. Stykem se stěnou se ohřívá a stoupá nahoru. Nahoře u stropu místnosti je další otvor, kterým teplý vzduch vniká zpět do místnosti. Předává své teplo, ochladí se, klesne k podlaze a otvorem je znovu vyváděn mezi stěnu a sklo. Ohřívání probíhá samovolně (samotíží) a není potřeba žádných větráků. Pohlcené sluneční záření z části zahřívá vzduch, zbývající část se uchovává ve stěně jako teplo. Vyhřívání pokračuje od teplé stěny ještě celou noc. V létě by nám mohlo být v domku s Trombeho stěnou nepříjemně teplo. Proto se záklopkou uzavře otvor u stropu, tím se uvolní otvor ven. Horký vzduch stoupá a uniká otevřeným otvorem ven. Na jeho místo proudí do místnosti chladný vzduch otvorem v severní stěně. Severní stěna je ve stínu, často je u ní zahrada, kde je vzduch nejen chladný, ale i svěží. Dům s Trombeho stěnou se v létě nejen nepřehřívá, ale naopak je jednoduchým způsobem klimatizován.
(zdroj: www.energyweb.cz)

Praxe

Popis obrázků

Obr. 1 – severní stěna je opatřena vlevo dole otvorem. Ten je zimním provozu uzavřen (viz. snímek), v letním se odkrývá.
Obr. 2 – jižní stana v zimním provozu. Pod stěnou je čidlo luxmetru, vpravo od něj, multimetr s teplotním čidlem – měří teplotu vzduchu u horního otvoru. Vlevo multimetr s teplotním čidlem – měří teplotu vzduchu u spodního otvoru. V popředí obrázku jsou stopky pro sledování rychlosti změn sledované teploty.
Obr. 3 – přenastavení jižní stěny Trombeho stěny do letního provozu. Uzavřen horní otvor do místnosti, otevřen vnější otvor mimo dům. Na tomto otvoru je umístěn anemometr.
Obr. 4 – detail výstupního otvoru s anemometrem a posuvným měřidlem, pro kvantifikaci množství cirkulujícího vzduchu.

Experimenty

1. Tepelný výkon
   Měření je jen přibližné, protože nezohledňuje tepelné ztráty
   a tepelnou kapacitu celé soustavy.
   Ze známého objemu vzduchu v soustavě  a nárůstu teploty v čase dostáváme:
   P_výst[W]=
   V[m³].ρ_vzduch[kg.m^-3].(t₁[°C]-t₀[°C]).c_vzduch[J.kg^-1.K^-1]/t[s],
   kde P_výst – výkon, V – objem vzduchu, ρ – hustota vzduchu,
   t₀, t₁ – počáteční a koncová teplota vzduchu u spodního otvoru,
   c – měrná tepelná kapacita vzduchu, t – čas.
   Během měření je možno sestavit graf změny teploty vzduchu
   v čase – graf (t[°C]/t[s]).

2. Účinnost kolektoru – přesněji celé tepelné soustavy
   Výstupní výkon určíme stejně jako v předešlé úloze.
   Vstupní příkon: P_vst[W] = S[m²].E[lx]/683,
   kde P_vst – příkon, S – aktivní plocha stěny, E – osvětlení,
   1/683 – přibližný převodní vztah [lx] -> [W].
   Účinnost η[%]=(P_výst[W]/P_vst[W]).100

3. Závislost objemového průtoku vzduchu na intenzitě osvětlení při letním provozu
   Objemový průtok vzduchu: Q_V[m³.s^-1] = v[m.s^-1].π.r²[m],
   kde Q_V – objemový průtok, v – rychlost proudícího vzduchu,
   r – poloměr otvoru.
   Vynesení závislosti objemového průtoku Q_V na osvětlení E
   – graf(Q_V[m³.s^-1]/E[lx]).