Kolektory słoneczne zamiast w gla - Centrum Edukacji Nauczycielskiej

Kolektory słoneczne zamiast w gla
Gra yna Jaromi-Wolniakowska,
Krzysztof Kochan
Cele szczegółowe:
• udowodnienie pozytywnych oddziaływa wiatła słonecznego na organizmy ywe poprzez obserwacj wzrostu ro lin pod jego wpływem;
• wykazanie, e promieniowanie słoneczne powoduje nagrzewanie si substancji
(wody),
• poznanie zasady działania prostego modelu kolektora słonecznego,
• poznanie zastosowania kolektorów słonecznych do zmniejszenia zu ycia energii
elektrycznej,
• zrozumienie zwi zku przyczynowo-skutkowego mi dzy redukcj zu ycia energii
elektrycznej, a zmniejszeniem emisji CO2, SO2 i NOx wyemitowanych do atmosfery,
• udowodnienie wpływu kolektorów słonecznych na zmniejszenie niekorzystnych
zmian klimatycznych,
• zrozumienie, e stosowanie kolektorów słonecznych pozwoli na ograniczenie
szkodliwego dla rodowiska spalania w gla kamiennego, powoduj cego zanieczyszczenia atmosfery,
• wykazanie, e pory roku oraz kolor u ytych materiałów maj wpływ na sprawno kolektora słonecznego, co jest szczególnie istotne w naszych warunkach
klimatycznych.
Formy i metody pracy:
• frontalna praca całej klasy,
• praca w 4-6-osobowych grupach roboczych,
• eksperyment uczniowski,
• obserwacja,
• demonstracja,
• dyskusja z elementami pogadanki.
Czas trwania: sze tygodni.
Opis przebiegu eksperymentu:
1. Opis sytuacji problemowej.
Sło ce jest gwiazd , która zapocz tkowała wi kszo procesów, jakie zachodziły przez blisko 5 miliardów lat na naszej planecie. Ju Arystoteles okrelał ywioły maj ce wpływ na Ziemi . Nazwał je: ziemia, woda, powietrze i
ogie . Wszystkie procesy, jakie zachodz na Ziemi bior swój pocz tek od
przemian energii słonecznej, która dociera na nasz planet . Sło ce równie
miało i ma ogromny wpływ na nasz cywilizacj .
Energia promieniowania słonecznego jest absorbowana przez ro liny i
tej energii jest zmagazynoprzetwarzana w procesie fotosyntezy. Pewna cz
wana i mo e by dalej przekazywana w ła cuchach pokarmowych. Ma to fundamentalne znaczenie dla istnienia ycia na Ziemi.
Poło enie geograficzne Polski jest specyficzne. cieraj si tutaj dwa fronty atmosferyczne: atlantycki i kontynentalny. Na jesieni i na wiosn cz sto wyst puje du e zachmurzenie i zwi zane z nim opady deszczu. W zimie temperatury powietrza s niskie i wiej silne wiatry. Roczna g sto strumienia promieniowania słonecznego waha si w granicach 950-1250 kWh/m2. Najwi ksze
warto ci promieniowania słonecznego wyst puj nad Bałtykiem. rednie nasłonecznienie dla nadmorskich rejonów Polski wynosi 1600 godzin. 80% sumy
nasłonecznienia przypada na 6 miesi cy wiosenno-letnich, od pocz tku kwietnia do ko ca wrze nia. Latem sło ce grzeje 16 godzin dziennie, zim tylko 8.
Bior c pod uwag powy sze dane, mo na zada sobie pytanie, na ile sensowne i wydajne w naszych warunkach klimatycznych jest gospodarcze zastosowanie kolektorów słonecznych? W celu uzyskania wymiernej odpowiedzi
podj li my działania na rzecz budowy kolektora słonecznego w naszej szkole.
W ich efekcie w Zespole Szkół Nr 9 w Gdyni od 1999 roku działa instalacja
tego typu. Na jej przykładzie proponujemy wykorzystanie tego rozwi zania jako pilota owego i nowatorskiego nie tylko w sensie gospodarczoekonomicznym, ale równie edukacyjno-wychowawczym. W ubiegłym roku
szkolnym powstał cykl zaj dla uczniów klas szóstych, w czasie których mieli
oni okazj przyjrze si na własne oczy jakie znaczenie ma dla nas Sło ce i jakie jest działanie kolektora słonecznego.
2. Sformułowanie problemu.
Bior c pod uwag zło on natur procesów przemian energetycznych, jakim podlega promieniowanie słoneczne, wyró ni mo na nast puj ce ich rodzaje:
• fotochemiczna przemiana energii promieniowania słonecznego, prowadz ca
w procesie fotosyntezy do powstawania energii wi za chemicznych w komórkach ro linnych,
• fototermiczna przemiana energii promieniowania słonecznego w ciepło,
• fotowoltaniczna przemiana energii Sło ca w energi elektryczn .
Zu ycie energii elektrycznej w przeci tnym gospodarstwie domowym w
Polsce wynosi rednio 560 kWh na osob na rok. Produkcja tej energii w naszym kraju oparta jest na spalaniu w gla (97,5 %), a uzyskiwanie jej ze ródeł
odnawialnych innych ni spadek wody jest statystycznie pomijalne (dane z
1997 r.). Je li porównamy struktur zu ycia energii w Polsce ze redni struk
tur zu ycia energii na wiecie, to widzimy, e energetyka polska charakteryzuje si :
• dominacj paliw stałych,
• niskim udziałem paliw w glowodorowych,
• niskim udziałem energii ze ródełodnawialnych.
Cho z upływem czasu sytuacja poprawia si , to jest to proces niezwykle
powolny, a na dzie dzisiejszy jego efekty s nieznaczne.
Ciekawe i inspiruj ce w poznawaniu tych problemów jest zaplanowanie
takich do wiadcze , które b d obrazowały i wyja niały mo liwo ci wykorzystania energii Sło ca dla naszych potrzeb, a w szerszym kontek cie – jego
wpływ na nasze ycie i stan rodowiska naturalnego.
Liczymy na to, e podniesienie wiadomo ci dzieci i młodzie y w tym zakresie zaowocuje w przyszło ci nie tylko lepszym zrozumieniem problematyki
energetycznej, lecz równie wymiernymi działaniami zmierzaj cymi ku jej poprawie.
3. Hipotezy:
• energia słoneczna jest absorbowana i przetwarzana przez ro liny w procesie
fotosyntezy, co powoduje ich wzrost,
• promieniowanie słoneczne powoduje nagrzewanie si wody,
• zastosowanie kolektora słonecznego pozwoli na zmniejszenie zu ycia energii elektrycznej w szkole (gospodarstwie domowym),
• stosowanie kolektorów słonecznych pozwoli na wyeliminowanie szkodliwego dla rodowiska spalania w gla kamiennego powoduj cego zanieczyszczenia atmosfery,
• u ycie kolektora słonecznego pozwoli na zredukowanie ilo ci emisji CO2,
SO2 i NOx wyemitowanych do atmosfery, a co za tym idzie zahamowanie
niekorzystnych zmian klimatycznych,
• kolor u ytych materiałów ma wpływ na sprawno kolektora słonecznego,
• pory roku wpływaj na sprawno kolektora słonecznego.
4. Propozycja działa weryfikuj cych:
Zaplanowa do wiadczenie obrazuj ce proces pochłaniania i przetwarzania
energii słonecznej przez ro liny.
Opis do wiadczenia:
Do akwarium nalewamy wod z kranu, wkładamy do niej okazy rz sy
wodnej i cało wystawiamy na intensywne działanie wiatła słonecznego.
Bli niaczy zestaw kontrolny ustawiamy na półce szafki, któr szczelnie zamykamy. Obserwacje prowadzimy przez 4 tygodnie. Powinni my zna ilo
ro lin, które znalazły si w wodzie na pocz tku eksperymentu. Mo na o to
zadba w ten sposób, e w momencie zakładania hodowli uczniowie do
kładnie policz ilo listków rz sy wodnej. Prowadz c obserwacje, uczniowie raz w tygodniu dokonuj oblicze przyrostu rz sy. Na koniec
obliczaj jaki był całkowity przyrost liczby listków ro lin hodowanych „na
wietle słonecznym” w porównaniu do ro lin kontrolnych (trzymanych w
ciemno ci).
Zaprojektowa urz dzenie, które mo na wykorzysta do podgrzewania wody przy pomocy promieniowania słonecznego, tzw. „Słoneczny podgrzewacz wody”.
Opis do wiadczenia:
Uczniowie wykonuj zestaw, składaj cy si z dwóch sze ciennych kartonów, wstawionych jeden w drugi. Mi dzy ciankami obu sze cianów znajduje
si powietrze jako warstwa izolacyjna. Na wewn trznej stronie przykrywki
wi kszego kartonu przyklejamy zwierciadło, najlepiej przyci te na wymiar lustro. Mo na je zast pi foli aluminiow , uwa aj c, eby nie była ona pognieciona. Wewn trzne cianki mniejszego pudełka wyklejamy czarnym papierem i
wkładamy do niego czarny pojemnik z zimn wod . Nast pnie dokonujemy pomiaru jej temperatury i zapisujemy wynik. Wewn trzne pudełko przykrywamy
kawałkiem szyby lub przezroczyst płytk z pleksiglasu. W pogodny dzie
ustawiamy cały zestaw tak, aby promienie słoneczne odbijały si od warstwy
zwierciadlanej uchylonej przykrywki i przez szybk padały wprost na pojemnik
z wod . Przez kolejne dwie godziny dokonujemy korekty ustawienia zestawu,
dostosowuj c je do aktualnego poło enia Sło ca, nast pnie ponownie mierzymy
temperatur wody i obliczamy jej przyrost.
!
"
!
#
$
$
$
$
$
$
"
$
!
"
"
$
$
%
$
$
"
%
$
$
Uczniowie w grupach maj za zadanie wykonanie prostego kolektora słonecznego.
Opis do wiadczenia:
Z dwóch pudełek po filmach fotograficznych – jednego białego, drugiego czarnego wykonujemy modele kolektorów. Aby skupi promienie słoneczne w jednym miejscu mo na wykorzysta foli aluminiow do wykonania czaszy kolektora. Do pojemników wlewamy wod o okre lonej temperaturze. Przygotowany zestaw badawczy wystawiamy na działanie promieni
słonecznych. Po 2 godzinach mierzymy temperatur wody w obu pojemnikach. Notujemy przyrosty temperatury wody, zarówno w białym, jak i czarnym pojemniku, a nast pnie porównujemy je.
#
!
"
!
$
$
$
$
Uczniowie wiedz , e do podgrzania 1m3 wody od temperatury 5oC do 35oC
trzeba zu y około 30 kWh energii elektrycznej. Na tej podstawie dokonuj prostego obliczenia, ile mo na zaoszcz dzi energii elektrycznej w ci gu roku, stosuj c kolektor słoneczny. W tym celu uczniowie samodzielnie dokonuj szacunku ilo ci ciepłej wody, zu ywanej w skali roku w ich gospodarstwie domowym,
wykorzystuj c do tego celu bie ce rachunki za jej dostaw .
Uwaga:
"
"
!
"
$
!
"
"
$
Obliczenia poszczególnych uczniów mog si znacznie ró ni mi dzy sob .
Nie chodzi jednak o uzyskanie wielko ci bezwzgl dnych, tylko o ogólne przedstawienie skali zjawiska.
eby obliczenia były bardziej wymowne, prosimy uczniów o przeliczenie uzyskanych wyników na warto rachunku za energi elektryczn w złotówkach (licz c po aktualnej cenie rynkowej za 1 kWh).
&
'
(
*
)
'
&
'
+
*
)
'
&
&
Aby uzyska 1 kWh energii elektrycznej nale y spali 0,3 kg w gla.
Uczniowie dokonuj oblicze , w jakim stopniu ilo spalanego w gla ulegnie redukcji, gdy kolektor słoneczny, podobnie jak w powy szym zadaniu,
podgrzeje 1m3 wody. Konsekwentnie: o ile mniej w gla zu yłoby ich własne
gospodarstwo domowe w ci gu roku?
,
)
(
&
)
-
*
'
)
'
(
'
(
&
Spalanie w gla ma uci liwy skutek uboczny w postaci powstawania zanieczyszcze powietrza. Zakładamy, e instaluj c kolektor słoneczny o powierzchni 8m2 na dachu domku jednorodzinnego mo na obni y emisj
CO2, SO2 i NOx o 1 ton na ka dy rok pracy instalacji. Uczniowie obliczaj , o ile zmniejszy si emisja tych gazów do atmosfery, je eli tylko jeden
domek b dzie korzystał z kolektora przez 7 kolejnych lat (czas, jaki
uczniowie sp dzaj w szkole podstawowej, z „ zerówk ” wł cznie). O ile ton
szkodliwych gazów b dzie mniej, je li takich domków b dzie w Polsce tysi c, dwa tysi ce...
Uwaga:
Mo emy zleci uczniom okre lenie liczby domków jednorodzinnych w
okolicy szkoły i obliczenia odnie do tej ilo ci. Decyzja w tym zakresie zale y od wielko ci miejscowo ci lub dzielnicy, w której znajduje si szkoła
oraz charakteru okolicznej zabudowy.
Jaki wpływ mogłyby mie takie rozwi zania na ograniczenie globalnych skutków zanieczyszczania atmosfery, takich jak efekt cieplarniany i
dziura ozonowa?
,
'
&
(
-
(
&
(
'
&
(
)
'
(
'
(
'
'
&
&
'
&
*
&
(
)
*
*
(
*
)
*
*
'
)
,
&
'
&
Uczniowie próbuj ustali , jak o wietlony jest teren Polski w cyklu dobowym oraz w czasie rocznego obiegu Ziemi wokółSło ca.
Opis do wiadczenia:
W zaciemnionym pomieszczeniu ustawiamy na podłodze du y globus,
stoj cy w odległo ci 1-1,5 m od lampy symbolizuj cej Sło ce, która go
o wietla. Najpierw, obracaj c globusem uzmysławiamy uczniom zmienn
warto nat enia wiatła podczas całego obrotu Ziemi wokół własnej osi.
Potem jeden z uczniów przesuwa powoli globus po narysowanym wcze niej
okr gu, wyznaczaj cym orbit Ziemi. Pami taj c o zachowaniu stałego nachylenia osi obrotu globusa prosimy uczniów o wyja nienie ró nic w o wietleniu naszego kraju w ró nych poło eniach globusa w jego symulowanej
w drówce po orbicie. W ten sposób uczniowie ugruntowuj swoj wiedz
na temat zmiennej ilo ci energii słonecznej, docieraj cej do nas w zale no ci
&
)
*
-
.
(
&
*
&
*
-
&
*
)
'
(
&
*
*
'
&
'
'
&
*
(
(
'
&
*
*
(
&
&
'
(
*
od pory roku. W aspekcie dokonanych obserwacji porównuj szeroko
geograficzn naszego kraju ze stref równikow . Na zako czenie dokonuj
analogicznego porównania w stosunku do strefy podbiegunowej.
/
/
/
/
0
2
1
/
5. Interpretacja wyników.
Liczba listków rz sy wodnej hodowanej w sło cu wzrasta wraz z upływem czasu. Listki tej samej ro liny, przetrzymywanej bez dopływu wiatła nie tylko nie
rozwijaj si , lecz ółkn i zamieraj .
Wniosek:
wiatło słoneczne ma pozytywny wpływ na wzrost i rozwój ro lin zielonych.
3
4
2
0
/
4
0
5
/
/
6
0
Temperatura wody poddanej intensywnemu promieniowaniu słonecznemu
znacznie wzrasta, pod warunkiem wzgl dnej jej izolacji od otoczenia.
Wniosek:
Promieniowanie słoneczne „ niesie” ze sob znaczne ilo ci energii cieplnej,
któr mo na byłoby jako wykorzysta . Mo na stwierdzi , e dobrym „ odbiornikiem” tej energii jest woda.
3
4
/
/
5
0
1
0
5
1
5
Przy u yciu ogólnodost pnych materiałów mo na zbudowa działaj cy model
kolektora słonecznego, przy czym wa ny jest sposób ekspozycji na wiatło i kolor u ytych pojemniczków.
Wniosek:
Zasada działania kolektora słonecznego jest do prosta i na pewno mo na
takie rozwi zanie wykorzysta na skal gospodarcz . Kolor u ytych materiałów
ma wpływ na skuteczno urz dzenia: im barwa ciemniejsza, tym sprawno instalacji wi ksza.
3
5
4
5
1
/
5
0
5
0
/
1
0
1
4
1
5
/
5
/
0
1
4
Co prawda ilo ci energii elektrycznej, zu ywanej w przeci tnym gospodarstwie
domowym i zwi zane z tym koszty nie wydaj si du e, jednak w skali dłu szego czasu staj si znaczne.
Wniosek:
Poprzez zainstalowanie kolektora słonecznego mo na uzyska wymierne
korzy ci w postaci oszcz dno ci energii elektrycznej, a co za tym idzie – pieni dzy.
3
0
5
4
/
/
/
4
5
5
4
5
0
4
1
0
4
Woda w wi kszo ci gospodarstw domowych w Polsce podgrzewana jest
bezpo rednio lub po rednio poprzez spalanie w gla. Jednak wcale nie musi
tak by .
Wniosek:
Mo na uzyska znaczne oszcz dno ci w zu yciu w gla jako ródła energii,
je li kotły c.o. zast pi si kolektorami słonecznymi.
3
4
0
0
0
4
1
5
0
3
/
1
4
0
5
4
7
4
Ka dy kilogram spalonego w kotłowni w gla powoduje powstawanie okre lonych ilo ci szkodliwych gazów i pyłów, które ulatniaj si do atmosfery. Wyni5
4
0
0
/
4
kiem ich obecno ci w powietrzu jest zaistnienie takich niekorzystnych zjawisk o
zasi gu globalnym jak efekt cieplarniany lub dziura ozonowa.
Wniosek:
Mo na uzyska znaczne oszcz dno ci w zu yciu w gla jako ródła
energii, je li kotły c.o. zast pi si kolektorami słonecznymi.
8
9
:
;
8
9
=
9
8
:
9
<
Ka dy kilogram spalonego w kotłowni w gla powoduje powstawanie okre lonych ilo ci szkodliwych gazów i pyłów, które ulatniaj si do atmosfery. Wynikiem ich obecno ci w powietrzu jest zaistnienie takich niekorzystnych zjawisk o
zasi gu globalnym jak efekt cieplarniany lub dziura ozonowa.
Wniosek:
Poprzez coraz powszechniejsze stosowanie takich rozwi za jak kolektory
słoneczne przyczyniamy si w po redni sposób do obni enia emisji szkodliwych
gazów. Zgodnie z zasad „ my l globalnie, działaj lokalnie” , mo e to przynie
zbawienny efekt w postaci zahamowania bardzo niebezpiecznych zagro e ekologicznych współczesnego wiata.
>
?
@
A
A
B
@
A
@
B
@
A
B
C
?
A
?
A
?
D
C
A
W naszych warunkach klimatycznych kolektory słoneczne maj pewne wady,
których nie da si unikn . Nale do nich zmienna koncentracja i niezbyt wysokie nat enie nasłonecznienia, osłabiane dodatkowo przez rozpraszanie promieniowania na warstwach chmur.
Wniosek:
Konstruuj c i buduj c instalacje do pozyskiwania energii cieplnej pochodz cej ze Sło ca, trzeba uwzgl dnia te niedogodno ci, stosuj c odpowiednie
rodki, materiały i instalacje wspomagaj ce.
>
B
@
@
B
D
?
B
?
B
B
B
C
@
D
A
A
B
B
6. Prezentacja wyników.
Na pocz tku realizacji całego cyklu eksperymentów uczniowie umieszczaj w
holu szkolnym własnor cznie wykonany du y plakat, na którym znajduje si
temat przedsi wzi cia, a pod nim postawione hipotezy.
Po zako czeniu bada obok plakatu pojawia si du y poster, który przedstawia
wizerunek Sło ca z wychodz cymi z niego promieniami. Poszczególne promienie ł cz si z odpowiednimi rubrykami, w których zamieszczane s wyniki
eksperymentów, obserwacji i wylicze . Ponadto ka da rubryka zawiera wnioski
i ewentualnie – komentarz. Poster ozdobiony jest zdj ciami wykonanymi podczas realizacji przedsi wzi cia.
Pod posterem uczniowie ustawiaj gablot , w której zamieszczaj :
- obydwa naczynia z hodowl rz sy wodnej,
- słoneczne podgrzewacze wody,
- modele kolektorów słonecznych, wykonane z pudełek po kliszach fotograficznych.
Wszystkie eksponaty wyposa one s w podpisy: co to jest, kto wykonał, do czego to słu y.
>
B
B
@
@
?
@
@
>
C
C
@
C
B
B
?
B
@
B
C
?
@
@
@
>
B
B
@
B
@
?
B
?
7. Uwagi:
Kolektor słoneczny nie jest konieczny do wykonania naszych bada .
C
Literatura:
Bedi E. – W kierunku odnawialnych ródeł energii, Polski Klub Ekologiczny 1996.
E
Foulds K. – Fizyka dla gimnazjum, Prószy ski i S-ka 2000.
Gerhart A. – Energia, Austriackie Towarzystwo Ochrony Przyrody 1994.
Lewandowski W.M., Bilicki Z., Kowalik P. – Konwencjonalne i odnawialne ródła
energii, Polski Klub Ekologiczny Okr g Wschodnio-Pomorski, Gda sk 1996.
Szpil Z. – Wykorzystanie energii słonecznej, „ Aura” 7/2000.
Tyralska-Wojtycza E. – Energia w Twoim domu, Regionalne Centrum Edukacji Ekologicznej, Kraków 1999.
Energia i jej zwi zki ze rodowiskiem, broszura dla nauczycieli, wydanie specjalne,
grudzie 1998.
„ Biuletyn Technologiczny 002” , Centrum Energii Odnawialnej, grudzie 1998.
Rezolucja Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej w sprawie wzrostu wykorzystania energii ze
ródeł odnawialnych 8 lipca 1999.
„ Zielony Region” – czasopismo wydane przez Fundacj Karkonosk , 1998
F
G
H
I
F
J
F
F
G
H
K