IZKORIŠČANJE SONČNE ENERGIJE - KopijaMarks, M.: Izkoriščanje sončne energije, Diplomsko delo, Fakulteta za naravoslovje in matematiko, 2012 II »Narava dela vedno v danih okoliščinah,

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

Oddelek za tehniko

DIPLOMSKO DELO

Marinka Marks

Maribor, 2012

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

Oddelek za tehniko

Diplomsko delo

IZKORIŠČANJE SONČNE ENERGIJE

Mentor: Študentka:

red. prof. dr. Boris Aberšek Marinka Marks

Maribor, 2012

Marks, M.: Izkoriščanje sončne energije, Diplomsko delo, Fakulteta za naravoslovje in matematiko, 2012

I

MENTORSTVO IN IZJAVA O MENTORSTVU

Diplomsko delo je nastalo na Fakulteti za naravoslovje in matematiko v Mariboru, oddelku za

tehniko, pod mentorstvom red. prof. dr. Borisa Aberška

IZJAVA O AVTORSTVU

Diplomsko delo je nastalo kot rezultat lastnega dela. Vsi privzeti podatki so citirani skladno z

mednarodnimi pravili o varovanju avtorskih pravic.

Marinka Marks


II

»Narava dela vedno v danih okoliščinah, ki so ji na voljo in kolikor mogoče, najlepše in

najboljše stvari«

(problemi, XVI, Aristotel, 384-322 pr.n.št.)

ZAHVALA

Rada bi se zahvalila svojemu mentorju red. prof. dr. Borisu Aberšku za strokovno svetovanje,

potrpežljivost in spodbudo pri nastajanju diplomskega dela.

Posebna zahvala staršem za vso podporo pri študiju. Hvala tudi tebi Andrej, ki me sprejemaš

takšno kot sem. V vseh mojih vzponih in padcih si verjel vame, me optimistično spodbujal ter

mi nesebično pomagal. Iskrena hvala tudi vsem ostalim, ki ste mi vsa ta leta stali ob strani.


III

POVZETEK

»Vsak dan poslušamo, da planet, ki smo ga dobili od naših prednikov v skrb ječi pod bremeni

okoljske brezbrižnosti. Pomembno je, da se ob tem zavemo, da bomo pozitivne premike pri

ohranjanju okolja dosegli le, če bo vsak od nas po svojih najboljših močeh spremenil način

razmišljanja ter sprejel naravi prijaznejši življenjski slog« [1].

Razvoj energije je brezmejen trud zagotoviti dostopno energijo skozi znanje, spretnost ter

konstrukcijo, s pridobivanjem energije iz primarnih virov in spreminjanjem v ustrezno

sekundarno energijo, kot sta elektrika in čistejša goriva. Oboje – kvantiteta (pridobivanje več

koristne energije) ter kvaliteta (bolj učinkovite preobrazbe v koristno energijo) sta v

prihodnjem razvoju zelo pomembni. Pri razvoju energetike je pričakovati velike spremembe

zaradi naraščajoče svetovne populacije, zahtevah po višjem standardu in zahtevah po

manjšem onesnaževanju ter zmanjševanju uporabe fosilnih goriv. Ker so potrebe prebivalcev

vsak dan večje, je na Zemlji problem na okoljskem, socialnem in ekonomskem področju, vse

dokler se bodo kot primarni vir za zadovoljevanje potreb po energiji uporabljali neobnovljivi

viri. Zato so vedenja in spoznanja o obnovljivih virih iz leta v leto večja.

Ravno zato želim v svoji diplomski nalogi predstavit uporabo sončne energije v industriji,

doma in v vzgojno izobraževalnem procesu. Predstavljena je zgradba Sonca, njegovo sevanje

ter uporaba sončne energije, ki jo delimo na aktivne in pasivne sisteme ter prednosti in

slabosti uporabe različnih solarnih sistemov.

Ključne besede: energija, obnovljivi viri energije, Sonce, sončno sevanje, izkoriščanje

sončne energije, sončna peč.


IV

ABSTRACT

»Every day we listen that the planet which we received from our ancestors in care, whimper

under the burden of environmental indifference. It is important that we become aware that we

will achieve positive progress only if each of us make every effort to change attitude and

accepted nature-friendly lifestyle« [1].

Development of energy is never ending efforts to provide accessible energy through

knowledge, skill and design, with the acquisition of energy from primary sources and it’s

modified in secondary energy such as electricity and cleaner fuels. Both - quantity

(acquisition of more valuable energy) and quality (more efficient transformation into valuable

energy) are in the future development very important. In the development of energy we expect

major breakthroughs changes because of the increasing world population, demands for higher

standards and requirements for smaller pollution and reduction of use of fossil fuels. Whereas

the needs of the population are increasing with every passing day, on the Earth is the problem

of the environmental, social and economic situation, as long as the primary source demand

using non-renewable resources for satisfying energy. Therefore, behaviour and knowledge of

renewable sources are from year to year higher.

That's why I want to present in my diploma the use of solar energy in industry, at home and in

the educational process. It is represented structure of the sun, sun’s radiation and the use of

solar energy, which is divided into low and high temperature systems and the advantages and

disadvantages of using a different solar system.

Key words: energy, renewable sources of energy, the Sun, solar radiation, use of solar

energy, solar oven.


II

KAZALO VSEBINE

1. UVOD ............................................................................................................................1

2. RAZLIČNI VIRI ENERGIJE ......................................................................................2

2.1 Neobnovljivi viri energije ..........................................................................................3

2.2 Obnovljivi viri energije ..............................................................................................3

2.3 Pomen in vloga obnovljivih virov energije v prihodnosti ............................................7

2.4 Oskrba z energijo iz obnovljivih virov energije ..........................................................8

3. SONCE IN SONČNA ENERGIJA ...............................................................................9

3.1 Zgradba sonca .......................................................................................................... 10

3.2 Energija sonca.......................................................................................................... 10

3.3 Globalne podnebne spremembe ................................................................................ 13

4. SONČNA ENERGIJA VČERAJ, DANES, JUTRI .................................................... 15

4.1 Izkoriščanje sončne energije skozi čas ...................................................................... 15

4.2 Izkoriščanje sončne energije za dobrobit človeštva ................................................... 17

4.3 Pogled v prihodnost ................................................................................................. 23

4.4 Hiše bodo same proizvajale energijo ........................................................................ 26

5. IZKORIŠČANJE SONČNE ENERGIJE DANES ..................................................... 28

5.1 Uporaba sončne energije ....................................................................................... 29

5.2 Fotovoltaika .......................................................................................................... 29

5.3 Visoko temperaturni sistemi .................................................................................. 33

5.3.1 Sončne elektrarne .................................................................................................. 35

5.3.2 Sončne elektrarne tudi na šolskih strehah ............................................................. 41

5.4 Nizkotemperaturni sistemi..................................................................................... 42

5.4.1. Elementi solarnih sistemov ................................................................................... 44

5.4.2 Pasivni solarni sistemi za naravno ogrevanje stavb ............................................... 51

5.4.3 Solarno ogrevanje zraka ....................................................................................... 54

5.4.4 Solarno hlajenje ................................................................................................... 60

5.4.5 Prva montažna plus energijska hiša v Sloveniji..................................................... 64


III

6. SONČNA ENERGIJA IN OSNOVNA ŠOLA ............................................................ 65

6.1 Učni pripomočki za prikaz sončne energije ........................................................... 66

6.2 Izdelava sončne peči pri pouku tehnike in tehnologije ........................................... 66

6.2.1 Učna priprava za izdelavo sončne peči pri pouku tehnike in tehnologije ................ 67

6.3 Tehniški dan na temo sončna energija ................................................................... 72

6.3.1 Učna priprava za tehnični dan ............................................................................... 72

7. ZAKLJUČEK .............................................................................................................. 81

8. LITERATURA IN INTERNETNI VIRI .................................................................... 82


IV

KAZALO SLIK: Slika 1: Električno energijo proizvajamo na velikih transformatorskih postajah .....................2

Slika 2: Plin in nafto pridobivamo s črpanjem iz globin Zemlje ..............................................3

Slika 3: Na Zemlji se s fotosintezo letno proizvede okoli 1011 ton organskih snovi ...............4

Slika 4: V hidroelektrarnah se potencialna energija vode pretvarja v električno energijo ........5

Slika 5: Vetrnica oddaja energijo kakor hitro doseže veter hitrost nekaj m/s ...........................6

Slika 6: Sončna energija ........................................................................................................6

Slika 7: Iz obnovljivih virov bi lahko zagotovili vso potrebno energijo ..................................7

Slika 8: Porast uporabe obnovljivih virov energije od leta 2010..............................................8

Slika 9: Satelitski posnetek Sonca .........................................................................................9

Slika 10: Zgradba Sonca....................................................................................................... 10

Slika 11: Komunikacijski satelit v vesolju ............................................................................ 11

Slika 12: Svetovna zaloga sončne energije ........................................................................... 12

Slika 13: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji ............................. 13

Slika 14: Učinek tople grede ................................................................................................ 14

Slika 15: Atmosfera ............................................................................................................. 15

Slika 16: Bivališča Indijancev .............................................................................................. 16

Slika 17: Buffon je izračunal, da bi Arhimed sovražnikovo ladjevje ..................................... 18

Slika 18: Sončna peč s aluminijastim reflektorjem ............................................................... 19

Slika 19: Naprava s koničnim reflektorjem........................................................................... 20

Slika 20: Eneasova sončna naprava ...................................................................................... 21

Slika 21: Začetek razvoja sodobnih sončnih sprejemnikov ................................................... 22

Slika 22: Vizija izkoriščanja sončne energije v EU do leta 2030........................................... 24

Slika 23: Poraba primarne energije v EU. ............................................................................. 25

Slika 24: Poraba električne energije na prebivalca ................................................................ 26

Slika 25: Lesena enodružinska nizkoenergijska hiša. ............................................................ 27

Slika 26: Pretvorba sončne energije v električno energijo ..................................................... 30

Slika 27: Monokristalni silicijev modul ............................................................................... 31

Slika 28: Polikristalni silicijev modul ................................................................................... 31

Slika 29: Amorfni silicijev modul. ....................................................................................... 32

Slika 30: Sončna peč ........................................................................................................... 34

Slika 31: Geometrijska zasnova Winstonove parabole .......................................................... 34

Slika 32: Sončna elektrarna .................................................................................................. 35


V

Slika 33: Parabolična korita ................................................................................................. 36

Slika 34: Linijski koncentratorji z enoosnim gibanjem ......................................................... 36

Slika 35: Največja sončna elektrarna na svetu v Kaliforniji .................................................. 37

Slika 36: Zasnova sprejemnikov v elektrarni s heliostati ..................................................... 37

Slika 37: Polje heliostatov .................................................................................................... 38

Slika 38: Stolp sončne elektrarne Solar Two ....................................................................... 38

Slika 39: Sončna elektrarna v Warner Springsu ................................................................... 39

Slika 40: Paraboloidna elektrarna ......................................................................................... 40

Slika 41: Metalurška sončna peč v Odeillo v Franciji .......................................................... 40

Slika 42: Sončna elektrarna na strehi OŠ Mislinja ................................................................ 41

Slika 43: Sončna elektrarna na strehi OŠ Duplek.................................................................. 42

Slika 44: Pasivna hiša .......................................................................................................... 43

Slika 45: Ploščati sončni kolektor.. ....................................................................................... 44

Slika 46: Vakuumski cevni vsestekleni kolektor ................................................................... 46

Slika 47: Vakuumski cevni sprejemnik ................................................................................ 47

Slika 48: Vakuumski cevni sprejemnik z direktnim pretokom. ............................................. 48

Slika 49: Vakuumski cevni kolektor po heat - pipe principu. ................................................ 49

Slika 50: Pasivni solarni sistem podjetja Lumar ................................................................... 52

Slika 51: Solarni sistem........................................................................................................ 54

Slika 52: Solarno ogrevanje zraka za prezračevanje ............................................................. 56

Slika 53: Kroženje zraka v prostoru ..................................................................................... 57

Slika 54: Sistem sprejemnika sončne energije z režami ........................................................ 57

Slika 55: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko ........................................................... 58

Slika 56: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in zanko za odvajanje ......................... 59

Slika 57: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in toplotnim izmenjevalnikom ............ 59

Slika 58: Shema ogrevalnega sistema s svežim zrakom ....................................................... 60

Slika 59: Shema sistema absorpcijskega hlajenja s sončno energijo. ..................................... 61

Slika 60: Shema absorpcijske hladilne naprave .................................................................... 62

Slika 61: Shema sušilnega hlajenja. ...................................................................................... 64

Slika 62: Montažna enodružinska pasivna hiša Lumar.......................................................... 65

Slika 63: Poenostavljena sončna peč .................................................................................... 66

Slika 64: Prikaz izdelave sončne peči .................................................................................. 71

Slika 65: Sestava sončne peči ............................................................................................... 76

Slika 66: Sestavna risba........................................................................................................ 77


VI

Slika 67: Delavniška risba 1 ................................................................................................. 78

Slika 68: Delavniška risba 2 ................................................................................................. 79

KAZALO TABEL:

Tabela 1: Delovni list 1: Vpišite temperaturne spremembe! ................................................. 71 Tabela 2: Delovni list 2: Vpišite temperaturne spremembe! ................................................. 76 Tabela 3: Tehnološki list ..................................................................................................... 80


1

1. Uvod

Energija. Je nepogrešljiv del našega vsakdana, tako samo po sebi umevna, da se večina nas

njene vpetosti praktično v sleherni trenutek življenja, niti ne zaveda. Čisto zares, ko se sredi

ledeno hladnega zimskega jutra zbudimo v prijetno topli sobi, ko sredi poletne vročine

zavijemo v osvežujoče klimatiziran lokal, ko nabiramo kilometre z avtomobilom, se pustimo

uspavati ob gledanju TV-ja, itd., kdo od nas in kolikokrat ob tem pomisli na energijo, ki je

potrebna, da smo opisanega lahko deležni? Najbrž nihče ali le redki. Pa bi morali saj večino

energije (ca. 65%), ki jo človeštvo porabi, v tem trenutku pridobimo z uporabo fosilnih goriv,

ki so velik onesnaževalec našega planeta, posledično uničevalec naše prihodnosti, predvsem

pa nas bi moralo skrbeti, da so njihove zaloge omejene.

Razmišljanje o zgornjih dejstvih je v meni spodbudilo razmišljanje o alternativnih virih

energije, torej o takih, ki so človeku prijazni, dostopni širši populaciji in predvsem v praktično

neomejeni količi. Jih imamo? Seveda. Sonce je naša »naravna elektrarna«, energija, ki jo

proizvaja in oddaja pa sončna energija. Naravnost fascinanten je podatek, da sonce v 3. urah

na naš planet pošlje toliko energije, kot ga vso človeštvo porabi v celem letu. Navdušena nad

tem dejstvom sem se odločila svojo raziskavo usmeriti predvsem v analizo oz. pregled

razpoložljivih možnosti za izkoriščanje sončne energije v vsakdanjem življenju. Tukaj imam

v mislih predvsem možnosti uporabe sončne energije pri ogrevanju in hlajenju bivalnih

stanovanjskih prostorov, pripravi ogrevane sanitarne vode zanje, s strokovnega vidika bi temu

lahko rekli nizkotemperaturno izkoriščanje sončne energije.

Uporaba sončne energije po eni strani prinaša praktično neomejene možnosti izkoriščanja po

drugi strani pa tudi določene težave, ki jih raziskovalci kakor tudi snovalci sistemov za

izkoriščanje sončne energije že od samega začetka razvoja te tehnologije poskušajo razrešiti.

Temeljna težava, pa ji recimo raje izziv, je npr. kako vso to energijo, ki jo proizvede sonce

ujeti in jo shraniti do trenutka, ko jo bomo potrebovali. Da bi razsežnosti tematike lahko lažje

razumeli bom v nadaljevanju najprej pojasnila temeljne značilnosti sonca in energije, ki jo

proizvede, v nadaljevanju opisala raziskave o sončni energiji in njeni uporabi od samega

začetka človeštva pa vse do danes, poudarek raziskave pa bo vsekakor na predstavitvi

razpoložljivih sončnih tehnologij kot jih poznamo in uporabljamo v tem trenutku ter kam nas

na tem področju pelje prihodnost.


2

2. Različni viri energije

Energijo uporabljamo vsak dan, obdaja nas v različnih oblikah, kot so svetloba, toplota in

elektrika. Tudi naše telo uporablja energijo za gibanje, dihanje, rast in razmišljanje, pri delu in

igranju. Dve najpogostejši obliki energije, ki ju uporabljamo, sta toplotna in električna

energija. Toplota je energija premikajočih se delcev v kateri koli snovi, hitrejši so ti delci,

toplejša je snov. Električna energija pa je energija elektronov, ki se gibljejo po vodniku, kot je

bakrena električna žica. Poleg toplotne in električne energije, uporabljamo še veliko drugih

oblik energije. Energija se lahko pretvori iz ene oblike v drugo. Ker je med proizvedeno

energijo in njeno končno porabo neka določena razdalja, potrebujemo prenašalca od izvira do

mesta, kjer je to potrebno. To naredimo s pomočjo transformatorjev v primeru električne

energije na sliki 1, po plinovodih ali v primeru nafte ali zemeljskega plina s cisternami.

Energija v vseh oblikah, se lahko enostavno skladišči ali prevaža. Svetlobe na primer, ni

mogoče neposredno shranjevati, pri tem jo je treba najprej pretvoriti v kako drugo obliko, kot

je kemična energija [2].

Slika 1: Električno energijo proizvajamo na velikih transformatorskih postajah, in jo

oddajamo potrošnikom na dolge razdalje s sistemom nadzemnih električnih vodov [2]


3

2.1 Neobnovljivi viri energije

Energijo sonca, ki se je v preteklem obdobju preko biomase akumulirala in se nahaja globoko

v plasteh Zemlje imenujemo fosilna goriva. To so neobnovljivi viri (plin, nafta, premog),

jedrska energija in energija kemičnih reakcij iz mineralnih virov. Večji del energije, ki jo

danes uporabljamo, izvira prav iz fosilnih goriv. Premog, nafta in naravni plin so fosilna

goriva, ki so nastala pred nekaj milijoni leti z izumiranjem rastlin in živali. Nahajajo se v

zemeljski notranjosti in so neobnovljivi vir energije (slika 2). Slabost neobnovljivih virov

energije je ta, da se hitro trošijo, povzročajo onesnaženost in druge negativne okoljske,

ekonomske in socialne učinke. Skupaj predstavljajo skoraj 65% od skupno proizvedene

energije [2].

Slika 2: Plin in nafto pridobivamo s črpanjem iz globin Zemlje, ko se

le ta porabi, traja več stoletij da se obnovi [2]

2.2 Obnovljivi viri energije

Obnovljivi viri energije pa so na drugi strani hitro nadomestljivi in so običajno na voljo v

neomejenih količinah. Obnovljivi viri energije vključujejo vse vire energije, ki zajemajo

naravne procese: sončno sevanje, veter, vodni tokovi (hidroenergija), fotosinteza, s katero

rastline gradijo biomaso, bibavica in zemeljski toplotni tokovi (geotermalna energija) [2].

Prihodnost je usmerjena predvsem v uporabo obnovljivih energetskih virov, kot so:

§ energija zemlje

§ energija biomase

§ energija vode

§ energija vetra

§ energija sonca


4

n Energija zemlje

Zemlja je skoraj neomejen stalen vir toplote. Uporabljata se dve tehnologiji: izraba obstoječih

termalnih vrelcev in črpanje toplote iz globin, iz vročih, nepropustnih skal. Toplota, shranjena

v zemeljski skorji, je temeljni izvor geotermalne energije in predstavlja veliko količino

energije (vrednosti okoli 1024 J). Ta energija se prenaša na površje s pomočjo vode. Nizka

poraba energije vključuje uporabo toplotnih črpalk v kombinirane sisteme za ogrevanje in

hlajenje objektov. S primernimi sistemskimi rešitvami je tako mogoče izkoriščati prednosti

toplotnih črpalk čez vse leto [3].

n Energija biomase

Biomasa se nanaša na kakršno koli obliko rastlinskega ali živalskega izvora. Sončno sevanje

se v stiku z atmosfero, na površini Zemlje spremeni v toplotno, kinetično (veter) in

potencialno energijo (akumulirana voda) ter preko procesa fotosinteze uskladišči v biomasi

[2].

Slika 3: Na Zemlji se s fotosintezo letno proizvede okoli 1011 ton organskih snovi [3]

Biomaso predstavljajo lesni ostanki, rastline, kmetijski ostanki, komunalni in industrijski

odpadki ter mokri organski odpadki za pridobivanje bioplina. Biomasa nastaja iz sončne

energije, ki se v obliki kemične energije shranjuje v organizmih rastlin in živali (slika 3). V

biomasi shranjena energija se lahko sprosti s neposrednim sežiganjem materiala. Energija iz


5

biomase se še vedno uporablja po vsem svetu, od kuhanja, ogrevanja do proizvodnje

električne energije [3].

n Energija vode

Energija vode je tretji največji vir električne energije v svetu, uporablja se predvsem za pogon

električnih generatorjev v jezovih hidroelektrarn na sliki 4. Potencialno energijo vode je

mogoče pretvoriti v uporabno obliko zaradi njenega gibanja, ki je posledica gravitacije. Reke

predstavljajo naravne možnosti za relativno lahko izkoriščanje vodne energije. S pomočjo

padca vode in njenega prostorninskega pretoka je mogoče na mestu samem neposredno

določati, koliko energije je mogoče proizvesti. Iz tega razloga so za postavitev vodnih

elektrarn zanimivi kraji, kjer je možno doseči ali velik padec, ali velik pretok. Hidroelektrarne

ne proizvajajo velikih emisij toplogrednih plinov, vendar pa imajo slab vpliv na okolje.

Rezervoarji pogosto uničijo velike površine gozdov in s tem življenjski prostor divjih živali,

jezovi poškodujejo sladkovodni ekosistem, s tem ko blokirajo pretok rib in drugih organizmov

[2][3].

Slika 4: V Hidroelektrarnah se potencialna energija vode pretvarja v električno energijo [3].

n Energija vetra

Energijo vetra uporabljajo ljudje že nekaj tisoč let, najprej so ga uporabljali za prevoze ladij

čez oceane in kasneje za črpanje vode in mletje žita. Vetrno energijo lahko izkoristimo kot

čist in varen vir električne energije kar prikazuje slika 5. Vetrna energija se je izkazalo za

ekonomičen način električne energije. Iz vetrnice pridobljena energija je sorazmerna površini,

ki jo obsežejo lopatice, in tretji potenci hitrosti vetra [2][3].


6

Slika 5: Vetrnica oddaja energijo kakor hitro doseže veter hitrost nekaj m/s [3]

n Energija sonca

Že več milijard let sonce pošilja na Zemljo ogromne količine energije v različnih oblikah,

vključno s svetlobo, toploto, radijskimi valovi in rentgenskimi žarki. Kadar Zemlja kroži okoli

Sonca, prestreže zelo majhen del sončnega sevanja. Dejstvo je, da je sonce odličen vir dveh

najpomembnejših oblik energij, kot sta toplotna in električna energija.

Slika 6: Sončna energija se uporablja za ustvarjanje uporabne količine toplotne in električne

energije po vsem svetu [2]

Sončna energija pa postaja vse bolj priljubljena na oddaljenih nedostopnih mestih, kot so

telekomunikacijski stolpi, kmetijske površine (slika 6), v tropskih državah, ki niso priključena

na električno omrežje, za ogrevanje bazenov in številne druge površine po vsem svetu [2].


7

2.3 Pomen in vloga obnovljivih virov energije v prihodnosti

Obnovljivi viri energije, kot so biomasa, vodna, geotermalna, planetarna energija in veter, so

bili do začetka industrijske dobe sredi osemnajstega stoletja primarni energetski viri, s katerim

je človeštvo zadovoljevalo svoje potrebe po energiji. Sredi sedemdesetih let prejšnjega

stoletja, ob nastanku prve naftne krize, zasledimo prvo večje zanimanje za uporabo

obnovljivih virov energije z novimi tehnologijami (slika 7). Ob naraščanju porabe fosilnih

goriv je v zadnjih desetletjih v naravi opaziti spremembe, ki so bile značilne za desettisočletja,

kar lahko vidimo na. Danes vemo, da so te spremembe posledica prekomerne uporabe fosilnih

goriv in plinov, ki se sproščajo z njihovo uporabo. Z zmanjšanjem porabe in zamenjavo

fosilnih goriv z takšnimi, ki so okolju bolj prizanesljivi, je mogoče ohraniti naše okolje. S

uporabo obnovljivih virov energije v manj razvitih deželah, bodo lahko svoje potrebe po

energiji zadostile z lastnimi viri [4].

Slika 7: Iz obnovljivih virov bi lahko zagotovili vso potrebno energijo [4]

Neomejena trajnost in velik potencial sta glavni značilnosti obnovljivih virov energije. Slaba

značilnost obnovljivih virov pa je časovna spremenljivost energije in nizka gostota moči.

Razen v obliki biomase in toplote oceanov, energije ne moremo shraniti z naravnimi sistemi,

ki bi omogočali njeno rabo takrat, ko jo potrebujemo. Zaradi nizke gostote moči morajo biti

naprave pri enaki imenski moči precej večje od naprav v katerih uporabljamo fosilna in

jedrsko gorivo [4].


8

2.4 Oskrba z energijo iz obnovljivih virov energije

Obnovljive vire energije lahko uporabljamo za proizvodnjo toplote in električne energije.

Tehnologije za izrabo obnovljivih virov energije so različno razvite. Dolgoročno se bodo

obnovljivi viri energije, ob nadaljnjem razvoju tehnologij, dopolnjevali z neobnovljivimi viri,

ki jih uporabljamo danes. Razpoložljiva energija obnovljivih virov je 250-krat večja od

celotnih svetovnih potreb po energiji. Zato ni dvoma, da bo sončna energija v prihodnosti

predstavljala vedno večji delež in da bo v vedno večji meri nadomeščala fosilna goriva.

Uporaba solarnih sistemov za proizvodnjo toplote je eden izmed bolj razširjenih načinov

izkoriščanja obnovljivih virov energije. Na sliki 8 imamo prikazano, da bi lahko z obnovljivi

viri do leta 2050 zadostili celotnemu svetovnemu povpraševanju po energiji in povsem

nadomestili energijo iz fosilnih virov. Energija iz obnovljivih virov, kot sta na primer vetrna

ali sončna energija, naj bi do leta 2050 močno porasla, hkrati pa bi tehnološki napredek

povzročil bistveno znižanje stroškov uporabe obnovljivih virov energije [4].

Slika 8: Porast uporabe obnovljivih virov energije od leta 2010 [4]

Količina energije iz obnovljivih virov naj bi se do sredine stoletja povečala za od trikrat do

20-krat, kar pa ne velja za biomaso, pri kateri gre v največji meri za porabo lesa in dračja za

kuho ter ogrevanje v državah v razvoju. Leta 2008 je na svetovni ravni energija, proizvedena

iz obnovljivih virov, znašala 12,9 odstotka vse proizvedene energije. Največji delež 10,2

odstotka, je predstavljala biomasa, sledila je hidroenergija, vetrna energija, geotermalna,

sončna energija in energija, pridobljena iz oceanov. Ljudje smo postali vse preveč odvisni od

fosilnih goriv, cene letijo v nebo, onesnaževanje okolja pa je postalo velik svetovni problem.


9

Od vseh alternativnih virov energije je Sonce še najbolj obetaven vir energije, saj je energija

Sonca brezplačna in v neomejenih količinah. Zaradi teh ključnih razlogov, bo v prihodnosti

imela večjo perspektivo, kot katera koli druga vrsta energije, in zato se bom v nadaljevanju

osredotočila predvsem na energijo Sonca [4].

3. Sonce in sončna energija

Sonce je nam najbližja zvezda in je ogromna vrteča krogla žarečih plinov kar prikazuje slika

9. Energijska moč Sonca znaša 378 kvadriljonov kilovatov, večino te energije Sonce seva v

hladno vesolje, od tega 170 bilijonov kWh preide na Zemljo. Sonce in s tem vse Osončje je

nastalo pred 4,5 do 5,0 milijardami let iz velikanskega oblaka prahu in plinov. Energija Sonca

izhaja iz fuzije, pri kateri se vodikova jedra zlivajo v helij, pri tem se z oddano energijo

manjša masa z redom velikosti 5x109 kg vsako sekundo [7][8].

Slika 9: Satelitski posnetek Sonca [9]

Gostota svetlobnega toka Sonca znaša ob vstopu v atmosfero Zemlje, povprečno 1367 W/m2,

na površini zemlje pa znaša opoldne, ob jasnem vremenu in ob vpadu svetlobe pod pravim

kotom, okoli 1000 W/m2. Ob ostalih urah je vrednost manjša zaradi podaljšane poti po

atmosferi ob nižjih višinah Sonca in zaradi vpadnega kota, kadar vpadni kot sončnih žarkov ni

pravokoten. Vzrok za nadaljnje zmanjšanje sprejete sončne energije so oblaki [7][8].


10

3.1 Zgradba sonca

Sonce sestavlja vodik (73,5 %) in helij (24,9 %), sledovi kisika, ogljika in drugih elementov.

Sonce počasi pretvarja vodik v helij, pri tem pa se sproščajo različna valovanja, ki jih kot

toploto, svetlobo in različna žarčenja zaznamo na Zemlji. Sončeva površina ni gladka ampak

podobna brbotajočem kotlu žarečih plinov. Od časa do časa se z njegove površine odlepijo

loki (izbruhi). Preko več let se pojavljajo in izginevajo hladnejše temne lise (Sončeve pege),

ki nastanejo kot silnice magnetnega polja in prebadajo fotosfero. Sonce ogreva le tiste stvari,

ki vpijajo svetlobo. V samem središču Sonca je sredica, ki ima 15 milijonov stopinj Celzija.

Energija, ki se sprosti v sredici, prehaja skozi sevalno plast v konvektivno plast. Od tod vroči

plini privrejo na površje, kjer se ohladijo in potonejo. Energija doseže fotosfero, nato pa seva

navzven skozi Sončevo atmosfero. Zgradba sonca je prikazana na spodnji sliki [7][10].

Slika 10: Zgradba Sonca [11]

3.2 Energija sonca

Sonce je kot »večni« jedrski reaktor praktično neizčrpen vir obnovljive energĳe, kar pomeni,

da ko njegovo energijo, toploto in moč zbiramo, ga s tem ne izčrpavamo. Je čist in donosen

vir, ki nam lahko zagotovi pomemben del energĳe za naše potrebe. Del sončne energije, ki

pade na površino Sahare je tisočkrat večji od svetovne proizvodnje premoga. Zato naj bo cilj

izkoriščati to energĳo v največjem možnem obsegu. Sončno energĳo lahko uporabljamo za

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vodik

http://sl.wikipedia.org/wiki/Helij

http://sl.wikipedia.org/wiki/Kisik

http://sl.wikipedia.org/wiki/Ogljik

http://sl.wikipedia.org/wiki/Plin

http://sl.wikipedia.org/wiki/Son%C4%8Deva_pega

http://sl.wikipedia.org/wiki/Magnetno_polje

http://sl.wikipedia.org/wiki/Celzij

http://sl.wikipedia.org/wiki/Energija

http://sl.wikipedia.org/wiki/Fotosfera

http://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Atmosfera_nebesnega_telesa&action=edit&redlink=1


11

ogrevanje prostorov, vode, bazenov, za proizvodnjo elektrike za osvetljevanje in druge

porabnike. Da bi lahko sonce čim bolje izkoriščali moramo vedeti zakaj, kako in kje bomo to

energĳo pridobivali in uporabljali. Za razliko od konvencionalnih virov, ki jih uporabljamo, s

sončno energĳo nismo oskrbovani preko žic ali pipe. Je pa količina sončne energĳe odvisna

od letnega časa in prostora. Vedeti moramo koliko energĳe potrebujemo in koliko te energije

imamo na razpolago. Celotna letna energija, sprejeta s sevanjem, na površini zemlje, dosega v

povprečju 3000 kratno vrednost današnje svetovne rabe energije. Sončno energijo že stoletja

izrabljajo številni tradicionalni načini gradnje, v zadnjih desetletjih pa je zanimanje zanjo v

razvitih državah naraslo hkrati z zavedanjem o omejenosti drugih energetskih virov, kot so

fosilna goriva, ter njihovih vplivih na okolje. V okoljih, kjer drugih virov energije ni na voljo

– denimo oddaljeni kraji ali celo vesoljski prostor – se sončna energija že močno uporablja

[7][12].

Slika 11: Komunikacijski satelit v vesolju [12]

Komunikacijski sateliti na sliki 11 v vesolju že preko 45 let zbirajo sončno energijo s

sončnimi celicami in jo kot radio-frekvenčno energijo, v obliki sporočil, pošiljajo na Zemljo.

Sateliti nameščeni v geosinhroni orbiti, ki je oddaljena od planeta Zemlja okoli 36 tisoč

kilometrov, lahko dobijo neoviran dostop do sončne energije. Na sprejem sončne energije ne

vpliva vreme, letni časi, oblaki in podobni dejavniki, kar je izrazita prednost, saj lahko tako

proizvedemo od šest do osemkrat več uporabne energije, kot na tleh. [7][12].

http://sl.wikipedia.org/wiki/Fosilno_gorivo

http://sl.wikipedia.org/wiki/Okolje

http://sl.wikipedia.org/wiki/Vesolje


12

Raziskave so pokazale, če bi sončna svetloba obsijala območja označena s piko na sliki 12 bi

zadostovalo energije za cel svet. Na označenih mestih na zemljevidu, pri pravilni postavitvi,

bi imele sončne celice izkoristek pretvorbe le za 8%, kar pomeni, da bi proizvajale v

povprečju 18 TW električne energije. To je več, kot je skupna moč trenutno razpoložljive

primarne energije, vključno s premogom, nafto, plinom in jedrsko energijo. Barve kažejo

triletno povprečje sončnega obsevanja, vključno z nočmi in oblačnostjo [13].

Slika 12: Svetovna zaloga sončne energije [13]

Povprečno sončno obsevanje na kvadratni meter horizontalne površine je v Sloveniji večje od

1000 kWh/m2. Desetletno merjeno povprečje (1993-2003) letnega globalnega obsevanja je

med 1053 in 1389 kWh/m2 (slika 13), pri čemer polovica Slovenije prejme med 1153 in 1261

kWh/m2. Povprečno obsevanje poljubne nesenčene lokacije v Sloveniji ne odstopa veliko od

državnega povprečja, kljub temu pa lahko Slovenijo razdelimo na posamezna področja. V

osrednji Sloveniji znaša povprečno sončno obsevanje na horizontalno površino okoli 1195

kWh/m2, v severovzhodni Sloveniji in severni Dolenjski okoli 1236 kWh/m2, na Primorskem

in Goriškem pa presega vrednost 1300 kWh/m2. Večje vrednosti obsevanja (preko 1250

kWh/m2) lahko opazimo tudi v Posavskem hribov in na Kozjanskem [14][15].


13

Slika 13: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [15]

3.3 Globalne podnebne spremembe

S poenostavljeno energijsko bilanco lahko Zemlji določimo ekvivalentno temperaturo ozračja

na površju. To je ravnotežna temperatura, ki bi se vzpostavila na Zemlji, kadar Zemlja

absorbira del sončnega obsevanja, a istočasno tudi oddaja toploto s sevanjem v vesolje. Ob

upoštevanju ocene, da je odbojnost površja zemlje okoli 0,3 torej se na površju absorbira

70% sončnega obsevanja, ter da Zemlja seva kot optično črno telo, lahko ugotovimo, da je

ekvivalentna temperatura na površju 255 K (slika 14). Ker pa je povprečna temperatura

površja Zemlje okrog 288 K, morajo biti v atmosferi prisotni plini, ki zmanjšujejo izgube

toplote iz površja. Imenujemo jih toplogredni plini. Učinek tople grede je naraven pojav, ko

nekateri plini v atmosferi zadržujejo toploto, ki bi drugače ušla v vesolje. Zaradi tega so povprečne

temperature Zemljinega površja višje, kar je eden izmed razlogov, da se je na Zemlji razvilo tako

pestro življenje. Učinek tople grede je izraz za otoplitev zemljine površine in površja kot posledice

emisij toplogrednih plinov zaradi uporabe fosilnih goriv in drugih človekovih dejavnosti. Atmosfera

absorbira IR-sevanja, ki ga oddaja površina Zemlje potem ko je absorbirala pretežno kratkovalovne

(UV) sevanje Sonca. Atmosfera deluje kot toplotni izolacijski plašč. Učinek tople grede je prikazan na

sliki 16 [5]. Učinek tople grede je zelo pomemben. Ljudje ne bi mogli živeti na Zemlji, ker bi

bilo premrzlo, če ne bi bilo učinka tople grede. Toda, če se bo učinek tople grede povečeval,


14

se lahko Zemlja segreje več kot je običajno. Že komaj znatno povišanje temperature lahko

povzroči težave za ljudi, živali in rastline. Višja temperatura bi vplivala na topitev ledenikov,

kar bi povzročilo dvig gladine morja, spremenilo pa bi se tudi podnebje [4][5].

Slika 14: Učinek tople grede [5]

Slika 15 prikazuje, da so se klimatske razmere v zgodovini Zemlje močno spreminjale.

Ocenjujejo, da so se v zadnjih dveh milijonih let vsaj 20-krat izmenjale ledene in tople dobe.

Meritve vsebnosti CO2 v zračnih mehurčkih, ujetih v ledenikih v zadnjih 160.000 letih, so

jasno pokazale povezavo med vsebnostjo CO2 v atmosferi in temperaturo ozračja. Od začetka

industrijske revolucije ob konca 18. stoletja pa do danes, se vsebnost CO2 v ozračju nenehno

povečuje, tako da danes znaša že več kot 400 ppm. Vzporedno s povečano vsebnostjo

toplogrednih plinov v ozračju je narasla tudi temperatura ozračja, v zadnjih 100 letih za 0,3 do

0,6 K [4].


15

Slika 15: Atmosfera na Marsu je izredno redka, atmosfera na Veneri je 100 krat gostejša kot

na Zemlji, predvsem CO2 [4]

4. SONČNA ENERGIJA VČERAJ, DANES, JUTRI

Človek izkorišča sončno energijo od kar obstaja. Pred tisočletji so sonce na različnih koncih

sveta častili kot božanstvo, danes vemo, da je Sonce naša najbližja zvezda. Brez njega na

našem planetu ne bi bilo življenja, saj koristimo energijo Sonca vsak dan. Raziskave na

področju izkoriščanja sončne energije in poskusi, da bi ustvarili popoln solarni sistem, so bile

sprva namenjene pridobivanju energije za kuhanje hrane in proizvodnji pare za pogon strojev.

Z nastopom energetske krize v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, pa so se raziskave

usmerile na področje pridobivanja električne energije ter energije za ogrevanje prostorov in

sanitarne vode. V sedanjem času, ki ga imenujemo tudi atomsko obdobje, so energetske

potrebe človeštva ogromne. Človek se trudi poiskati nove vire energije in to takšne, ki jih

bodo lahko koristile tudi naslednje generacije. Številni strokovnjaki so enotnega mnenja, da v

naravi obstaja vir, ki nam ga že več milijonov let brezplačno pošilja Sonce [17].

4.1 Izkoriščanje sončne energije skozi čas

Človek izkorišča sončno toploto odkar obstaja. Sončno toploto so izkoriščali že v

Mezopotamiji in stari Grčiji. Napredne kulture pred 2000 leti in več, so znale oblikovati svoje

domove z mnogo toplotnega udobja z upoštevanjem naravnih procesov, veliko prej, preden so

jim to ponudila podjetja z drago tehnologijo. V preteklosti so že poznali eko – solarne hiše,

vendar grajene na drugačen način kot se gradijo danes. Naravnim razmeram prilagojene hiše


16

so v preteklosti rasle povsod po svetu zavoljo eksistenčnega prilagajanja naravi z gradivi iz

neposredne okolice. Poleg številnih domovanj v skalnih votlinah ali na kolih, najdemo tudi

bivališča Indijancev, ki so svoje domove vklesali v kamnite stene kot prikazuje slika 16.

Indijanci so že uporabljali pasivno sončno energijo. Hiše so bile zgrajene v pečinah ali na

hribih, tako, da so omogočale shranjevanje toplote čez dan in uporabo toplote ponoči.

Podobne kraje so odkrili v Afriki, poznamo tudi opečna mesta v Mezopotamiji in masivne na

pol vkopane hiše na Kitajskem, v Afriki in Arabskih državah ali pa značilne japonske lesene

hiše, dvignjene od tal, z drsnimi vrati in velikimi nadstreški, kar je za mokro in toplo podnebje

nadvse primerno. Tudi številne avtohtone hiše iz naših krajev premorejo pravo bogastvo

tehnike prilagajanja bioklimatskim razmeram [18].

Slika 16: Bivališča Indijancev, vklesana v južno kamnito steno v kraju Mesa

Verde v ZDA [18]

Že stari Egipčani so gradili stavbe, katere so omogočale zbiranje sončne energije čez dan. Ta

vrsta gradnje je omogočala ogrevanje hiš ponoči in hlajenje čez dan. Egipčani so uporabljali

sonce tudi kot del mumificiranja, pri čemer je sonce izsuševalo trupla. Uporabljali so pasivno

obliko sončne energije. Rimljani na drugi strani pa so že znali graditi hiše, ki so se ogrevale s

pomočjo sončne energije. Tak način ogrevanja so uporabljali predvsem v stavbah s kopelmi

[19].


17

4.2 Izkoriščanje sončne energije za dobrobit človeštva

V zgodovini je bilo kar nekaj poskusov izkoriščanja sončne energije. Zabeležena so Sokratovi

zapiski iz 5. stoletja pr.n.št. o gradnji solarne hiše, malo kasneje tudi Arhimedova uporaba

solarne energije v vojne namene. Arhimed, ki je živel v času Antike (287 - 212 p.n.št.), je bil

dober poznavalec moči Sonca. Leta 214 p.n.št., ko so Rimljani zavzeli Sirakuzo, je s pomočjo

ogledala in sončnih žarkov zažgal sovražnikovo ladjevje in s tem preprečil vdor Rimljanom

na njihovo ozemlje. Rimljani so napadli grško pristanišče, in ker Grki niso imeli pripravljene

obrambe so uporabili ogledala za koncentracijo sončne svetlobe, in povzročili vžig jadrnic.

Tako so Grki preprečili vdor in Rimljani so se umaknili. Skoraj 1800 let je moralo miniti od

Arhimeda, da so se raziskave z zbirnim zrcalom nadaljevale. Florentinci Averani in Targioni

so leta 1694 nadaljevali s poskusi, da bi z zbirnim zrcalom dosegli temperaturo, pri kateri bi

diamant izhlapel. Potrebno pa je kljub vsemu omeniti, da se tudi sedanje metode za zbiranje

sončne energije ne razlikujejo veliko od časov Arhimeda. Stekleni sončni zbiralniki so

najpogosteje uporabljeni element za zajemanje sončnih žarkov [19][20].

Nemški geometer Tschirnhaus, član Francoske akademije znanosti je skonstruiral zbirna

stekla s premerom 80cm in z njihovo pomočjo opazoval taljenje keramične mase. Orleanski

vojvoda je leta 1699 izdal ukaz, s katerim mu je Tschirnhaus iz Nemčije moral pripeljati

takšno zbirno zrcalo. Nato je njegov telesni zdravnik Homber s tem zrcalom izvajal prve

poskuse z zlatom in srebrom. Nekoliko let kasneje je Geoffroy nadaljeval s poskusi na železu,

kositru, bakru in živem srebru [20].

Francoski naravoslovec Buffon (leta 1707-1788) je leta 1747 izvedel poizkus z napravo, v

katero je lahko vstavil do 360 ravnih zrcal. Z drugo napravo, ki je bila sestavljena iz 168

ravnih zrcal, vsako je bilo veliko 15 x 15 cm, je na kraljevskem vrtu zažgal kos debla v

oddaljenosti 60 m (slika17). S to napravo je lahko talil svinec v razdalji 39 m. Na osnovi

svojih poskusov je izračunal, da bi Arhimed sovražnikovo ladjevje lahko zažgal v razdalji od

30 do 42 m [20].


18

Slika 17: Buffon je izračunal, da bi Arhimed sovražnikovo ladjevje lahko zažgal

v razdalji od 30 do 42 m [20]

Francoski fizik Pouillet je izračunal izsevano toploto s Sonca. Njegova vrednost je bila

približno za polovico manjša od dejanske, zaradi tega, ker velikosti absorpcije v ozračju v

tedanjem času še niso dobro poznali in so jo izmerili zadovoljivo. Pouillet je nepravilno ocenil

temperaturo površine Sonca na okoli 1800 °C. To vrednost je na 5430 °C leta 1879 popravil

Jožef Stefan [20].

Švicarski naravoslovec De Saussure (Ženeva, 1740-1799) je skonstruiral prvi tako imenovan

Sončni sprejemnik. Narejen je bil iz petih steklenih pol-kock, ki so bile razvrščene tako, da sta

bila dva sloja ravnih stekel vedno odmaknjena ena od drugega z vmesnim zračnim prostorom.

De Saussure je odkril, da vmesni zračni prostor med dvema stekloma znatno poveča toploto in

da z dodajanjem večjega števila steklenih slojev, toplote ne povišamo. Steklene polovične

kocke so bile postavljene na črno mizo, nad njimi pa je bil postavljen termometer, ki je sproti

kazal spremembo temperature. Termometer je pokazal najvišjo doseženo temperaturo zraka

okoli 87,5 o C. Ko je kasneje stekleno napravo s strani odkril in je bila izpostavljena

direktnemu soncu, se je temperatura dvignila od 110 pa vse do 160 o C. Kasneje so s to

napravo bili izvedeni še številni poskusi za kuhanje hrane [20].

Inženir Bessemer je leta 1868 skonstruiral sončno peč na sliki 18. Konkavno zrcalo je bilo

sestavljeno s stotimi posameznimi segmenti in s premerom treh metrov. V njegovem žarišču

se je topil baker, kositer pa se je spremenil v paro. Bessemer kljub vsemu z doseženimi

rezultati ni bil zadovoljen in ni nadaljeval v tej smeri. V približno istem času je fizik, Francoz

Callier napisal knjigo o izkoriščanju sončne energije. V njej so prikazani številni podatki o

http://sl.wikipedia.org/wiki/Toplota

http://sl.wikipedia.org/wiki/Sonce

http://sl.wikipedia.org/wiki/Absorpcija

http://sl.wikipedia.org/wiki/Ozra%C4%8Dje

http://sl.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://sl.wikipedia.org/wiki/Celzij

http://sl.wikipedia.org/wiki/1879

http://sl.wikipedia.org/wiki/Jo%C5%BEef_Stefan


19

tedanjem poznavanju sončne energije, žal pa v njih ni opisanih nobenih tehničnih podatkov

izvedenih eksperimentov [20].

Slika 18: Sončna peč s aluminijastim reflektorjem [20]

Potrebno pa je omeniti tudi številne in nenavadne poskuse dveh znanstvenikov Stocka in

Heinemanna. Žarišče sončnega sevanja sta prestavila v stekleno posodo, kjer je bil visok

vakuum. V njej se je nahajala substanca, ki jo je bilo potrebno ogreti in je bila položena v vrč

iz magnezija. Na razpolago sta imela samo eno plankonveksno stekleno lečo s premerom 80

cm z žariščno razdaljo 50 cm. S pomočjo vakuuma so se majhne poskusne količine silicija

raztopile v samo eni sekundi, baker in lito železo sta se raztalila v trenutku, medtem ko je

mangan v trenutku izparel [20].

Švedsko – ameriški izumitelj in strojni inženir Ericsson je od leta 1868 do 1886 uporabljal

cevni kotel, ki ga je z energijo napajalo konkavno zrcalo. S to napravo je Ericsson proizvajal

paro za pogon stroja moči okoli 3 kW in je bil večkrat predstavljen na številnih New Yorških

industrijskih razstavah. Ericsson je tako kot številni drugi učenjaki točno poznal toplotno

dinamiko, vendar o tem žal ni ničesar zapisal [20].

Francoski fizik Lavoisier, ustanovitelj znanstvene kemije in član francoske akademije, je

vključil v svoje raziskave tudi sončno energijo. Ob podpori tovarne stekla St. Gobain je

uporabljal votlo lečo s premerom 1,30 m in 3,20 m žariščne razdalje, ki je bila napolnjena z

vinsko kislino. Z napravo je dosegel temperaturo, za taljenje različnih kovin in taljenje platine

(1773 o C). Da je lahko zmanjšal žarišče je vstavil v napravo še drugo lečo s premerom 15 cm.


20

S tem je Lavoisier izvajal poizkuse delno z vakuumom in ugotovil, da so naprave na sončno

ogrevanje posebej primerne takrat, ko je potrebno imeti čist izvor toplote [20].

Mouchot, profesor fizike v Toursu, je začel leta 1860 delati tovrstne poizkuse in s podporo

Francoske države z njimi nadaljeval še nadaljnjih 20 let. Pri kuhanju je toploto dovajal

neposredno na hrano in pri tem opazil, da hrana prehaja v pusto vrenje. Deli hrane, do koder

ni prišel zrak so ostali nekuhani oziroma niso bili pečeni. Mouchot je kasneje skupaj s fizikom

Pifreom skonstruiral napravo na sliki 19 s koničnim jeklenim reflektorjem in z jeklenim

cevnim kotlom, ki je bil v fokusu steklen in prozoren. Ena od teh naprav, ki je bila priključena

tudi na parni in tiskarski stroj, je bila leta 1882 predstavljena na razstavi v parku Tuileries v

Parizu. Na tej napravi je Mouchot s pomočjo sončne energije tiskal časopis, »Le Soleil«.

Reflektor te naprave je bil sestavljen iz posrebrenih pločevinastih plošč. Naprava je narejena

po sistemu zglobov, da je lahko preko svoje osi sledila Soncu. Kotel s sončnim sprejemnikom

velikosti 3,8 m2 obsevane površine, je lahko izkoriščal 87 % razpoložljive energije. V Alžiriji,

kjer je bil stroj nameščen, so lahko v zimskem obdobju v samo eni uri proizvedli 3,1 kg pare.

S tem je parni stroj, ki ga je poganjal parni kotel dosegel moč okoli 2 kW. Tako so bili

izrabljeni samo trije odstotki sončne energije. Za tako slab izkoristek ni bil kriv način prenosa

toplotne energije, temveč sestava parnega stroja [20].

Slika 19: Naprava s koničnim reflektorjem [20]


21

Fizik Abbot je skonstruiral indirektno kuhalno napravo, v kateri je vročino najprej prejemala

tekočina in jo nato prenesla na pribor za kuhanje. Njegova kuhalna naprava je bila sestavljena

z reflektorji, ki so imeli površino 30 kvadratnih metrov. Sprejemniki so sončne žarke

prenašali na črno jekleno cev, ki je bila nameščena v žarišču sprejemnika. Cev je bila

napolnjena s tekočino, ki se je ogrevala in se nato prenašala v zbirnik. Da bi se zmanjšale

toplotne izgube na površini, je bila cev obdana z dvoslojno stekleno cevjo. Sprejemnik je bil

nameščen na horizontalni podstavek, da je bilo omogočeno spremljanje Sonca od severne do

južne smeri. Tako je bilo mogoče spremljati Sonce v posameznih letnih obdobjih. Sončni

sprejemnik se je lahko obračal proti Soncu. Pribor za kuhanje je moral biti nameščen nad

sprejemnikom, da se je omogočal prenos ogrete tekočine z naravnim obtokom, brez obtočne

črpalke [20].

Strojni inženir Eneas si je izmislil majhen sončni sprejemnik. En prototip tega sončnega

sprejemnika je bil nekaj časa v uporabi na gojišču nojev v Cawstonu pri Osadeni in drugi v

Arizoni za črpanje vode. Zrcalo na teh napravah je bilo sestavljeno iz posrebrenih steklenih

ploščic, ki so bile postavljene na površino notranje strani topega stožca, kar prikazuje slika 20.

Strani topega stožca so postavljene pod kotom 45o. Premer večjega konusa je bil 10 x 12

metrov. Spodnji del stožca je odprt, saj se tako zmanjšuje pritisk, ki ga ustvarja veter in so

toplotne izgube zaradi tega zanemarljive oziroma brez večjega učinka [20].

Slika 20: Eneasova sončna naprava [20]

Strojna inženirja Willsie in Boyle sta uporabljala koncem 19. stoletja prvo napravo v kateri sta

krožili dve topljivi tekočini. Sevanje je bilo zajeto v horizontalno postavljeno posodo, v kateri

je bila voda in je bila pokrita s steklom. V ceveh se je nahajal tekoči amonijak, eter ali


22

žveplov dioksid. Para ene od omenjenih tekočin je služila za pogon strojev. V končni

konstrukciji je imela posoda skupno površino okoli 300 m2. Temperatura vode je znašala

100oC. Toplota se je dovajala k tekočem žveplovem dioksidu. Pridobljena para pa je služila za

pogon strojev, ki je včasih dosegel tudi do približno 15 kW [20].

Fizik Romagnolij je sončno energijo uporabil za namakanje zemlje. Uporabil je kloretilski

motor, ki ga je gnala predhodno ogreta voda s pomočjo Sonca. Sončna naprava na sliki 21 je

bila postavljena pod kotom 55 o C [20].

Slika 21: Začetek razvoja sodobnih sončnih sprejemnikov segajo v petdeseta leta prejšnjega

stoletja [20]

V severnem delu Italije je zgodovinski pisatelj Plinij zgradil hišo, v kateri je v enem prostoru

uporabil okna izdelana iz silikatnih mineralov. V tem prostoru je hotel dokazat uporabnost

sončne energije za ogrevanje prostora, saj okna iz silikatnih mineralov vpijajo toploto, in jo

kasneje oddajajo. Količina toplote v tej sobi je prav tako zmanjšala količino lesa za

kurjavo[20].

Iz zapisanega je razvidno, da so v preteklosti raziskave s sončno energijo potekale zgolj v

iskanju načina za kuhanje. Nekoliko kasneje pa proizvodnji pare, s katero so lahko poganjali

parne stroje. 20. stoletje pa pomeni razmah zanimanja za izkoriščanje sončnega sevanja [20].


23

4.3 Pogled v prihodnost

V zadnjih desetletjih sta imela način življenja in vedno večja blaginja velik vpliv na

neobnovljive energetske vire, ter pri tem znatno spremenila njihove možnosti v prihodnosti.

Zaradi vse večjega povpraševanja po energiji, visokih cen nafte, negotove oskrbe z energijo in

groženj, povezanih z globalnim segrevanjem, smo se začeli zavedati, da energija ne more biti

več nekaj samoumevnega. Danes sončno energijo v EU uporablja razmeroma nizek delež

stanovanjskih zgradb, največ pa se je izkorišča za segrevanje sanitarne tople vode v

enodružinskih hišah. Vgradnja kombiniranih sistemov, ki omogočajo pripravo sanitarne tople

vode in podporo pri ogrevanju prostorov, pa je v porastu. Takšni sistemi lahko pokrivajo že

več kot 30 % vseh potreb po toploti v posamezni stanovanjski zgradbi. V EU se uporabljajo

večji centralni solarni ogrevalni sistemi za proizvodnjo sanitarne tople vode v

večstanovanjskih stavbah, hotelih, bolnišnicah in podobnih objektih. Nekaj večjih centralnih

solarnih ogrevalnih sistemov je namenjenih za ogrevanje naselij z velikimi sezonskimi

hranilniki toplote, ki se polnijo s toploto pridobljeno v poletnih mesecih [4] [21].

Čeprav so solarni sistemi že v veliki meri izpopolnjeni, je še potreben nadaljnji razvoj in

prilagajanje proizvodov, z množično uporabo pa se bo povečal tržni delež teh proizvodov,

posledično pa bodo cene solarnih sistemov nižje. Razvoj teh sistemov za uporabo na področju

hlajenja in ogrevanja do leta 2030 je realno dosegljiv cilj, kot prikazuje slika 22. V ta namen

so bile opravljene številne raziskave razvoja, industrijske rasti in trga. Solarni sistemi bodo v

prihodnje zasnovani popolnoma drugače. Sprejemniki sončne energije bodo vgrajeni skupaj z

sončnimi celicami, hranilniki toplote pa bodo omogočali shranjevanje toplote za več mesecev

vnaprej. Solarni sistemi bodo namenjeni za pripravo sanitarne tople vode ter kot podpora

ogrevanju in hlajenju stavb. Taki sistemi bodo zagotavljali visok nivo ugodja v objektih.

Predvideva se, da bo uporaba večjih solarnih sistemov za ogrevanje večstanovanjskih stavb,

hotelov, bolnišnic, strnjenih naselij ipd., vse bolj pomembna. V manjših mestih bodo imele

stavbe lasten solarni sistem, v velikih mestih pa bodo solarni sistemi integrirani v daljinske

sisteme centralnega ogrevanja. Solarni sistemi bodo lahko proizvajali toploto do temperature

250°C za uporabo v industriji. Uporaba tehnološkega potenciala mora biti zagotovljena s

strukturnim pristopom k raziskovanju in razvoju. Solarni sistemi morajo biti vključeni v

dejanskih procesih, instalacijah in zgradbah [4].


24

Slika 22: Vizija izkoriščanja sončne energije v EU do leta 2030 [4].

V novih zgradbah bo lahko sončna energija pokrivala 100% potreb po ogrevanju in hlajenju, v

obstoječih pa lahko centralni solarni ogrevalni sistemi pokrijejo med 50 in 100 % potreb po

toploti za ogrevanje. Potencial sončne energije je dandanes še težko izkoriščati v industrijski

procesih, vendar je pričakovati, da se bodo solarni sistemi precej spremenili in olajšali

uporabo za te namen. Ta točka preobrata bo nastopila takrat, ko bodo cene toplotne energije

pridobljene iz fosilnih goriv višje od cen toplote energije pridobljene s solarnimi sistemi. Do

leta 2005 je bilo v EU vgrajenih za približno 10 GW toplotne moči solarnih sistemov. Ta

kapaciteta bi se lahko do leta 2030 povečala na približno 200 GW. Slika 23 na prikazuje, da

se za ogrevanje in hlajenje stavb porabi približno 49% primarne energije v EU zato je

potrebno izvajati ukrepe, ki bodo zagotovili občutno znižanje potreb po toploti. Solarni

sistemi bodo v prihodnosti najpomembnejši energetski vir za ogrevanje in hlajenje novih ter

obstoječih objektov. Danes se sodobni objekti že gradijo tako, da so ogrevani izključno s

sončno energijo. Sončna energija je pomembna alternativa fosilnim gorivom in ima v

prihodnosti velik potencial [4].


25

Slika 23: Poraba primarne energije v EU [4].

Hiter razvoj civilizacije v zadnjih dveh stoletjih je bil mogoč zaradi intenzivne uporabe

fosilnih goriv. Z razvojem toplotnih strojev, ki lahko pretvarjajo kemično energijo goriv v

mehansko delo, pa je bilo človeštvu omogočeno, da je v enem samem stoletju tehnološko

obvladovalo cel svet. Razvoj je potekal neenakomerno. Razviti svet porabi 2/3 vse

uporabljene energije, čeprav predstavlja le nekaj 10 % prebivalstva [21].

Raba energije na prebivalca ni zadosten pokazatelj, kako pametno, varčno ravnamo z

energijo. Bolj nazorni kazalci so:

n intenzivnost rabe energije pove, koliko enot primarne energije rabimo za ustvarjanje

enote družbenega proizvoda na prebivalca neke države; manjša intenzivnost rabe

energije pomeni varčnejšo rabo energije,

n učinkovitost energetskih pretvorb pomeni, kako učinkovito pretvarjamo primarno

energijo iz različnih energijskih virov v oblike energij, ki jih potrebujemo za pogon

sistemov in naprav; pri tem ocenjujemo pretvorbe tako z energetskega, kot tudi

ekološkega vidika,

n stopnjo odvisnosti od uvožene energije, ki je ob sodobnem trgu samo navidezno

nepomembna, v resnici pa močno odvisna od geopolitičnih parametrov [4].

Bivalna površina na posameznega člana gospodinjstva se v zadnjem desetletju povečuje,

močno pa se je povečala tudi uporaba elektronskih naprav, kar bi posledično pomenilo velik

skok v porabi energije v gospodinjstvih (slika 24). Sočasno s povečevanjem uporabe

energetskih potrošnikov se povečuje tudi njihova energetska učinkovitost, predvsem na račun


26

boljše izolacije bivalnih prostorov ter boljše energetske učinkovitosti grelnih sistemov in

elektronskih naprav, zaradi česar je končna raba energije v evropskih gospodinjstvih relativno

stabilna [22].

Slika 24: Poraba električne energije na prebivalca in delež električne energije iz obnovljivih

virov energije v bruto porabi električne energije [22]

4.4 Hiše bodo same proizvajale energijo

Zahteve po varčevanju z energijo pospešujejo gradnjo stavb, ki za bivanje ne bodo

potrebovale dodatne energije. Lahko jo bodo celo ustvarjale z izboljšanimi klasičnimi

gradbenimi materiali ali z novimi, ki bodo imeli izjemne izolacijske lastnosti, ki bodo

omogočali gradnjo izredno varčnih stavb. Novi materiali, ki bodo temeljili predvsem na izrabi

sončne energije, pa bodo omogočali proizvodnjo energije, zlasti električne. Ker se zahteve po

porabi energije zelo povečujejo, bi morale biti hiše v prihodnosti energetsko pasivne (ne bodo

porabljale energije), obstajajo pa tudi že tako imenovane plus energijske hiše, ki energijo

okolju celo oddajajo. V Evropi je zgrajenih kar nekaj vasi, ki imajo pasivne hiše, nekaj pa jih

je zgrajenih tudi s tako imenovanimi plus hišami, ki električno energijo oddajajo v omrežje.

Gradnja pasivne hiše je v povprečju 20 odstotkov dražja od klasične, prihranki pa stroške

povrnejo v približno dveh letih. Slabost te gradnje pa je škatlasta oblika, saj so se graditelji v

želji, da bi bila energetsko čim manj potratna, izogibali večjih balkonov. S pomočjo novih

materialov, ki so zelo dobri izolatorji in so hkrati dovolj trdni, pa bo mogoča bolj razgibana

gradnja. Za pasivno gradnjo so najbolj primerni stanovanjski bloki, saj oblikovno niso

razgibani. Primer pasivne hiše je na spodnji sliki [22].


27

Slika 25: Lesena enodružinska nizkoenergijska hiša v Kranju (povečana izolacija, trislojna

zasteklitev, kontrolirano prezračevanje, toplotna črpalka) [23].

Novi materiali opravljajo izolacijo in preprečujejo uhajanje energije, temeljijo pa na

vakuumski izolaciji, pri čemer gre lahko tudi za klasične materiale, ki ne vsebujejo več plina

ali zraka, ki prinašata največje izgube. Danes se uporabljajo tudi materiali, ki zbirajo energijo.

Gre za snovi iz mikrogranul ali posebne voske. Ti imajo podobne lastnosti kot led, ki ohranja

temperaturo pri ničli, dokler se ne stali, pri čemer shrani 400-krat več toplote kot voda, ki je

že prešla tališče. Obstajajo že tudi materiali, ki imajo toplotno zmogljivost faznega prehoda iz

tekočega v trdno stanje in nazaj tudi štirinajstkrat večjo kot voda, ki je bila pred časom še

rekorder. Ti izenačujejo nihanje toplote v zgradbi, saj podnevi običajni materiali spuščajo

toploto v zgradbo in jo preveč segrejejo, ponoči pa se ta shladi. Z uporabo fazno

spremenljivih materialov pa te razlike odpravljajo za štiri do pet dni. Med zidake, v beton ali

v omete se vgradijo mikro- ali celo nanokroglice, ki vsebujejo materiale, ki se talijo ali

zmrzujejo denimo pri 22 stopinjah in nekaj dni vzdržujejo temperaturo na tej ravni, zlasti pa

so učinkovite pri velikih nihanjih med dnevno in nočno temperaturo. V svetu se vse bolj

usmerjajo v uporabo sončne energije, najbolj preprosto s pomočjo selektivno refleksijskih

materialov, ki selektivno odbijajo ali vsrkavajo toploto in so vgrajeni v okenska stekla. Ti

prepuščajo ultravijolično svetlobo in jo spreminjajo v toploto, pri čemer te ne spustijo več iz

zgradbe. V toplih krajih omogočajo oddajanje toplote, v prostor pa je ne spuščajo [22][23].


28

5. IZKORIŠČANJE SONČNE ENERGIJE DANES

Človek 21. stoletja mora biti pripravljen, da se ponovno uči od narave, da živi z naravo in da

skrbno uporablja naravne vire. Obnovljive vire lahko z različnimi napravami pretvorimo v

drugo oblike energije, ki jih potrebujemo v vsakdanjem življenju – toploto, svetlobo,

električno energijo, mehansko delo. Prednost uporabe obnovljivih virov energije se kaže v

pozitivnem učinku na podnebje, stabilnosti v dobavi energije ter dolgoročni gospodarski

koristi [24].

Evropska komisija ocenjuje, da bo doseganje zastavljenih ciljev v podnebno-energetskem

sistemu do leta 2020 pomenilo:

n zmanjšanje emisij CO2 v višini 600 do 900 milijonov ton letno;

n zmanjšanje porabe fosilnih goriv za 200 do 300 milijonov ton letno;

n zmanjšanje odvisnosti EU od uvoženih fosilnih goriv ter s tem povečanje stabilnosti

dobave energije v EU; n večje spodbude za razvoj visoko-tehnoloških industrij z novimi gospodarskimi

priložnostmi in delovnimi mesti [20].

Sonce velja kot najbolj perspektiven obnovljiv vir energije, narava pa zbiralnik energije, ki jo v

energijskem ciklu skrbno uporablja. Sončno energijo, ki prispe na zemljo pretvorimo v bolj

priročno obliko. Pretvorimo jo na več načinov in produktov. Običajno jo pretvorimo v

električno energijo ali pa toploto. Pretvorba v električno energijo poteka direktno ali

indirektno preko vmesnega sistema. Včasih pa si pomagamo tudi s sistemi zrcal, ki

skoncentrirajo žarke, jih pretvorimo v toploto, katero potem uporabimo za pogon turbin,

ogrevanje prostorov (zraka), vode ali bazenov. Sončno ogrevanje je lahko pasivno z uporabo

velikih oken, ki puščajo več svetlobe in toplote v prostor. Ali aktivno kadar uporabljamo

posebne naprave za distribucijo pridelane toplote. Pridobivanje temelji na izmenjavi toplote

med toplim (sonce) in hladnim telesom (sprejemnik). Vpadno sevanje poveča kinetično

energijo atomov in elektronov v snovi, torej poveča temperaturo sprejemnika. Temperaturna

razlika med sprejemnikom in okolico omogoča da celica deluje kot toplotni stroj in poganja

parno turbino, ki proizvaja elektriko [24][25].


29

5.1 Uporaba sončne energije

Sončna energija je neizčrpen vir energije, ki ga lahko izkoriščamo na tri načine:

n s solarnimi sistemi za ogrevanje in osvetljevanje prostorov - pasivna izraba; pomeni

uporabo primernih gradbenih elementov (okna, sončne stene, steklenjaki ipd) za

ogrevanje stavb, osvetljevanje in prezračevanje prostorov,

n s sončnimi kolektorji za pripravo tople vode in ogrevanje prostorov - aktivna izraba;

pomeni uporabo sončnih kolektorjev, v katerih se segreje voda za pripravo tople vode

in zrak za ogrevanje prostorov,

n s sončnimi celicami za proizvodnjo električne energije; to je pretvorba sončne energije

neposredno v električno energijo preko sončnih celic. Proces pretvorbe, imenovan

fotovoltaika, je zanesljiv in potrebuje le svetlobo kot edini vir energije [26].

Prednosti izkoriščanja sončne energije:

n proizvodnja električne energije iz fotovoltaičnih sistemov je okolju prijazna,

n izkoriščanje sončne energije ne onesnažuje okolja,

n proizvodnja in poraba sta na istem mestu,

n fotovoltaika omogoča oskrba z električno energijo odročnih področij in oddaljenih

naprav [25].

Slabosti izkoriščanja sončne energije:

n težave pri izkoriščanju sončne energije zaradi različnega sončnega obsevanja

posameznih lokacij,

n cena električne energije pridobljene iz sončne energije je veliko dražja od tiste

proizvedene iz tradicionalnih virov [25].

5.2 Fotovoltaika

Fotovoltaika je tehnologija pretvorbe sončne energije neposredno v električno energijo (slika

26). Proces je čist, zanesljiv in potrebuje le svetlobo kot edini vir energije. Proces pretvorbe

poteka preko sončnih celic, ki večinoma merijo 10x10 cm in generirajo približno 0,5V

enosmerne napetosti na sliki 26. Celice so povezane skupaj v module in naprej v še večje

površine, da dosežejo večje napetosti in moči. Njihova življenjska doba je 20 do 30 let [27].


30

Slika 26: Pretvorba sončne energije v električno energijo [27]

Obstaja več različnih vrst celic, ki jih ločimo glede na sestavo:

§ homogene, ki imajo čelno in osnovno ploščo iz istega polprevodniškega materiala

(večinoma Si)

§ heterogene, ki imajo čelno ploščo iz tanke kovine (npr. Al).

Glede na kristalno strukturo pa jih ločimo na:

§ monokristalne,

§ polkristalne

§ amorfne

n Monokristalne sončne celice Monokristalne silicijeve sončne celice, prikazane na sliki 27, se najpogosteje uporabljajo pri

fotovoltaičnih sistemih, ker imajo največji izkoristek med sončnimi celicami (ta znaša v

laboratoriju do 25 %, v serijski proizvodnji pa do 17,5 %) in dolgo življenjsko dobo (več kot

30 let). Zaradi infrardečega sevanja v elektromagnetnem spektru nima dovolj energije, da bi

ločil pozitivne in negativne naboje v materialu [28].


31

Slika 27: Monokristalni silicijev modul [30]

Monokristalna sončna celica z dimenzijo 100cm2 proizvede 1,5W moči pri 0,5V enosmerne

napetosti in toku 3A pri polni sončni svetlobi. Običajno je izhodna moč sončne celice odvisna

od sončnega obsevanja. Zelo pomembno je da je električna napetost konstantna ne glede na

sončno sevanje. Obratno je pa z električnim tokom, močnejša kot je osvetlitev sončne celice

močnejši je električni tok. Izdelane so iz čistega monokristalnega silicija, ki ga pridobivamo iz

raztaljenega kremenčevega peska pri temperaturi 1300 °C. Postopek izdelave je zahteven in

drag, saj zahteva čisto talino, natančno izdelavo in veliko energije [28][29].

n Polikristalne celice

Polikristalne silicijeve sončne celice, na sliki 28, imajo manjši izkoristek kakor monokristalne

(v laboratoriju do 21 %, v serijski proizvodnji pa do 15 %), vendar je njihova izdelava

cenejša. življenjska doba je približno enaka kot pri monokristalnih sončnih celicah [28][29].

Slika 28: Polikristalni silicijev modul [30]


32

n Amorfne sončne celice (celice s tanko solarno plastjo) Amorfne silicijeve sončne celice imajo precej slabši izkoristek (v laboratoriju do 12 %, v

serijski proizvodnji pa do 5 %), njihova življenjska doba traja do 10 let, vendar so proizvodni

stroški zanje precej nizki. So bolj občutljive na svetlobo in delujejo tudi v slabših vremenskih

pogojih. Večinoma jih uporabljamo za kalkulatorje, vrtne svetilke, polnilce navadnih baterij

ipd. Amorfna silicijeva sončna celica je prikazana na sliki 29 [28][29].

Slika 29: Amorfni silicijev modul [30]

Sončne celice iz galijevega arzenida (GaAs) se pogosto uporabljajo v vesoljski tehniki. So

nevarne za okolje, njihova učinkovitost pa znaša približno 25 %. Bakrov indijev diselenid

(CuInSe2 ali CIS) je tankoplasten material, ki je v laboratoriju dosegel stopnjo učinkovitosti

17 %. Razvoj tehnologije tega materiala je obetaven, vendar je za zdaj še veliko težav pri

njegovi izdelavi. Proizvodnja sončnih celic iz kadmijevega telurida (CdTe) je dokaj poceni

in bi lahko bila osnova za nizkocenovne fotonapetostne sisteme. Slabost te proizvodnje so

strupene surovine, učinkovitost takih celic v laboratoriju znaša 16 %, v serijski proizvodnji pa

približno 8 % [29][30].

n Princip delovanja sončnih celic: Fotoni sončne svetlobe zadevajo čelno ploščo polprevodnika, pri tem se absorbirajo in izbijejo

elektronske pare v osnovno ploščo oziroma drugo plast silicija. Elektroni zaradi notranjega

električnega polja ostanejo ločeni, ter tako povzročijo enosmerno električno napetost.

Električna energija se preko regulatorja shranjuje v akumulator za čas, ko je premalo svetlobe,

da bi solarni sistem še deloval. Ker večina električnih naprav potrebuje izmenično napetost,

moramo v sistem vezati tudi pretvornik, ki enosmerno napetost pretvori v izmenično. Foto-

napetostni sistemi se uporabljajo za gorske postojanke, prometno signalizacijo, v


33

gospodinjstvih, na satelitih, za telekomunikacije, za alarmne in signalizacijske naprave na

letališčih in pristaniščih [26].

5.3 Visoko temperaturni sistemi Visoko temperaturne sisteme za pretvarjanje sončnega sevanja uporabljamo takrat, ko

potrebujemo višje temperature nosilca toplote (nad 120°C). Visoke temperature dosežemo le

pri večji gostoti sončnega sevanja. Dosežemo jih z zgoščevanjem (koncentracijo) sončnega

sevanja z zrcali, ki odbijajo sončno sevanje na sprejemnik. Z njimi lahko proizvedemo visoke

temperature, za proizvodnjo električne energije. Gostota sončnega sevanja z uporabo sončnih

koncentratorjev znaša lahko tudi 15000 W/m2 [33].

Visoke temperature lahko dosežemo s koncentriranjem sončnega sevanja z različnimi

kombinacijami sistema:

§ z ravnimi zrcali in ravnim sprejemnikom

§ z ravnimi zrcali in točkovnim sprejemnikom ali heliostati

§ s paraboličnimi zrcali in linijskim sprejemnikom

§ s paraboličnimi zrcali in točkovnim koncentratorjem

§ s sestavljenimi koncentratorji - Winstonove parabole, Fresnelove leče

Takšni sistemi se uporabljajo predvsem za gospodarske namene (sončne elektrarne,

metalurške sončne peči, uparjalniki v procesni tehniki) ter v nekaterih gospodinjstvih sveta.

n Pečenje/kuhanje hrane s pomočjo sonca

Takšne pečice so izdelane v obliki zabojnika, s stranskimi lovilci oz. usmerjevalci sončnega

sevanja, ki koncentrirajo sevanje v sredini tega zabojnika, kamor postavimo posodo s hrano

(slika 30). S tem lahko dosežemo temperatura do 175°C, kar je kot nalašč za pripravo hrane in

celo peke kruha [33].


34

Slika 30: Sončna peč [30]

n Ravni sprejemniki sončne energije s sestavljenimi paraboličnimi zrcali

Sprejemniki sončne energije s sestavljenimi paraboličnimi zrcali so namenjeni segrevanju

tekočine do temperature 250°C in imajo koncentracijo C≤10. To so linijski koncentratorji.

Običajno so zrcala izdelana kot Winstonova Parabola (slika 31), ki omogoča, da naprave ni

potrebno premikati proti soncu. Zrcala z Winstonovo parabolo uvrščamo v skupino zrcal brez

žarišča, saj sprejemnik prestreže sočno sevanje pred žariščem [33].

Slika 31: Geometrijska zasnova Winstonove parabole [33]

Najbolj razširjene naprave z ravnimi sprejemniki in zrcali so t.i. Sydney sprejemniki. Za

sprejemnik uporabljajo vakuumsko stekleno cev. Zrcalo je oblikovano tako, da je sprejemnik

na notranji cevi osončen tudi po spodnjem delu oboda [33].


35

5.3.1 Sončne elektrarne

Sončno elektrarno (na sliki 32) sestavljajo polja različno oblikovanih koncentratorjev

sončnega obsevanja. Zato lahko pretvorijo v toploto le direktno sončno obsevanje.

Najučinkoviteje delujejo v področju 30° do 40° S in J zemljepisne širine, kjer je komponenta

direktnega obsevanja največja. V povprečju dosegajo 15% letne izkoristke, kar je dvakrat bolj

učinkovito in petkrat ceneje kot pri neposredni pretvorbi sončne energije v električno s

sončnimi celicami. Na m2 tlorisne površine elektrarne proizvedejo letno med 280 do 300

kWh. Glede na obliko koncentratorjev so sončne elektrarne opremljene s paraboličnimi koriti,

heliostati ali paraboličnimi zrcali [33].

Slika 32: Sončna elektrarna [30]

n Elektrarne s paraboličnimi koriti

Nosilec toplote se segreva v jeklenih ali steklenih ceveh, ki so nameščene v žarišču

paraboličnih korit, kot prikazuje slika 34. Stopnja zgoščevanja teh izvedb koncentratorjev je

med 40 in 80, temperatura nosilca toplote do 400°C [33].


36

Slika 33: Parabolična korita [27]

Koncentratorji sledijo soncu enoosno (z vrtenjem okoli vodoravne in navpične osi položaj

prilagajajo višini in azimutu sonca); ugotovili so, da je proizvedena toplota pri slednjih sicer

večja, vendar ne odtehta zahtevnejših pogonov in cevovodov. Zato pri večjih sončnih

elektrarnah uporabljamo predvsem linijske koncentratorje z enoosnim gibanjem na sliki 34

[33].

Slika 34: Linijski koncentratorji z enoosnim gibanjem [30]

Največja sončna elektrarna na svetu na sliki 35 deluje v Kaliforniji (ZDA). Zgrajena je v

puščavi Mojavo in poznana pod imenom Solar Electric Generating System (SEGS).

Elektrarna oskrbuje z elektriko okoli 300.000 prebivalcev Los Angelesa. Prva enota elektrarne

je bila zgrajena leta 1984. Polje koncentratorjev sestavlja 560 enoosnih vrtečih paraboličnih

korit s skupno površino 83.960m2. V jeklenih ceveh v žarišču se olje segreje na 400°C in v

prenosnikih toplote nato uparja vodo. Para poganja dvostopenjsko turbino. V letih 1989 in


37

1990 sta bili dograjeni še VII in IX stopnja, z močjo 354 MWe. Okoli 80% električne energije

elektrarna proizvede sočasno s konicami rabe elektrike in onesnaženosti zraka v južni

Kaliforniji. Zato v SEGS niso vgrajeni hranilniki toplote. Za zagotavljane nazivne moči

uporabljajo za dogorevanje zemeljski plin s katerim v povprečju proizvedejo 1/3 električne

energije sončne elektrarne SEGS [33].

Slika 35: Največja sončna elektrarna na svetu v Kaliforniji [30]

n Elektrarne s heliostati in sprejemnikom v stolpu

Veliko število ravnih zrcal odbija sončno obsevanje na sprejemnik, ki je nameščen na

visokem stolpu. Stopnja zgoščevanja C je do2000, temperatura nosilca toplote do 1500°C.

Zrcala so ravna, vsako od zrcal sledi soncu z dvoosnim gibanjem ki je posebej krmiljeno.

Imenujemo jih heliostati. Velika stopnja zgoščevanja omogoča, da se v sprejemniku na primer

voda kot delovno sredstvo v termodinamičnem procesu neposredno uparja in ekspandira v

večstopenjski turbini. Njihova zasnova je prikazana na sliki 36 [33].

Slika 36: Zasnova sprejemnikov v elektrarni s heliostati [33]


38

Slika 37: Polje heliostatov [30]

Med prvimi sončnimi elektrarnami s sprejemnikom v stolpu je leta 1981 začela z

obratovanjem elektrarna v Nioju. Leto kasneje v Kaliforniji (Barstow, ZDA) zgradili

elektrarno z močjo 10MWe. Zunanji sprejemnik je nameščen na 91 m visokem stolpu. Zrcal je

1818 s skupno površino 72.500m2. Kasneje so elektrarno preuredili v Solar Two (slika 38,

slika 39) z 61 m visokim stolpom. Nosilec toplote je bilo najprej olje, sedaj se uporablja

nitratna sol, s katero pri 560°C uparjajo vodo in paro vodijo v turbino, kjer ekspandira.

Dograjen je hranilnik toplote, ki zagotavlja, da elektrarna deluje do 3 ure po sončnem zahodu.

Da se sol ne strdi, je vse omrežje električno ogrevano [33].

Slika 38: Stolp sončne elektrarne Solar Two [30]


39

n Elektrarne s trorasežnimi paraboličnimi koncentratorji

Trorasežni parabolični koncentratorji zgostijo sončno sevanje v majhno točko v kateri je

nameščen sprejemnik v katerem se segreva nosilec toplote ali uparja voda. Stopnja

zgoščevanja sončnega sevanja je večja kot pri ostalih koncentratorjih in dosega vrednosti

3000°C. V žarišču je lahko nameščen Strilingov motor/generator, ki proizvaja električno

energijo s termodinamično zelo učinkovitim Stirlingovim procesom. V Warner Springsu

(ZDA, slika 39) deluje elektrarna Solarplant 1 s 700 trorasežnimi koncentratorji. Vsak

koncentrator s površino 43m2 sestavlja 24 paraboličnih zrcal s premerom 1,5m. zrcala so

izdelana iz polimernih membran in oblikovana s podlatkom v ohišju. V žarišču so nameščeni

sprejemniki v votlini, v katerih se uparja voda. 600 koncentratorjev je namenjenih uparjanju

vode, preostalih 100 pa pregrevanju pare. Nazivna moč generatorja električne energije je 4,9

MWe [33].

Slika 39: Sončna elektrarna v Warner Springsu [30]

n Paraboloidne elektrarne (sončne peči)

Sončna peč je sestavljena iz dvodimenzionalnega zavitega konkavnega ogledala. V njegovem

žarišču se zbirajo sončni žarki, ki dosežejo zelo visoke temperature. Naprave s skledasto

obliko paraboličnega ogledala s premerom od 7 do 17 m in v žarišču pritrjenim

sprejemnikom, s Stirlingovim motorjem dosežejo 10 do 50 kW. Pri stolpnih napravah, z enim

iz večjih polj sestavljenim konkavnim zrcalom, voda na vrhu stolpa, v točki žarišča, prične

izparevati in para požene turbino, enako kot pri konvencionalni elektrarni ter prične s

proizvodnjo električne energije. Na sliki 40 je prikazan shematski prikaz Paraboloidne

elektrarne [33].


40

Slika 40: Paraboloidna elektrarna [27]

S sončnimi koncentratorji lahko dosežemo višje temperature kot s katerimkoli fosilnim

gorivom. Poleg tega v zraku ni plinov in trdnih delcev, ki nastajajo pri gorenju. To

izkoriščamo pri izdelavi novih zlitin in obdelavi kovin pri visokih temperaturah in v čisti

atmosferi. Takšna sončna peč je na primer postavljena v kraju Odeillo v Franciji (slika 41). 63

ravnih zrcal odbija sončno sevanje v parabolično zrcalo s površino 2000 m2. Ta sončno

obsevanje zgosti v žarišče s površino 625 cm2, kjer je nameščena metalurška pečica. Gostota

sončnega sevanja je do 15 kW/cm2, pečica pa se segreje do temperature 4000°C [33].

Slika 41: Metalurška sončna peč v Odeillo v Franciji [30]


41

5.3.2. Sončne elektrarne tudi na šolskih strehah

Trajnostni razvoj, prehod v nizkoogljično družbo ter izobraževanje za učinkovito rabo

energije in izrabo obnovljivih virov energije je zagotovo prihodnost naše družbe. Ker bodo v

tej prihodnosti svet poganjali tudi tisti, ki so danes v šolah in vrtcih, je izobraževanje na tem

področju še kako pomembno. Tudi zato so se v podjetju Gorenje Solar lotili postavitve

sončnih elektrarn na strehah osnovnih šol, ob tem pa bodo poskrbeli tudi za izobraževanje

učencev o koriščenju sončne energije. Od 1. Septembra ima osnovna šola Mislinja (slika 42)

sončno elektrarno oz. kar dve. Prva ima moč 49,82 kWp, druga 47,705 kWp. Učenci Osnovne

šole Mislinja lahko spremljajo delovanje elektrarne kar na velikih zaslonih. Še močnejšo

sončno elektrarno pa je konec meseca dobila Osnovna šola Prevalje. Druga koroška osnovna

šola se lahko pohvali z elektrarno moči kar 264,375 kWp; tudi v tej šoli bodo učenci in

učenke delovanje elektrarne lahko spremljali na zaslonu, ki so ga postavili prav za namen

[34].

Slika 42: Sončna elektrarna na strehi OŠ Mislinja [34]

Tudi na osnovni šoli Duplek (slika 43) je podjetje Bisol v aprilu 2011 predalo 75 kWp sončno

elektrarno, ob čemer je takratni župan občine Duplek Janez Ribič opozoril predvsem na

pomembnost izrabe obnovljivih virov energije: »Še posebej sončne energije, ki na eni strani

pomeni manjše onesnaževanje okolja, na drugi strani pa zagotavlja precejšen del energije za

naše potrebe. Prav ti dejavniki so botrovali odločitvi občine Duplek, da postavi prvo sončno

elektrarno na svojem območju.« [34]


42

Slika 43: Sončna elektrarna na strehi OŠ Duplek [35]

Streho osnovne šole so družbi Bisol oddali v najem za obdobje 20 let. Elektrarna na njej bo

vsako leto predvidoma proizvedla 82,5 megavatnih ur električne energije, kar ustreza letni

porabi energije 20 gospodinjstev. Ekološka vrednost, 320 fotonapetostnih modulov, ki so

inštalirani na OŠ Duplek, se kaže v predvidenem letnem prihranku več kot 49 ton ogljikovega

dioksida. V izobraževalne namene je v šolski avli nameščen LCD predvajalnik, ki bo

učencem omogočal sprotno spremljanje delovanja sončnih elektrarn in tako poživil redni učni

proces [34].

5.4 Nizkotemperaturni sistemi

Pri nizkotemperaturnem izkoriščanju sončne energije izkoriščamo temperature med 25 –

120°C in govorimo o aktivnem in pasivnem izkoriščanju sončnega sevanja. Pasivno pomeni,

da lahko v energetsko varčnih stavbah pomemben del toplote zagotovimo z elementi za

nizkotemperaturno pretvarjanje sončnega sevanja. Imenujemo jih tudi elementi za naravno

ogrevanje stavb s soncem in jih lahko razvrstimo v štiri skupine, ki skupaj s stavbo tvorijo

sistem za naravno ogrevanje: okna, zastekljeni zidovi, stekleniki in fasadni prezračevalni

elementi. Pri večini teh naprav segrevamo neposredno zrak v stavbi. Za kroženje zraka in

prenos toplote izkoriščamo naravne zakonitosti (vzgonsko kroženje) in redkeje mehanske

naprave. Naprave za naravno ogrevanje stavb različno vplivajo na bivalno ugodje. Vplivajo

na osvetljenost, temperaturo, včasih pa tudi na kakovost zraka. Slika 44 prikazuje primer

energetsko varčne hiše [31].


43

Slika 44: Pasivna hiša [32]

Za učinkovito delovanje nizkotemperaturnih sistemov moramo pri arhitekturni zasnovi stavbe

upoštevati štiri osnovna načela:

n primerno razporeditev elementov za sprejem sončnega obsevanja,

n hranjenje toplote v gradbenih konstrukcijah,

n prenos toplote v stavbi in

n zaščita pred pregrevanjem.

Aktivni temperaturni sistemi pa so namenjeni so za segrevanje kapljevin, s katerimi

segrevamo sanitarno vodo, stavbe, naselja in bazene. Sprejemniki sončne energije pretvorijo

sončno sevanje v toploto, ki se nato prenese na medij nosilca toplote, ta pa toploto prenese v

hranilnik toplote, kjer se shrani do takrat, ko jo potrebujemo [31].

Delimo jih na:

n solarne sisteme za pripravo tople sanitarne vode,

n solarne sisteme za ogrevanje stavb,

n solarne sisteme za ogrevanje naselij,

n solarne sisteme za ogrevanje bazenov.


44

5.4.1. Elementi solarnih sistemov

Na trgu dobimo mnogo različnih tipov sprejemnikov, ki se razlikujejo tako po zgradbi,

tehničnih lastnostih kot po razmerju učinkovitost/cena. V nadaljevanju bomo poskusili

analizirati prednosti in pomanjkljivosti tistih vrst sončnih sprejemnikov, ki jih v največji meri

uporabljamo v Sloveniji. Osnovna naloga sprejemnikov sončne energije je pretvoriti sončno

sevanje v toploto in jo v cim večji meri predati nosilcu toplote, ki se pretaka skozi

sprejemnike sončne energije [26].

Glede na razvoj tehnologije razvrščamo sprejemnike v štiri generacije:

§ Ploščati sončni sprejemniki

§ Vakumski cevni vsestekleni sprejemniki – sistem ''cev v cevi''

§ U - cevni sončni sprejemniki

§ Vakumski cevni Heat Pipe sončni kolektorji s suhim toplotnim spojem

n Prva generacija: PLOŠČATI SONČNI SPREJEMNIKI Ker je to ena prvih tehnologij za izkoriščanje sončne energije, ki se uporablja že zelo dolgo,

so obstoječe instalacije ploščatih sončnih sprejemnikov še danes najštevilnejše. Večina tople

vode v gospodinjstvih po svetu, kjer uporabljajo sončno energijo, se segreje v takih

instalacijah. Ploščati sprejemnik na sliki 45 je običajno sestavljen iz bakrenih ali aluminijastih

cevi, prekritih z absorbersko ploščo - od tod tudi ime. Cevi so nameščene vzporedno po višini

ali širini in priključene na obeh koncih. Grelna tekočina v ceveh sprejema toploto preko

absorbcijske plošče. Ta je običajno prekrita s steklom nizke vsebnosti železa, kar omogoča

višjo prosojnost [26].

Slika 45: Ploščati sončni kolektor. [26].


45

Prednosti:

1. Ploščati sončni sprejemnik je enostavno izdelati, zato bi lahko bil poceni. Vendar tržne

cene v resnici ne kažejo napredka v to smer. Inštalaterji imajo s tem izdelkom že

dolgoletne izkušnje, zato je konfiguriranje in instalacija rutinsko opravilo, ki je v

mejah te tehnologije lahko kvalitetno opravljeno.

2. Ploščati sončni sprejemnik je lahko dokaj učinkovit, če so zagotovljeni ugodni

klimatski pogoji: zunanja temperatura vsaj 18°C in visoka stopnja osončenja. Zato v

krajih z obilo sonca in s toplim podnebjem skozi vse leto običajno predstavljajo

ustrezno alternativo. V takih razmerah (v Evropi takega podnebja ni) lahko dobro

zasnovan in izdelan sončni kolektor doseže vsaj 45-60 odstotno učinkovitost [26].

Glavne slabosti:

1. Zaradi omejitev, ki jih narekuje zasnova, ploščati sončni sprejemnik s pridobljeno

toploto slabo gospodari. Velik del se izgubi nazaj v okolico skozi stekleno ploščo in

izolacijo na zadnji strani ohišja. Zato ta vrsta sprejemnika slabo deluje v hladnih

obdobjih. Slika spodaj je posneta z infrardečo kamero in prikazuje, kako kolektor

razsipa toploto v okolico.

2. Namestitev ploščatega sprejemnika ni lahko opravilo. Zaradi precejšnje teže in ker ga

je na streho potrebno prenesti v enem kosu, pri tem dostikrat potrebujemo nekaj ljudi

ali celo dvigalo. Stroški instalacije so torej razmeroma visoki. Teža pogosto zahteva,

da pred instalacijo ojačimo strešno konstrukcijo, še posebej, če je nanj pritrjen

zbiralnik vode.

3. Zaradi velike toplotne mase je njihov toplotni odziv razmeroma počasen, zato v časih

interminentnega osončenja razpoložljive sončne energije niso zmožni dobro izkoristiti

oz. spremeniti v temperaturo uporabne višine [26].

n Druga generacija: VAKUUMSKI CEVNI VSESTEKLENI PREJEMNIKI

– SISTEM ''CEV V CEVI'' Vakuumski cevni vsestekleni sprejemnik (slika 46) je zgrajen na osnovi dveh koncentrično

nameščenih steklenih cevi, ki sta ena v drugi. V prostoru med njima je vakuum. Zunanja

površina notranje cevi je prekrita s toplotno absorbcijsko snovjo in vsebuje grelno tekočino.

Tekočina za prenos toplote se na ta način segreva razmeroma ekonomično, vakuumska

izolacija cevi pa zagotavlja majhne toplotne izgube [26].


46

Slika 46: Vakuumski cevni vsestekleni kolektor

Prednosti:

1. Enostaven za izdelavo, razmeroma ekonomičen

2. Ima višjo učinkovitost kot ploščati sprejemnik, ne glede na letni čas in klimatske

pogoje [26].

Glavne pomanjkljivosti:

1. Stekleni cevni vakuumski sprejemnik ne zdrži bistvenega nadtlaka, zato običajno ne

more delovati v sistemu zaprte zanke pri povišanih temperaturah grelne tekočine.

2. Iz istega razloga ne sme biti priključen neposredno na vodovodno napeljavo.

V ta namen mora biti sistem opremljen s pomožnim vodnim vsebnikom

(rezervoarjem), iz katerega se sprejemnik napaja po težnostnem principu. Izhodni tlak

torej ne presega težnosti, kar je komaj dovolj za spodobno prho.

3. Zaradi velike skupne toplotne mase sprejemnika in grelne tekočine se počasi odziva.

4. Zbrana sončna toplota mora potovati tudi skozi steno notranje steklene cevi, zaradi

slabe prevodnosti je izkoristek slabši kot pri sprejemnikih z enoslojnimi cevmi.

5. V pogojih visoke vsebnosti kalcija in drugih mineralov v vodovodnem omrežju se

bodo na tleh steklenih cevi nabirale usedline, ki bodo postopoma zmanjševale

učinkovitost naprave. Zaradi zaporedja strnjevanj in toplotnih raztezanj teh kamenih

oblog se lahko zgodi, da steklena cev poči.

6. Celoten sistem izpade iz delovanja, če ena cev poči ali če odpove obročno tesnilo [26].


47

n Tretja generacija: U-CEVNI SONČNI SPREJEMNIKI Ta vrsta naprav je različica vsesteklenega vakuumskega cevnega sprejemnika. Za absorbcijo

sončne energije še vedno uporablja princip dvojne steklene cevi z mnogimi slabostmi te

zasnove. Namesto grelne tekočine neposredno v notranji stekleni cevi ima ta vrsta naprav

kovinsko cev v obliki črke U, napolnjeno z grelno tekočino in vsajeno v notranjo stekleno

cev. Kovinska folija, ki je v toplotnem stiku s površino notranje steklene cevi in hkrati s

kovinsko U-cevjo, prenaša toploto s steklene stene na tekočino v U-cevi. Takšen sprejemnik

je prikazan na sliki 47 [26].

Slika 47: Vakuumski cevni sprejemnik [26]

Prednosti:

1. Razmeroma enostaven za izdelavo, razmeroma ekonomičen.

2. Ima višjo učinkovitost od ploščatega sprejemnika, ne glede na letni čas in klimatske

pogoje.

3. Prenese tlak vode iz javne napeljave in lahko deluje v sistemu zaprte zanke [26].

Glavne pomanjkljivosti:

1. Podobno kot ploščati sončni sprejemnik je neroden za montažo. Zaradi svoje teže

zahteva pri instalaciji najmanj dva delavca in veliko pazljivost pri montaži, ker se

številni spoji U-cevi med pregibanjem zlahka poškodujejo, kar privede do puščanja

tekočine.

2. Povezave U-cevi zahtevajo veliko varjenih spojev v glavi sprejemnika, zato

ugotavljanje poškodovanih mest in popravilo zahtevata veliko časa. Pogosto je bolje

zamenjati celo skupino U-cevi, tudi pri najmanjšem puščanju.


48

3. Ker je notranji premer U-cevi majhen, se v njih hitro nabirajo usedline, če je voda trda

in močno mineralna.

4. Ta sprejemnik ima razmeroma visoko toplotno vztrajnost, zato se prepočasi in

neučinkovito odziva v pogojih kratkih intervalov osončenja

5. Pri uporabi v velikih skupinah, kot je to pri industrijskih in drugih komercialnih

instalacijah, lahko v primeru enega samega manjšega puščanja odpove celotna veja.

Za popravila in vzdrževanje je potrebno izklopiti celotno sekcijo sistema.

6. Kovinska folija je zgolj v dotiku z notranjo steno steklene cevi. Koncept prenosa

toplote iz steklenih cevi na U-cevi preko te kovinske folije je zato ena najšibkejših

točk tega tipa sončnih kolektorjev. Folija zaradi staranja in dolgotrajnega vpliva

visokih obratovalnih temperatur sčasoma izgubi elastičnost, zato se kakovost

toplotnega kontakta in s tem prenos toplote na grelni medij slabša. Nase meritve na

vzorcu U-cevnega sončnega sprejemnika so pokazale, da njegova učinkovitost pod

običajnimi obratovalnimi pogoji zaradi gornjih dejavnikov že po šestih mesecih

obratovanja pade za 15%.

7. Obratovalne komponente (folija, U-cevi) so v atmosferi in ne zaščiteni v vakuumu,

zato so izpostavljeni kontaminaciji in oksidaciji, posebno kadar obratujejo v krajih z

agresivno atmosfero, npr. v gosto poseljenih področjih. Posledica je vdor prahu in

korozija (posebno folije), kar še poslabša že tako kritičen faktor prenosa toplote iz

steklene cevi na U-cev [26].

Slika 48: Vakuumski cevni sprejemnik z direktnim pretokom [26]


49

n Četrta generacija: NAPREDNI SONČNI SPREJEMNIKI – VAKUUMSKI

CEVNI HEAT PIPE SONČNI SPREJEMNIKI Tehnologija toplotnih cevi (Heat Pipe) je v vesoljski znanosti že dolgo poznana. Pomembna

aplikacija te tehnologije je reševanje problema pregrevanja pri občutljivih elektronskih

napravah na satelitih. V zadnjih letih se Heat Pipe princip uporablja tudi v civilnih in nasploh

komercialnih krogih, tudi pri izkoriščanju toplotne energije Sonca. Zaradi kompleksnosti

tehnologije in izdelave, so ti sprejemniki še relativno dragi in razmeroma redki. Vendar bodo

zaradi svojih številnih izjemnih prednosti prav gotovo kmalu prevladali. Toplotna cev (Heat

Pipe) je kovinska cev, napeljana po vsej dolžini absorberja (slika 49). Deluje kot visoko

učinkovit prenosnik toplote v povezavi z uparjalnim in kondenzacijskim delom. Specifična

toplotna prevodnost tega elementa je 4.0008.000-krat višja od specifične prevodnosti srebra,

ki je eden najboljših prevodnikov toplote. Toplotna cev (Heat Pipe) je v osnovi cevni

prevodnik toplote. Lahko vsebuje strukturo kapilarnih snopov in majhno količino posebne

tekočine, ki izpari že pri zelo nizkih temperaturah [26].

Slika 49: Vakuumski cevni kolektor po heat - pipe principu. [26]

Za izmenjavo toplote uporablja uparjalno - kondenzacijski krog. Toplota iz zunanjega vira, v

našem primeru iz sončnega absorberja, upari tekočino, ki hkrati vsrka latentno toploto

procesa. Ta energija se s kondenzacijo sprosti v območju toplotnega kondenzatorja, ki je

toplotno spojen s toplotnim zbiralnikom. Proces se stalno ponavlja zaradi povratnega

mehanizma, ki utekočinjeno tekočino vrača v območje segrevanja. Kondenzator je nameščen

nad sprejemnikom. Toplotna cev je tesno toplotno spojena s kovinskim absorberjem sončne

energije. Ta spoj je nameščen znotraj visoko prosojne steklene cevi. Zrak je iz notranjosti cevi

odstranjen do stopnje praktično popolnega vakuuma, kar zmanjša izgube toplote v okolico


50

zaradi konvekcije in prevajanja skoraj na nič. Sestavljajo ga toplotna cev (Heat Pipe),

absorbcijska plošča, steklena cev, kovinski tesnilni pokrov, kondenzator in odjemnik.

Steklena cev je izdelana iz visoko prosojnega, 2,5mm debelega borosilikatnega stekla. Ta

varuje notranjost cevi pred škodljivimi zunanjimi dejavniki, kar omogoča dolgo delovno dobo

naprave (od 25 let) [26].

Vakuumski cevni sončni sprejemniki s suhim toplotnim spojem in toplotnimi cevmi (Heat

Pipes) imajo pred drugimi vrsto pomembnih prednosti:

1. Solarne vakuumske cevi od GreenLand Systems so odporne proti zmrzovanju.

2. Prenesejo visoke tlake grelne tekočine.

3. So visoko učinkoviti tudi v skrajno neugodnih klimatskih pogojih v vseh letnih časih.

4. Zaradi suhega toplotnega spoja, dobro dimenzioniranih priključnih točk v toplotnem

zbiralniku in velike površine preseka toplotnega zbiralnika visoka vsebnost kalcija in

drugih mineralov v ogrevani vodi praviloma ne povzroča problemov, povezanih s

kopičenjem usedlin, kot je na primer blokiranje pretoka.

5. Zaradi suhega toplotnega spoja ga je zelo lahko sestaviti, namestiti in vzdrževati.

Zaradi nizkega padca tlaka in enostavne povezave so zelo primerni za sestavo v velike

sisteme.

6. Padec tlaka kolektorske tekočine je samo 2,5 kPa (25 mbar) pri pretoku 300 litrov na

uro. Zaradi majhnega padca tlaka so posebej primerni za vezavo več kolektorskih enot

v večje sisteme. Za dosego potrebnega pretoka namreč ne potrebujejo črpalke z

visokim izstopnim tlakom. Zaradi majhnega padca tlaka lahko celo pri zelo velikih

sistemih uporabljamo majhne in ekonomične obtočne črpalke. Npr. pravilno povezan

sistem nazivne moči 60 kW lahko obratuje z eno samo pravilno izbrano obtočno

črpalko nazivne moči cca. 120 W.

7. V primeru odpovedi ali poškodbe posamezne vakuumske cevi lahko sistem deluje tudi

med popravilom. Pri menjavi cevi med obratovanjem sistema ne pride do izgube

solarne tekočine. Zamenjava pokvarjene cevi je skoraj tako enostavna kot zamenjava

žarnice. To je izjemna prednost v primerjavi z vsemi ostalimi vrstami kolektorjev.

8. Sprejemnik ima nizko toplotno inercijo. Temperatura grelne tekočine zelo hitra naraste

in kolektor lahko izkoristi toploto tudi v kratkih intervalih osončenja.

9. Čeprav je tu tehnologija izdelave dražja od tehnologije izdelave ploščatih kolektorjev

in od navadnih vakuumskih cevnih izvedb, je zaradi svojih številnih prednosti več kot

konkurenčna. Ne nazadnje zato, ker delujejo skozi vse leto.


51

10. Posamezne vakuumske cevi lahko neodvisno rotiramo, da dosežemo najboljši vpadni

kot sončne svetlobe. To je pomembno povsod tam, kjer osnova za instalacijo (npr.

streha objekta) ni obrnjena proti jugu. Večina drugih tipov kolektorjev ne ponuja te

možnosti. Odstopanje orientacije namestitve sprejemnika od idealne smeri jug se

lahko kompenzira z zasukom vakuumskih cevi okoli njihovih osi za kot do 30°. To je

zelo estetska alternativa namestitvam kolektorjev na konzole nad slemenom strehe

[26].

5.4.2 Pasivni solarni sistemi za naravno ogrevanje stavb

Velika prednost pasivnih sistemov je v tem, da je toplotni izkoristek pri sprejemu energije lahko zelo

velik. Pasivne sisteme lahko uporabljamo pri vseh dobro izoliranih stavbah. Pri pasivnih sistemih so

elementi za pretvarjanja sončnega obsevanja v večini nameščeni na ovoju stavb in jih

imenujemo tudi elementi za naravno ogrevanje stavb z soncem. Stavbo pripravimo tako, da

sama sprejema sončno energijo, da je obenem hranilnik toplote in ogrevalni sistem (slika 50).

To naredimo tako, da stavbo dobro toplotno izoliramo in na severni strani predvidimo

minimalne zastekljene odprtine. Stavba naj bo z bivalnimi prostori obrnjena proti jugu, ter z

ostalimi pomožnimi prostori obrnjena proti severu. Na južni strani lahko namestimo pasivne

elemente (okna, zastekljene zidove, steklenike in prezračevane fasadne elemente),

omogočimo dobro kroženje zraka med prostori ter predvidimo zaščito pred poletnim soncem.

Pri večini teh naprav segrevamo neposredno zrak v stavbi. Za učinkovito delovanje sistemov

za naravno ogrevanje je pomembno, da je sprejem sončnega obsevanja čim manj okrnjen

zaradi drugih objektov in naravnih ovir. Za shranjevanje toplote v gradbenih elementih

najpogosteje uporabimo kar maso gradbene konstrukcije. Med gradbeni materiali so to

predvsem opeka, beton in silikatna opeka. Kroženje zraka (toploto med prostori v stavbi

prenaša zrak) v stavbi je lahko naravno ali prisilno. Naravno krožno zraka je možno, če je

stavba arhitektonsko zasnovana tako, da so toplejši prostori na jugu (dnevna soba, jedilnica),

hladnejši pa ne severu (spalnice, hodniki). Takšno zasnovo imenujemo temperaturno

coniranje. Naravno kroženje zraka v stavbi težko nadzorujemo, odvisno je od temperaturnih

razmer v stavbi in od vdora zunanjega zraka skozi rege oken in vrat. Da dosežemo bolj

enakomeren prenos toplote med prostori, uporabljamo ventilatorje in kanale za prisilno

kroženje zraka. Če uporabljamo prisilno kroženje zraka, notranja razporeditev prostorov ni

tako pomembna kot pri naravnem kroženju zraka. Sistem za prisilno kroženje zraka je


52

potrebno dimenzionirati tako, da se zrak med sončnimi in senčnimi prostori izmenja vsaj 5

krat na uro [36].

Slika 50: Pasivni solarni sistem podjetja Lumar [37]

Velike steklene površine v zimskem času omogočajo naravno ogrevanje stavb, v poletnem

času pa so lahko vzrok za pregrevanje prostorov. Toploto, ki jo preko dneva sprejmejo

gradbene konstrukcije, moramo prenesti iz stavbe z močnim nočnim prezračevanjem, ki naj

znaša več kot 3 krat na uro. To pomeni, da samo masivne gradbene konstrukcije, če nimamo

urejenega nočnega prezračevanja, ne preprečujejo pregrevanja stavb v poletnem času.

Primerno bivalno ugodje v stavbah v poletnem času zagotovimo le s senčenjem, to je

vgradnjo ustreznih naravnih ali umetnih senčil [36]:

n Naravna senčila (drevesa, grmi, ovijalke) imajo v poletnem goste liste in senčijo

enakomerno, ker listi sledijo soncu. Absorbirano sončno sevanje se uporabi za

izparevanje vode v listih, zato se listi ne segrejejo in ne sevajo toploto v stavbo.

Naravna senčila so poleg rastlin lahko tudi okoliške naravna ovire.

n Umetna senčila, ki senčijo steklene površine delimo glede na vrsto na premična in

nepremična. Glede na položaj, pa senčila delimo na zunanja, med okenska in notranja

senčila.


53

n Kjer zahteve po naravni osvetlitvi niso v ospredju, uporabljamo nepremična senčila.

Za južno usmerjene navpične površine so primerna vodoravna senčila v obliki

nadstreškov in okenskih polic. Za senčenje vzhodno in zahodno usmerjenih površin bi

bila njihova dolžina prevelika (zaradi nižjih vpadnih kotov sončnih žarkov), zato so za

senčenje teh steklenih površin najprimernejša deljena vodoravna ali navpična senčila.

Deljena vodoravna senčila z lamelami omogočajo tudi hlajenje površine fasade

(fasado stavbe hladi zrak, ki se dviguje skozi prostor med lamelami). Naravna

osvetlitev prostorov v stavbi je pri uporabi nepremičnih senčil slaba, ker le ta vedno

zastirajo pogled in preprečujejo prehod dela difuznega sončnega obsevanja stavbe, ne

glede na to, ali je tedaj senčenje potrebno ali ne.

n Spremembam v okolju se lahko učinkovito prilagodimo s premičnimi senčili v obliki

polken, rolet, zaves, tend, žaluzij in zastorov. Nekatere izvedbe premičnih senčil

(polkne, rolete) so takšne, da z njimi lahko dodatno toplotno izoliramo zastekljene

površine v času, ko stavbe ne ogrevamo. Glede na položaj senčila napram steklenim

površinam, lahko vgradimo senčila zunaj, znotraj ali med stekla. Notranja senčila so

manj učinkovita od zunanjih, saj se del sevanja v senčilu absorbira, pretvori v toploto

in s konvekcijo prehaja v prostor [36].

Prostore v stavbi lahko senčimo tudi tako, da zmanjšamo prepustnost sončnega obsevanja

skozi okensko steklo. To je možno pri tistih steklih, ki imajo večjo vpojnost ali odbojnost.

Kvaliteto senčenja okenskega stekla ugotavljamo z energijsko prehodnostjo. Energijska

prehodnost je razmerje med seštevkom sončnega obsevanja in toplote, ki prehajata skozi okni

v prostor ter sončnega obsevanja, ki dospe na zunanjo površino okna [36].

n Običajno okensko steklo dobro prepušča sončno sevanje. Pretežni del sončnega

obsevanja pride v prostor in se tam spremeni v toploto. Energijska prehodnost

običajnega stekla je zaradi visoke prepustnosti sončnega obsevanja visoka (87%) in se

le majhen del obsevanja se v steklo vpije in spremeni v toploto.

n Absorpcijska stekla, ki so obarvana v različnih tonih, velik del sončnega obsevanja

absorbirajo. Steklo se močno segreje in toplota prehaja iz stekla na zrak v stavbi.

Energijska prehodnost je nekoliko nižja kot pri običajnem steklu. Sevalne temperature

notranje površine stekla so visoke, zato je bivalno ugodje precej moteno.


54

n Odbojna ali reflekcijska stekla sončno obsevanje močneje odbijajo v okolico. Zato

je prepustnost stekla manjša, stekla so hladnejša in manj sevajo v prostor. Ta stekla

imajo najnižjo energijsko prehodnost (35 - 50 %).

Slika 51: Solarni sistem [36]

Stavbe grajene v skladu s spoznanji o pasivni rabi sončne energije morajo biti dobro toplotno

izolirane (slika 51). Za energijsko varčne stavbe nedvomno velja, da lahko pomemben del

toplote zagotovimo z elementi za nizkotemperaturno pretvarjanje sončnega obsevanja. Pasivni

sistemi za ogrevanje stavb so lahko gospodaren način izkoriščanja sončne energije. Kot lahko

zasledimo v strokovni literaturi, so v svetu pasivni sistemi za ogrevanje stavb že zelo razširjen

način izkoriščanja sončne energije. Sistemi pa ne prinašajo samo prihrankov energije, temveč

tudi zelo povečajo bivalno udobje uporabnikov. Vgradnja prosojne toplotne izolacije, kot

enega od elementov za naravno ogrevanje, cenovno predstavlja še najbolj spremenljivo ceno v

primerjavi z vgradnjo najsodobnejše klasične toplotne izolacije [36].

5.4.3 Solarno ogrevanje zraka

Gre za “klasične” načine priprave sanitarne vode ali pa za podporo ogrevanju preko sončnih

sprejemnikov v kombinaciji z grelniki vode ali zalogovniki. Zračni solarni sistemi zbirajo

sončno energijo za ogrevanje zraka. Zrak se lahko uporabi za predgrevanje zraka za

prezračevanje, ogrevanje zraka v prostoru ali ogrevanje vode. Osnovni sistem sestavljata

sprejemnik sončne energije in sistem za distribucijo toplega zraka. Zračni solarni sistemi

lahko vključujejo tudi shranjevanje toplote z izkoriščanjem toplotne mase stavbe ali

namenskih hranilnikov toplote, kot so kamniti hranilniki. Sprejemniki sončne energije so

lahko namenske plošče ali zastekljeni prostori na obstoječi fasadi [38].


55

Prednosti

§ zaradi slabe toplotne kapacitete zraka (v primerjavi z vodo) se lahko sprejemniki

sončne energije hitro segrejejo tudi pri sorazmerno nizkih ravneh obsevanja;

§ sprejemniki sončne energije lahko omilijo razliko v smislu toplote med notranjimi in

zunanjimi pogoji;

§ sprejemniki sončne energije so lahko sestavni del ovoja stavbe;

§ sistem je obstojen in nima težav s puščanjem vode, korozijo ali zmrzovanjem.

Slabosti

§ majhna toplotna kapaciteta zraka pomeni, da je treba hranilnik toplote vzpostaviti

posredno, npr. z ovojem stavbe ali namenskim hranilnikom toplote;

§ slaba toplotna prehodnost (v primerjavi z vodo) med sprejemnikom in zrakom;

§ potrebna sta velika količina zraka in velik pretok zraka, zaradi česar se porabi veliko

energije za ventilator. (Poraba energije se lahko omeji z uporabo fotovoltaičnih

ventilatorjev s samoregulacijskim sistemom, ki uravnava razpoložljivost vročega zraka

in zračni tok) .

VRSTE SISTEMOV:

n Solarno ogrevanje zraka za prezračevanje Pri tem sistemu prehaja zunanji zrak, ki je namenjen prezračevanju, skozi sprejemnik sončne

energije. Zrak se segreje in nato odvede v prostor (slika 52). To je najpreprostejša oblika

solarnega ogrevanja zraka, ki je sočasno najcenejša za namestitev. Stroški so lahko še nižji, če

sistem nadomesti obstoječi prezračevalni sistem, saj se lahko v tem primeru uporabi obstoječi

sistem za distribucijo zraka. Sistem je zelo učinkovit, ker razmeroma hladen zunanji zrak

prehaja skozi sprejemnike sončne energije, pri čemer obstaja velika razlika med temperaturo

zraka in sprejemnika sončne energije. Poleti se zrak, ki prehaja skozi sprejemnik sončne

energije, izpusti v okolje. Na voljo so različni sprejemniki sončne energije, npr. ploščati

sprejemniki, okenski sprejemniki, perforirani zračni sprejemniki in dvojne. Zrak za

prezračevanje lahko prehaja v sosednji prostor s pomočjo dovodnega ventilatorja, ki je

priključen na sprejemnik sončne energije, ali s pomočjo nizkega tlaka v prostoru, ki ga ustvari

odvodni ventilator. Zrak je mogoče dovajati tudi v oddaljene prostore, če je sprejemnik

sončne energije povezan s konvencionalno enoto za reguliranje zraka in distribucijskim


56

omrežjem. Takšen sistem se lahko uporablja skupaj s hranilnikom toplote. Segreti zrak lahko

prehaja na primer skozi notranji ovoj stavbe (hipokavst). Ta pristop ima prednosti, kadar se

potreba po ogrevanju pojavi šele po obdobju najintenzivnejšega sprejemanja sončne energije

[38].

Slika 52: Solarno ogrevanje zraka za prezračevanje [38]

n Kroženje zraka v prostoru Zrak iz stavbe se segreva v sprejemniku sončne energije (slika 53), kjer se dvigne in ponovno

vstopi v stavbo. Zrak lahko kroži naravno (t.i. termosifon) ali s pomočjo ventilatorja. Izbirati

je mogoče med več možnostmi, pri čemer je najpreprostejša neposredno kroženje zraka v

zadevnem prostoru. Uporaba hranilnikov toplote je lahko še učinkovitejša, če je zrak iz

sprejemnika speljan nad stropom prostora. Toplotna masa stropa oddaja toploto z nekajurnim

časovnim zamikom. Poleti se topel zrak odvaja iz sprejemnika s pomočjo ventilatorja skozi

zgornje lopute [38].


57

Slika 53: Kroženje zraka v prostoru [38]

Sistem je običajno sestavljen iz:

§ zračnih sprejemnikov sončne energije, ki izkoriščajo naravno konvekcijo, ali zračnih

sprejemnikov sončne energije z ventilatorjem;

§ vodov v posebnem stropu, ki podnevi absorbira toploto in zagotavlja hlajenje (ter

obratno);

§ izvodil v stropu prostora in povratnih odprtin za dovajanje zraka na dnu sprejemnika

sončne energije;

§ loput za reguliranje pretoka zraka;

§ krmilnega sistema.

n Sistem sprejemnika sončne energije z režami Pri sprejemnikih sončne energije z režo na sliki 54, segreti zrak iz sprejemnika sončne

energije kroži skozi reže v ovoju stavbe. Segreti zrak kroži ob stavbi in s tem zmanjša

toplotne izgube skozi ovoj stavbe, zaradi česar je potreba po ogrevanju prostora manjša.

Zaradi višje temperature ovoja stavbe je bivanje udobnejše. Višja temperatura je tudi razlog

za manj pogosto pojavljanje navzdol usmerjenega hladnega zračnega toka, ki je hkrati manj

intenziven, ter manjši prenos toplotnega sevanja prebivalcev na steno. Delovanje

sprejemnikov sončne energije je lahko zelo učinkovito, saj je zrak, ki se vrne vanje,

razmeroma hladen. Poleti se lahko segreti zrak iz sprejemnikov sončne energije izpusti v

okolje ali uporabi za predgrevanje tople sanitarne vode z izmenjevalnikom toplote zrak-voda

[38].

Slika 54: Sistem sprejemnika sončne energije z režami [38]


58

Običajno je sistem sestavljen iz:

§ sprejemnikov sončne energije;

§ enega ali več ventilatorjev;

§ loput;

§ rež v ovoju stavbe;

§ krmilnega sistema.

n Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko V sistemu z zaprto zanko zrak kroži v zaprti zanki s pomočjo naravne konvekcije ali

ventilatorja (slika 55). Zrak prehaja skozi sprejemnik sončne energije v cevi v tleh (hipokavst)

ali steni. Toplota se v zadevni prostor sprošča iz tal ali sten prek sevanja in konvekcije.

Alternativni pristop zajema uporabo dobro izolirane kamnite grede kot hranilnika toplote.

Nahaja se lahko v kleti stavbe. Namestiti je mogoče tudi kombiniran sistem, ki vključuje tako

kamniti hranilnik kot hipokavst. [38].

Slika 55: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko [38]

n Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in zanko za odvajanje Pristop na sliki 56 omogoča nadzorovano odvajanje toplote v prostor. Sprejemnik sončne

energije in hranilnik toplote (kot je kamnita greda) sta povezana z zaprto zanko. Hranilnik

toplote odvaja toploto v prostor prek odprte zanke. To lahko vključuje uporabo ventilatorja s

termostatom za regulacijo temperature, ki sesa zrak prek zunanje površine hranilnika toplote

in tako segret zrak dovaja v zadevni prostor. Hranilnik ima lopute, ki ponoči zagotavljajo

izolacijo. Različice sistema lahko vključujejo zastekljene strešne površine, prozorno izolacijo,

zimske vrtove in steklene fasade, ki delujejo kot sprejemniki sončne energije. Alternativa


59

kamnitim hranilnikom toplote so votla betonska tla, betonski zidaki, tla iz votlih zidakov ali

plošča, napolnjena s prodom [38].

Slika 56: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in zanko za odvajanje [38]

n Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in toplotnim izmenjevalnikom

zrak-voda Pri sistemu z zaprto zanko se segret zrak iz sprejemnika sončne energije dovaja v toplotni

izmenjevalnik zrak-voda (slika 57). Segreta voda se lahko uporabi za ogrevanje prostorov ali

predgrevanje tople sanitarne vode. Če želimo, da toplotni izmenjevalnik zagotavlja uporabno

toploto, mora sistem obratovati pri višji temperaturi kot drugi sistemi. Sistem je mogoče

uporabiti z različnimi zračnimi sprejemniki sončne energije. Standardni zračni sprejemniki

sončne energije so sestavljeni iz ohišja, ki je spodaj toplotno izolirano, zgoraj prozorno, v

njem pa se nahaja absorber [38].

Slika 57: Sprejemnik sončne energije z zaprto zanko in toplotnim izmenjevalnikom

zrak-voda [38]


60

n Perforirani zračni sprejemniki sončne energije Ta vrsta sprejemnikov sončne energije je sestavljena iz temnega jeklenega ali aluminijastega

profila, ki je perforiran, kar omogoča vstop zraka v reže, v katerih se zbira segreti zrak. Zrak

pri prehajanju skozi perforirano steno absorbira njeno toploto. Topel zrak se v reži dvigne, na

vrhu izstopi in se s pomočjo ventilatorja dovaja v stavbo. Poleti se segreti zrak odvaja stran od

stavbe, vanjo pa se dovaja svež zunanji zrak, kar zagotavlja prezračevanje. Reža poveča

faktor toplotne prehodnosti, perforirana stena pa poleti stavbo ščiti pred neposredno sončno

svetlobo, pri čemer zmanjša prenos sončne toplote v stavbo. Shema ogrevalnega sistema s

svežim zrakom je prikazana na sliki 58 [38].

Slika 58: Shema ogrevalnega sistema s svežim zrakom [38]

5.4.4 Solarno hlajenje

Pri solarnem hlajenju, gre za toplotne črpalke, ki sončno energijo brez vrtečih se delov

(kompresorjev), preko kemičnih procesov spreminjajo v energijo toplote in hladu. Vsi procesi

se v notranjosti naprave odvijajo na osnovi spreminjanja treh agregatnih stanj in sicer:

plinastega, tekočega in trdnega. In vse to poteka brez dodane električne energije in dodatnih

kompresorjev. Vse kar potrebujemo je sonce, ki ga “lovimo” s pomočjo visoko zmogljivih

vakuumskih sončnih kolektorjev. Največ hlajenja potrebujemo takrat, ko je največ sonca. In

prav tukaj se je omenjena tehnologija izkazala kot tista, ki nam daje največje prihranke. Pri

absorbcijski tehnologiji naprave trošijo minimalno energije, približno 18W. V bilanco

razmerja se zato prištejejo še obtočne črpalke, kar nam omogoča izračun realnih vrednosti

izkoristka med vloženo in dobljeno energijo. Še več. Naprave so sposobne za več ur shraniti


61

sončno energijo tako za potrebe ogrevanja kot hlajenja. Procesi se tako “dogajajo” naprej tudi

takrat, ko sonca ni več [39].

Obstajajo tri glavne vrste solarnega hlajenja: absorpcijsko (slika 59), adsorpcijsko in

sorpcijsko (sušilno). Vse tri vrste zagotavljajo vir toplote, ki je temelj procesa hlajenja, z

izkoriščanjem sprejemnikov sončne energije Hlajenje je lahko aktivno ali pasivno. Pri

aktivnem se sončna energija pretvarja v električno s katero poganjamo hladilne naprave.

Pasivni sklopi pa izkoriščajo nižjo temperaturo ponoči in shranjujejo hlad za hlajenje podnevi

[40].

Slika 59: Shema sistema absorpcijskega hlajenja s sončno energijo [40].

Prednosti:

§ sončna toplotna energija je lahko temelj absorpcijskega, adsorpcijskega ali

sorpcijskega hlajenja;

§ vrhunec obremenitve zaradi hlajenja stavbe je približno enak vrhuncu sončne toplotne

energije;

§ absorpcijskih hladilnih naprav skoraj ni treba vzdrževati.

Slabosti:

§ potrebno je ujemanje temperature sprejemnika sončne energije in obratovalne

temperature hladilne naprave;

§ zelo malo je praktičnih izkušenj na tem področju;

§ razmeroma visoki stroški absorpcijskih hladilnih naprav in sprejemnikov sončne

energije


62

VRSTE HLADILNIH SISTEMOV:

n Absorpcijsko hlajenje Absorpcijske hladilne naprave se lahko skupaj s kogeneracijskimi sistemi (kogeneracijski

sistemi se uporabljajo v objektih, v katerih je celo leto potreba po proizvedeni električni

energiji in ogrevanju.) uporabljajo za proizvodnjo ohlajene vode za klimatizacijo (slika 60).

Absorpcijsko hlajenje se lahko uporablja tudi za hlajenje, pri katerem se uporablja toplota iz

vira sončne energije. Viri sončne energije so lahko vodni ali zračni ploščati sprejemniki

sončne energije, vakuumsko cevni sprejemniki sončne energije in parabolični koncentratorji

[40].

Slika 60: Shema absorpcijske hladilne naprave [40]

Za izpolnitev temperaturnih potreb absorpcijske hladilne naprave je pomembno izbrati

ustrezno vrsto sprejemnika sončne energije. Za absorpcijske hladilne naprave z razmeroma

visokim koeficientom učinkovitosti so potrebni visokotemperaturni viri toplote. Običajni

koeficienti učinkovitosti absorpcijskih hladilnih naprav z enojnim učinkom se gibljejo med

0,7 in 0,8, običajni koeficienti učinkovitosti absorpcijskih naprav z dvojnim učinkom pa med

1 in 1,2. Če želimo doseči takšno učinkovitost, mora biti temperatura dovedene toplote od 80

°C do 100 °C za absorpcijske hladilne naprave z enojnim učinkom in približno 150 °C za

absorpcijske hladilne naprave z dvojnim učinkom. Ploščati sprejemniki sončne energije lahko

proizvedejo temperaturo od 60 °C do 90 °C. Pri ploščatih sprejemnikih sončne energije s


63

selektivno površino lahko temperatura doseže do 120 °C, vendar so na tej ravni manj

učinkoviti. Vakuumski cevni sprejemniki sončne energije lahko proizvedejo temperaturo od

80 °C do 120 °C (mogoče so tudi višje temperature, vendar pri nižjih stopnjah pretoka).

Sestavljeni parabolični koncentratorji lahko obratujejo pri temperaturah med 100 °C in 165 °C

[40].

Prednosti:

§ možnost uporabe odpadne toplote;

§ uporabljena hladila ne vplivajo na globalno segrevanje;

§ tiho in brez vibracij;

§ zanesljivo;

§ razmeroma nizki stroški vzdrževanja.

Slabosti:

§ nizka učinkovitost in nizek koeficient učinkovitosti v primerjavi s konvencionalnimi

hladilnimi napravami;

§ razmeroma visoki stroški v primerjavi s kompresorji;

§ večja enota za odvod toplote kot pri konvencionalnih hladilnih napravah;

§ počasnejši zagon in počasnejši odziv na spremembe obremenitev.

n Sušilno hlajenje

Sorpcijsko odstranjevanje vlage iz zraka, pri katerem se uporabljajo trdna ali tekoča sušilna

sredstva, predstavlja alternativo konvencionalni kompresorski opremi. Večina sušilnih

sistemov uporablja trdna sušilna sredstva, kot je silikagel v sušilnem kolesu. Gel v zračni

enoti prenaša toploto in vlago med iztočnim zrakom in vtočnim zrakom. Sorpcijsko hlajenje

se lahko uporablja samostojno ali v kombinaciji s konvencionalnim kompresijskim sistemom.

Kombiniran sistem je učinkovitejši, saj se temperatura uparjalnika v kompresijskem ciklu

zviša [40].

Delovanje sistema sušilnega hlajenja, kot je prikazano na sliki 61:

1. Korak 1–2: Zrak gre skozi razvlaževalno kolo (sušilno ali sorpcijsko kolo), v katerem se

posuši in ogreje s pomočjo adsorpcijske toplote, ki se sprosti.

2. Korak 2–3: Toplota se s pomočjo rotacijskega prenosnika prenese na iztočni zrak ali pa se

iz iztočnega zraka pridobi hladilna energija. Oboje ohlaja osušeni zrak.


64

3. Korak 3–4: V vlažilniku se zrak navlaži in ohladi.

4. Korak 4–5: Z notranjo obremenitvijo stavbe se zrak segreje in vlažnost poveča.

5. Korak 5–6: Iztočni zrak se navlaži v vlažilniku iztočnega zraka, kar poveča hladilno

sposobnost zraka.

6. Korak 6–7: Hladilna energija se z rotacijskim toplotnim prenosnikom prenese na vtočni

zrak.

7. Korak 7–8: Zunanji vir (sončna energija) segreje zrak.

8. Korak 8–9: Segret zrak vstopi v sušilno kolo, v katerem se izloči vlaga, adsorbirana v

koraku 1–2.

Slika 61: Shema sušilnega hlajenja [40].

5.4.5. Prva montažna plus energijska hiša v Sloveniji

Zanimanje za gradnjo nizkoenergijskih in pasivnih hiš v Sloveniji v zadnjih letih hitro

narašča. V podjetju Lumar IG, vodilnemu slovenskemu proizvajalcu montažnih pasivnih hiš,

so bili na področju gradnje pasivnih hiš v Sloveniji med prvimi saj so prvo pasivno hišo

postavili že leta 2007. Lumar je prvi slovenski proizvajalec, ki je prejel prestižni certifikat

Passiv haus inštituta za pasivno hišo, ki je hkrati tudi plus energijska hiša. Gre za tipsko hišo

Primus, ki jo je podjetje postavilo za našega telovadca Mitjo Petkovška. Da je Lumar vodilna

tehnologija na tem področju v Sloveniji potrjuje tudi dejstvo, da je Lumar edini slovenski

proizvajalec s certifikatom »Passiv haus« inštituta za konstrukcijski sistem za gradnjo

pasivnih hiš. Standardizirani in certificirani projektni detajli, nadzirani in certificirani

proizvodni procesi ter kakovostna montaža so potrebni pogoji, da pasivna hiša tudi v realnosti

ponuja prijetno bivalno ugodje ob nizkih stroških porabe [41].


65

Slika 62: Montažna enodružinska pasivna hiša Lumar na Igu pri Ljubljani (povečana

izolacija, trislojna zasteklitev, kontrolirano prezračevanje, sončna elektrarna) [23]

Sodobno arhitekturno zasnovana tipska hiša Primus 137 iz linije Avantgarde na sliki 62,

zgrajena za Mitjo Petkovška in njegovo življenjsko sopotnico Mojco Rode, združuje vse

navedene prednosti tehnologije Lumar, kot energijska plus hiša s pozitivno energijsko bilanco

pa s pomočjo integrirane sočne elektrarne na strehi proizvede še enkrat toliko energije, kot je

porabi za svoje delovanje. Družina Petkovšek –Rode je od vselitve izkusila že vroče poletne

in hladne zimske dni. Skupni stroški znašajo okoli 50 do 60 EUR. Bivalna klima je skozi vse

leto odlična, temperatura tudi v najbolj vročih poletnih dneh ne presega 26°C. Sistem

prezračevanja zagotavlja kakovosten in vedno svež zrak [41].

6. SONČNA ENERGIJA IN OSNOVNA ŠOLA

V vzgojno izobraževalnem procesu se v glavnem podajajo samo teoretične osnove o sončni

energiji in njenem vplivu na okolje. V šestem razredu učenci spoznajo osnovne pojme o

energiji ter o virih energije. V sedmem razredu se v okviru učnega slopa Elektrika učenci

spoznajo podrobneje z viri električne energije, o prenosu električne energije ter z električnim

tokom, o vplivu elektrarn na okolje in povezovanju alternativnih virov z varovanjem okolja. V

osmem razredu devetletke pa v okviru učnega sklopa Energetika, spoznajo še obnovljive in

neobnovljive vire energije, jih znajo naštet ter ločit, kateri so prijazni in kateri manj prijazni

do okolja. Ker pa je v šoli praktičnega prikaza o delovanju sončne energije malo, želim v

nadaljevanju prikazat kako lahko, pri pouku v osmem razredu devetletke, izkoriščamo


66

svetlobo in njeno energijo z enostavno izdelavo sončne pečice. Učenci bi se morali seznaniti s

sončno energijo, saj je energija prihodnosti [42].

6.1 Učni pripomočki za prikaz sončne energije

Učitelj velikokrat predstavi obnovljive vire na podlagi razlage, ne pa s pomočjo

demonstracije. Zelo pogosto nastane problem pri nabavi nekaterih učnih pripomočkov za

katere potrebujemo dodaten denar, spet druge pa lahko sestavimo kar sami. Vse kar

potrebujemo je nekaj materiala in seveda domišljijo. Zato bom v tem poglavju predstavila

kako lahko učitelj v šoli prikaže izkoriščanje sončne energije, ne da bi pri tem potreboval

neko sestavljenko, npr. Fischer Technik.

6.2 Izdelava sončne peči pri pouku tehnike in tehnologije

Naloga učencev je po razlagi sestaviti sončno peč, v kateri bodo s pomočjo sonca stopili

tablico čokolade. Na sliki spodaj je prikazana sončna peč izdelana iz kartonaste škatle za pico.

Slika 63: Poenostavljena sončna peč [44]

Sončna peč naj bo takšna, da jo lahko učenci sami izdelajo in jo lahko ob sončnem vremenu

preizkusijo na prostem. Učitelj razdeli učence v pet skupin po pet učencev. Vsaka skupina

dobi delavniško risbo, da jo preučijo in se lotijo izdelave sončne peči. Vsaka skupina mora


67

narediti svojo sončno peč. Po končani izdelavi se preselijo na šolsko dvorišče, kjer vsaka

skupina preizkusi svoj izdelek [45].

6.2.1 Učna priprava za izdelavo sončne peči pri pouku tehnike in tehnologije

PRIPRAVA NA VZGOJNO–IZOBRAŽEVALNO DELO

SPLOŠNI DEL Šola: Predmet: Tehnika in tehnologija Razred/letnik: 8 Datum:

Učni sklop: Energetika Zaporedna/e ure po UN:

Učne enote: Energetski viri

Prostor: Učilnica, delavnica, šolsko dvorišče

Bistveno vprašanje za učni sklop:

Vsebina: Operativni vzgojno-izobraževalni cilji (upoštevaj stopnje po Bloomu):

Izobraževalni: • Znajo našteti

obnovljive in neobnovljive vire energije

• Seznanijo se s sončno energijo

• Razumejo pomen sončne peči

• Naučijo se izdelat sončno peč in jo uporabit v praksi

Vzgojni: • Si oblikujejo

sposobnosti za samostojno delo

• Razvijajo kritičen odnos do dela

• Zavedajo se pomena varnega delovnega mesta

• Razvijajo delovne navade in pozitiven odnos do dela

Psihomotorični: • Pridobivajo delovne

spretnosti in navade • Razvijajo koordinacijo

oči, rok in prstov

Novi pojmi: Obnovljivi viri, neobnovljivi viri, sončna energija, sončna peč,

Učni koncept: n klasični pouk □ problemski pouk □ projektno delo n izkustveno učenje □ drugo: _____________________________________________________________


68

Učne strategije: □ demonstriranje n eksperiment n konstruiranje □ gradnja s sestavljenko n drugo: izdelava z merjenjem, rezanjem, lepljenjem, □ proizvodnja □ tehnična analiza □ tehnično raziskovanje □ pouk z uporabo didaktičnih gradiv □ študija primera □ ekskurzija □ drugo: ___________________________________________________________ _____________________________________________________________________

Učni postopki: n verbalna □ grafična dela n demonstracija n praktično delo □ operacijska □ delo z besedilom n opazovanje □ proučevanje

Učne oblike: □ frontalna n skupinska □ v dvojicah □ individualna

Tip učne ure: □ uvodna ura n ura pridobivanja novih vsebin □ ura ponavljanja □ ura preverjanja in ocenjevanja

Učni pripomočki: n učbenik: ] Aberšek, B., Florjančič, F, Papotnik, A (2001). Tehnika 8, učbenik, DZS, Ljubljana, str. 29,30 □ e-prosojnice □ sestavljanka: n orodje: škarje, ravnilo □ stroji: □ modeli: n delovni zvezek: Aberšek, B., Florjančič, F, Papotnik, A (2001). Tehnika 8, delovni zvezek, DZS, Ljubljana, str. 29) n delovni list □ plakat □ računalniški program: □ žepno računalo □ video posnetek □ animacije: □ drugo: _______________________________________________________________

Učila/modeli: Delovni zvezek, delovni listi

Varnost pri delu: Tehnično varen prostor in varna sredstva za delo

Medpredmetna povezava: Na ravni vsebine: • biologija

Na ravni procesa: • fizika

Na konceptualni ravni: • geografija

Literatura: Aberšek, B. (2012). Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, ZRSZŠ, Ljubljana, Aberšek, B., Florjančič, F, Papotnik, A (2001). Tehnika 8, priročnik za učitelje, DZS, Ljubljana, str. 29,30 Active Learning. Nabor aktivnosti projekta Aktivno učenje, 2011.


69

www.teachers4energy.eu/LangSpecPages/SL/PDF-SL/.../13s4.pdf, stran nazadnje obiskana 8. 6. 2012. Ehow. How to make a solar oven, 2011. http://www.ehow.com/how_2083_make-solar-oven.html, stran nazadnje obiskana 8. 6. 2012.

Kriteriji za preverjanje* in ocenjevanje znanja (uredi skladno z vsebino učne teme – ostale kriterije, ki so navedeni za primer in niso primerni za obravnavano učno temo, izbriši!): 1. Vzdrževanje potrebnega reda na delovnem prostoru 2. Sodelovanje v skupini 3. Razlaga vrst, vloge in namena sklopa energetika 4. Imenovanje in uporaba različnih vrst elementov 5. Gradnja modela 6. Razlaga delovanja sončne peči 7. Skiciranje izdelanih modelov 8. Merjenje temperature

* Podčrtani kriteriji so namenjeni samo preverjanju in po njih ne ocenjujemo.

STRUKTURA UČNE URE UČNA ENOTA: Energetski viri URA:

AKTIVNOSTI UČITELJA AKTIVNOSTI UČENCEV

UČILA, UČNI PRIPOMOČKI, VARNOST PRI

DELU

PREDVIDEN ČAS

IZVEDBE

1. UVAJANJE Poudari pomen energije kot osnovo za današnji način življenja. Z učenci poišče in našteje neobnovljive in obnovljive vire energije. Razloži njihovo rabo in pomen v borbi proti klimatskim spremembam in izčrpavanju zalog fosilnih goriv.

Učenci sodelujejo v razgovoru in sproti izpolnjujejo delovni zvezek

Delovni zvezek

10 min

2. USVAJANJE Razloži pojem ‘sončna energija’, skupaj z učenci našteje različne oblike in uporabo, tj. ogrevanje vode, proizvodnja električne energije, kuhanje, itd

Aktivno sodelujejo v razgovoru

5 min

Pove da bodo v tej uri izdelali sončno peč. Učence razdeli v pet skupin in jim razloži namen dejavnosti, ter jim poda podrobna navodila za izdelavo.

Učenci se razdelijo v skupine

Delovni list 5 min

Učencem pove da bodo vsi izdelovali enak model pečice in naj skušajo narediti učinkovito pečico. Najbolj učinkovita pečica bo tista z najvišjo temperaturo, dosežena med “kuhanjem” zunaj, na soncu.

Učenci izdelujejo sončno peč iz kartona

Kartonasta škatla za pico, zvitek aluminijeve in plastične folije, črn papir, lepilo, škarje

35 min

3. UTRJEVANJE IN UPORABA Učencem razdeli čokoladice, katere bodo kuhali v pečici, ki so jo izdelali.

Učenci izmerijo temperaturo v pečici vsakih pet minut. Opazujejo, kako temperatura v pečici narašča in kako se čokolada v njej topi.

Delovni list, čokoladice

20 min

http://www.teachers4energy.eu/LangSpecPages/SL/PDF-SL/.../13s4.pdf

http://www.ehow.com/how_2083_make-solar-oven.html



70

4. ZAKLJUČEK Dobljene rezultate uporabi za razpravo, analizira izdelke in predlaga izboljšavo.

Aktivno sodelujejo v razpravi

Delovni list

5 min

5. REZERVNA SNOV Poda navodila za reševanje delovnega zvezek.

Rešijo delovni zvezek do konca

Delovni zvezek

10 min

SAMOEVALVACIJA: Ali je bil zastavljeni cilj dosežen? V čem ni bil, vzroki in posledice.

Področje Dobro je uspelo Kaj bi spremenil/a

• klima v razredu

• načrtovanje

• izbira strategij, metod, oblik in tehnik

• dejavnosti učencev

• razumevanje vsebin

Ostale pripombe (motnje, hospitacije, krajšanje ur, potreba po ponovitvi … ):

Priloga 1: Delovni List Navodila za izdelavo solarne peči:

1. Uporabite kartonasto škatlo za pico ter položite aluminijevo folijo na spodnji del

pokrova ter na vse stranice. Zgladite vse gube na foliji.

2. Na dno škatle nalepite črn kos papirja.

3. Na zunanji del pokrova narišite črte, pet centimetrov oddaljene od roba.

4. Po črti odrežite tri stranice, eno – tisto na zadnjem robu škatle – pa pustite pritrjeno in

tako naredite zaklopec, da se bo škatla lahko odpirala in zapirala. Na ta način ste

naredili okno.

5. Iz zvitka plastične folije izrežite kos, ki naj bo malo večji od odprtine, ki ste jo izrezali

na pokrovu škatle. Folijo pritrdite na notranji strani pokrova pri čemer bodite pozorni

na to, da je primerno pritrjena.

6. Sedaj lahko izdelek preizkusite.

7. Položite kos čokolade na majhen krožnik in ga položite na sredino peči. Opazujte, v

kolikšnem času se bo čokolada stopila.


71

8. V spodnjo tabelo zapisujte meritve vsakih 5 min ter zapišite uro meritve, zunanjo

temperaturo in temperaturo peči. V stolpec »Opombe« zapišete vremenske značilnosti

( sončno, oblačno ali dežuje) [45].

Slika 64: Prikaz izdelave sončne peči [45]

Tabela 1: Vpišite temperaturne spremembe!

Čas Temperatura peči Zunanja temperatura opombe


72

6.3 Tehniški dan na temo sončna energija

Za izdelavo naprednejše sončne peči je potrebno kar nekaj časa in zato je dobrodošel tehniški

dan na to temo. Tehniški dan poteka na prostem in sicer na šolskem dvorišču. Tudi pri

tehniškem dnevu, je priporočljivo, da učenci delajo v skupinah. Vsaka skupina najprej naredi

s pomočjo učitelja, delavniško in sestavno risbo, ter tehnološki list. Ko imajo skupine

narejeno svojo delavniško in sestavno risbo ter tehnološki list, se lotijo izdelave sončne peči.

Vsa potrebna orodja prenesemo na šolsko dvorišče, vendar ne predaleč, saj potrebujemo

elektriko za vrtalni stroj. Pri sami izdelavi je potrebno učence večkrat opozoriti na varnost pri

delu in sicer pri vzvodnih škarjah ter pri vrtalnem stroju. Ves potreben material in orodja so

na posebni mizi. Po končani izdelavi vsaka skupina preizkusi svoj izdelek. Preizkus naredijo

tako, da v svojo sončno peč položijo kozarec vode. Po nekem času se voda segreje [46].

6.3.1 Učna priprava za tehnični dan

PRIPRAVA NA VZGOJNO–IZOBRAŽEVALNO DELO

SPLOŠNI DEL Šola: OŠ Predmet: Tehnika in tehnologija Razred/letnik: 8 Datum:

Učni sklop: energetika Zaporedna/e ure po UN:

Učne enote: Sončna peč

Prostor: Učilnica, delavnica, šolsko dvorišče

Bistveno vprašanje za učni sklop:


73

Vsebina: Operativni vzgojno-izobraževalni cilji (upoštevaj stopnje po Bloomu): Izobraževalni: • Seznanijo se s sončno

energijo • Razumejo pomen

sončne peči • Znajo narisat

tehnološko dokumentacijo

• Naučijo se izdelat sončno peč in jo uporabit v praksi

Vzgojni: • Si oblikujejo

sposobnosti za samostojno delo

• Razvijajo kritičen odnos do dela

• Zavedajo se pomena varnega delovnega mesta

• Razvijajo delovne navade in pozitiven odnos do dela

Psihomotorični: • Pridobivajo delovne

spretnosti in navade • Razvijajo koordinacijo

oči, rok in prstov

Novi pojmi: Obnovljivi viri, neobnovljivi viri, sončna energija, sončna peč,

Učni koncept: □ klasični pouk □ problemski pouk □ projektno delo □ izkustveno učenje n drugo: Tehnični dan

Učne strategije: n demonstriranje n eksperiment n konstruiranje □ gradnja s sestavljenko □ drugo:_____________________________________________________________ □ proizvodnja n tehnična analiza n tehnično raziskovanje □ pouk z uporabo didaktičnih gradiv □ študija primera □ ekskurzija □ drugo: ___________________________________________________________ _____________________________________________________________________

Učni postopki: □ verbalna □ grafična dela n demonstracija n praktično delo □ operacijska □ delo z besedilom n opazovanje n proučevanje

Učne oblike: □ frontalna n skupinska □ v dvojicah □ individualna

Tip učne ure: □ uvodna ura □ ura pridobivanja novih vsebin n ura ponavljanja □ ura preverjanja in ocenjevanja


74

Učni pripomočki: □ učbenik: □ e-prosojnice □ sestavljanka: n orodje: vzvodne škarje, pila n stroji: vrtalni stroj □ modeli: □ delovni zvezek: □ delovni list □ plakat □ računalniški program: □ žepno računalo □ video posnetek □ animacije: □ drugo: _______________________________________________________________

Učila/modeli:

Varnost pri delu: Učence je potrebno večkrat opozoriti na varnost pri delu pri vzvodnih škarjah ter pri vrtalnem stroju.

Medpredmetna povezava: Na ravni vsebine: Biologija

Na ravni procesa: Fizika

Na konceptualni ravni: Geografija

Literatura: Aberšek, B. (2012). Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, ZRSZŠ, Ljubljana, Aberšek, B., Florjančič, F, Papotnik, A (2001). Tehnika 8, priročnik za učitelje, DZS, Ljubljana, str. 29,30 Active Learning. Nabor aktivnosti projekta Aktivno učenje, 2011. www.teachers4energy.eu/LangSpecPages/SL/PDF-SL/.../13s4.pdf, stran nazadnje obiskana 8. 6. 2012. Energetika v osnovni šoli, Izbirni predmet energetika v 8. razredu OŠ. http://ro.zrsss.si/projekti/energetika/index.htm, stran nazadnje obiskana 13.5.2012

Kriteriji za preverjanje* in ocenjevanje znanja (uredi skladno z vsebino učne teme – ostale kriterije, ki so navedeni za primer in niso primerni za obravnavano učno temo, izbriši!): 9. Vzdrževanje potrebnega reda na delovnem prostoru 10. Sodelovanje v skupini 11. Razlaga vrst, vloge in namena sklopa energetika 12. Imenovanje in uporaba različnih vrst elementov 13. Gradnja modela 14. Razlaga delovanja sončne peči 15. Izdelava tehnološke dokumentacije 16. Merjenje temperature

* Podčrtani kriteriji so namenjeni samo preverjanju in po njih ne ocenjujemo.

STRUKTURA UČNE URE UČNA ENOTA: SONČNA PEČ URA:

AKTIVNOSTI UČITELJA AKTIVNOSTI UČENCEV

UČILA, UČNI PRIPOMOČKI, VARNOST PRI

DELU

PREDVIDEN ČAS

IZVEDBE


http://ro.zrsss.si/projekti/energetika/index.htm


75

1. UVAJANJE Skupaj z učenci ponovi izdelavo tehnološke dokumentacije, in prikaže sliko že izdelane sončne peči.

Učenci sodelujejo v pogovoru in si zapisujejo

Tehnološka dokumentacija: delavniška risba, sestavna risba in tehnološki list. Slika že izdelane sončne peči

10 min

2. USVAJANJE Učence razdeli v pet skupin, in jim da navodila za izdelavo sončne peči.

Učenci se razdelijo v skupine in pričnejo z delom

5 min

Svetuje in pomaga pri izdelavi tehnološke dokumentacije.

Izdelujejo tehnološko dokumentacijo Ravnilo, svinčnik 100 min

Ko učenci končajo z izdelavo tehnološke dokumentacije jim poda nadaljnja navodila za sestavo sončne peči. Razdeli material med skupine. In pokaže kako delamo z vrtalnim strojem in vbodno žago

Učenci si razdelijo material in orodje ter pričnejo z delom

Material: Vezana plošča, Al –folija, Al-pločevina, plastična folija, lepilo

10 min

Svetuje in pomaga pri sestavi sončne peči in uporabi vrtalnega stroja, vbodne žage, ter podaja morebitne rešitve.

Na Al-pločevino in vezano ploščo si zarišejo mere, izvrtajo luknje, sestavijo spodnji del sončne peči, nato čez zalepijo plastično folijo. Nato izrežejo in izvrtajo še luknje v Al-pločevini in sestavijo še zgornji del

Orodja: vzvodne škarje, vrtalni stroj, vbodna žaga, pila Zaščitna očala, zaščitne rokavice

120 min

3. UTRJEVANJE IN UPORABA Učencem razdeli plastične kozarce, da vanje nalijejo vodo in preizkusijo funkcionalnost sončne peči

Učenci preizkusijo izdelek, tako, da vanj postavijo kozarec vode in izvedejo meritve. Po dvajsetih minutah in nato vsakih 5 minut izmerijo temperaturo vode, zraka ter pod opombe vpišejo vremenske spremembe (oblačno, sonce ali dež)

Termometer, plastični kozarci, voda

40 min

4. ZAKLJUČEK Analizira pomanjkljivosti in predlaga morebitne popravke izdelkov

Učenci predlagajo morebitne izboljšave

15 min

SAMOEVALVACIJA: Ali je bil zastavljeni cilj dosežen? V čem ni bil, vzroki in posledice.

Področje Dobro je uspelo Kaj bi spremenil/ a

• klima v razredu

• načrtovanje

• izbira strategij, metod, oblik in tehnik

• dejavnosti učencev

• razumevanje vsebin


76

Ostale pripombe (motnje, hospitacije, krajšanje ur, potreba po ponovitvi … ):

Priloga 2: Delovni list

Slika 65: Sestava sončne peči [46]

Tabela 2: Vpišite temperaturne spremembe!

Čas Temperatura vode Zunanja temperatura Opombe

Priloga 3: Tehnološka dokumentacija: n sestavna risba n delavniška risba n tehnološki list

Al-folija

Vrata

Vezana plošča Plastična folija Al-pločevina

48°

66° 66° Odsevniki


77

Slika 66: Sestavna risba


78

Slika 67: Delavniška risba 1


79

Slika 68: Delavniška risba 2


80

Tabela 3: Tehnološki list

TEHNOLOŠKI LIST Predmet: Izdelek iz lesa in pločevine Datum Priimek Podpis

SONČNA PEČ Izdelal Marks Pregledal

Zap. št. Delovne operacije Poz. Gradiva Orodja, stroji in

pripomočki

Zaščitna sredstva

Izdelovalni čas (min)

Predviden Izmerjen

1 Zarisovanje in merjenje

1 (2kom) 2 (2kom) 4, 6, 7 5 (2kom)

Al-pločevina, vezana plošča

Svinčnik HB, ravnilo, šestilo

Zaščitne rokavice 15

2 Rezanje

1 (2kom) 2 (2kom) 4, 6, 7 5 (2kom)

Al-pločevina,

vezana plošča

Vzvodne škarje, vbodna

žaga

Zaščitna očala, rokavice, predpasnik

25

3 Piljenje

1 (2kom) 2 (2kom) 4, 6, 7 5 (2kom)

Al-pločevina,

vezana plošča

Pila za les, pila za kovine

Zaščitne predpasnik 10

4 Vrtanje

1 (2kom) 2 (2kom) 4, 6, 7 5 (2kom)

Al-pločevina,

vezana plošča

Vrtalni stroj

Zaščitna očala,

rokavice, predpasnik

15

5 Lepljenje

4, 6, 7 5 (2kom)

Vezana plošča,

Al-folija Lepilo

Zaščitne rokavice,

predpasnik 15

6 Vijačenje

4, 6, 7 5 (2kom)

Vezana plošča, vijaki

Izvijač


predpasnik 15

7 Lepljenje

3

Vezana plošča,

plastična folija

Lepilo


predpasnik 10

8

Vijačenje

1 (2kom) 2 (2kom)

Al-

pločevina, vijaki

Izvijač


predpasnik

15


81

7. ZAKLJUČEK Poraba energije v svetu skokovito narašča. Cene energentov rastejo tako rekoč dnevno,

pridobivanje energije iz navedenih razlogov tako postaja ena izmed temeljnih nalog človeštva

predvsem pa izjemna skrb za prihodnost. Povsem logično je, da se te skrbi že danes zavedajo

predvsem gospodarstva oz. države, ki so energetsko manj obdarjena po drugi strani pa tudi

države, ki so tehnološko, družbeno, socialno in ekološko na visoki razvojni ravni. Preostali

svet se bo te nuje začel zavedati najpozneje takrat, ko bodo fosilna goriva povsem

izkoriščena, naš planet pa zaradi izjemne onesnaženosti še komaj primeren za življenje.

Pa ni potrebno, da bi bilo tako. Raziskava je pokazala, da izkoriščanje sončne energije na

mnogih področjih povsem enakovredno konkurira drugim energetskim resursom pa naj si bo

to tako na področju visokotemperaturnega kakor tudi na področju nizkotemperaturnega

izkoriščanja sončne energije. Dejstvo, da ekološko grajene novogradnje s pomočjo uporabe

sončne energije lahko 100% pokrijejo potrebe po hlajenju in ogrevanju je več kot odličen obet

za prihodnost. Še več, novi pristopi v gradnji in izolaciji lahko stanovanjske objekte

spremenijo ne le v minimalne potrošnike temveč tudi v pomembne proizvajalce energije, ki jo

lahko oddajajo v okolico. Drži, kakor mnogo katera druga tehnologija tudi tehnologija

izkoriščanja sončne energije še ima svoje težave in izzive. Kako jo v celoti ujeti, kako jo

hraniti za kasneje, ko jo bomo potrebovali so sicer pomembna vprašanja a hkrati tudi izzivi, ki

bodo, ko bodo ustrezne rešitve najdene, sončno energijo zagotovo naredili najpomembnejšo

energijo prihodnosti. Dodatno težavo v tem času v mnogih primerih predstavlja tudi cena

tehnologije, ki pa se bo z množičnostjo uporabe, skladno s preprosto ekonomsko logiko

ustrezno znižala.

Ob pojemajočih zalogah konvencionalnih energetskih virov postaja razvoj in optimizacija

izkoriščanja sončne energije eden največji »energetskih izzivov«, priložnost in še bolj nuja

človeštva. Morda bomo prav zato že v bližnji prihodnosti pričeli dajati prednost solarni in

drugim obnovljivim virom energije. Ne smemo živeti samo za danes, za ta trenutek, pač pa

moramo misliti tudi na prihodnost, da bodo tudi naši otroci deležni tega, česar smo danes

deležni mi. Zato moramo nemudoma začeti, po eni strani z energijo varčevati, po drugi strani

pa s koriščenjem bolj čistih energetskih virov. In prav sonce in energija, ki jo le to proizvaja

je zagotovo odlična izbira za čistejšo in energetsko stabilnejšo prihodnost.


82

8. LITERATURA IN INTERNETNI VIRI [1] Burgar, A., (2012). Bodi moder-misli zeleno. http://www.zeleno-kupi.si/, stran nazadnje

obiskana 17. 5. 2012

[2] Greenlearning, Adventures in renewable energy technology, 2011. http://www.re-

energy.ca/, stran nazadnje obiskana 6. 6. 2012.

[3] Energap, Obnovljivi viri energije, 2010. http://www.energap.si/?viewPage=39, stran

nazadnje obiskana 08.6.2012

[4] Solarge, Načrtovanje centralnih solarnih ogrevalnih sistemov, 2005,

http://www.solarge.org/fileadmin/media/docs/slovenian/pdf/Nartovanje_CSOS.pdf, stran


[5] Šentjurc, T. (2011). Z obnovljivimi viri bi zadostili svetovnim potrebam prebivalstva.

Dostopno na spletnem naslovu: <http://24ur.com/novice/svet/biblija-z-obnovljivimi-viri-bi-

zadostili-svetovnim-potrebam.html, stran nazadnje obiskana 23.7.2011

[6] Energap, Energija Sonca, 2007. http://www.energap.si/?viewPage=43, stran nazadnje

obiskana 16.3.2012

[7] Wikipedia, Sončna energija, 2011. http://sl.wikipedia.org/wiki/Son%C4%8Dna_energija,

stran nazadnje obiskana 25.2.2012

[8] Ivanuša, A. (2010). Sonce. http://www.andros.si/vesolje/sonce.html#osnovni stran


[9] Špan, A. (2008). Ljubiteljska astronomija. http://www.ljubiteljska-

astronomija.net/astronomija/sonce.html, stran nazadnje obiskana 9.6.2011

[10] Zgradba in pojavi na soncu, 2011.

http://www2.arnes.si/~mborion4/ado_slo/astronomija/osoncje/sonce/zgradba_sonca.html,


[11] Instalater, Sončna energija iz vesolja, 2009. http://www.instalater.si/clanek/132/Soncna-

energija-iz-vesolja, stran nazadnje obiskana 07.05.2012

[12] Loster, M. (2010). Total Primary Energy Supply From Sunlight.

http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/, stran nazadnje obiskana 07.05.2012

[13] Slovenski portal za fotovoltaiko, Sončno obsevanje v Sloveniji, 2011. http://pv.fe.uni-

lj.si/ObsSLO.aspx, stran nazadnje obiskana 14.04.2012

[14] Kastelec, D., Rakovec, J., Zakšek, K. (2007). Sončna energija v Sloveniji, ZRC,

Ljubljana, str. 11-14

http://www.zeleno-kupi.si/

http://www.re-energy.ca/

http://www.re-energy.ca/

http://www.energap.si/?viewPage=39

http://www.solarge.org/fileadmin/media/docs/slovenian/pdf/Nartovanje_CSOS.pdf

http://24ur.com/novice/svet/biblija-z-obnovljivimi-viri-bi-zadostili-svetovnim-potrebam.html

http://24ur.com/novice/svet/biblija-z-obnovljivimi-viri-bi-zadostili-svetovnim-potrebam.html

http://www.energap.si/?viewPage=43

http://sl.wikipedia.org/wiki/Son%C4%8Dna_energija

http://www.andros.si/vesolje/sonce.html

http://www.ljubiteljska-astronomija.net/astronomija/sonce.html

http://www.ljubiteljska-astronomija.net/astronomija/sonce.html

http://www2.arnes.si/~mborion4/ado_slo/astronomija/osoncje/sonce/zgradba_sonca.html

http://www.instalater.si/clanek/132/Soncna-energija-iz-vesolja

http://www.instalater.si/clanek/132/Soncna-energija-iz-vesolja

http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/

http://pv.fe.uni-lj.si/ObsSLO.aspx

http://pv.fe.uni-lj.si/ObsSLO.aspx


83

[15] Solargis, Maps of Global horizontal irradiation, 2010. http://solargis.info/free-solar-

maps, stran nazadnje obiskana 14.04.2012

[16] Gaia. (2012). Sončno energijo so uporabljali že v zgodovini.

http://www.bodieko.si/tag/zgodovina, stran nazadnje obiskana 6.6.2012

[17] Bojc, J. (1993). Sonce v vašem domu, Potencial, Ljubljana, str. 11-14.

[18] Project by students for students, The history of solar power, 1998.

http://library.thinkquest.org/17658/sol/solhistoryht.html?tql-iframe, stran nazadnje obiskana

26.9.2011

[19] E-revija, Pionirji sončne energije, 2009. http://www.erevija.com/clanek/935/Pionirji-

soncne-energije, stran nazadnje obiskana 08.04.2012

[20] Sporočilo o zakonodajnem svežnju glede energije iz obnovljivih virov in podnebnih

sprememb, 2008. http://europa.eu/documentation/index_sl.htm, stran nazadnje obiskana

10.06.2012

[21] Vidic, T. (2008). Nekaj dobrih znakov, a še več brezbrižnosti.

http://www.zelenaslovenija.si/revija-eol-/aktualna-stevilka/okolje/1019-nekaj-dobrih-znakov-

a-se-vec-brezbriznosti-eol-60, stran nazadnje obiskana 10.06.2012

[22] Umberger, M. (2010). Varčevanje z energijo je najcenejša energija. Mladina.

http://www.mladina.si/tednik/201037/varcevanje_z_energijo_je_najcenejsa_energija, stran


[23] Kranjec, S.,Finance, (2012). Obnovljivi viri.

http://www.gradimo.com/gradnja/obnovljivi-viri-energije, stran nazadnje obiskana 09.3.2012

[24] Medved S., Novak P. (2000). Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, str., 31-36

[25] Obnovljivi viri energije, Sončna energija, 2008. http://www.ove.si/index.php?P=8, stran

nazadnje obiskana 16. 05. 2012

[26] Biotherm, Nekaj o sončnih kolektorjih, 2009. http://www.biotherm.si/cms/node/100

nazadnje obiskana 11. 06. 2012

[27] Ekostran, Sončna energija, 2010. http://www.ekostran.si/vrste-ove/son%C4%8Dna-

energija, stran nazadnje obiskana 11. 06. 2012

[28] Fotovoltaika, Kako delimo solarne celice, 2011. http://fotovoltaika-on.net/solarne-

celice/kako-delimo-solarne-celice.html, stran nazadnje obiskana 08. 06. 2012

[29] Medved, S., Novak, P., (2000).Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za Strojništvo, Ljubljana, str. 136-141

http://solargis.info/free-solar-maps

http://solargis.info/free-solar-maps

http://www.bodieko.si/tag/zgodovina

http://www.erevija.com/clanek/935/Pionirji-soncne-energije

http://www.erevija.com/clanek/935/Pionirji-soncne-energije

http://europa.eu/documentation/index_sl.htm

http://www.zelenaslovenija.si/revija-eol-/aktualna-stevilka/okolje/1019-nekaj-dobrih-znakov-a-se-vec-brezbriznosti-eol-60

http://www.zelenaslovenija.si/revija-eol-/aktualna-stevilka/okolje/1019-nekaj-dobrih-znakov-a-se-vec-brezbriznosti-eol-60

http://www.mladina.si/tednik/201037/varcevanje_z_energijo_je_najcenejsa_energija

http://www.gradimo.com/gradnja/obnovljivi-viri-energije

http://www.ove.si/index.php?P=8

http://www.biotherm.si/cms/node/100

http://www.ekostran.si/vrste-ove/son%C4%8Dna-energija

http://www.ekostran.si/vrste-ove/son%C4%8Dna-energija

http://fotovoltaika-on.net/solarne-celice/kako-delimo-solarne-celice.html

http://fotovoltaika-on.net/solarne-celice/kako-delimo-solarne-celice.html


84

[30] Wikipedia, Solar power, 2012. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power, stran nazadnje

obiskana 16. 05. 2012

[31] Medved, S., Novak, P., (2000).Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za Strojništvo, Ljubljana, str. 72-80, 97-112

[32] Marles, Pasivna hiša, 2010. http://www.marles-hise.si/pasivna-hisa.html, stran nazadnje

obiskana 11. 06. 2012

[33] Medved S., Novak P. (2000). Varstvo okolja in obnovljivi viri energije. Univerza v

Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, str., 125-131

[34] ISSUU, Energetika.net, Prva montažna plus energijska hiša v Sloveniji, 2011,

http://issuu.com/energetika.net/docs/energetika.net4_jesen2011/37, stran nazadnje obiskana

21.3.2012

[35] Kegel, M., (2011) Proizvodnja zelene električne energije tudi v Dupleku.

http://www.energijadoma.si/znanje/evropska-direktiva-o-spodbujanju-proizvodnje-elektricne-

energije/proizvodnja-zelene-elektricne-energije-tudi-v-dupleku, stran nazadnje obiskana

14.04.2011

[36] Grobovšek, B. (2012). Pasivni sistemi za naravno ogrevanje stavb.

http://www.evip.si/index.php?option=com_content&task=view&id=199&Itemid=168, stran


[37] Grobovšek,B. (2008). Novogradnje. Načrtovanje nizkoenergijske ali pasivne hiše

http://www.novogradnje.com/Clanki/Nacrtovanje_nizkoenergijske_ali_pasivne_hise.html,


[38] EECM, Solarno ogrevanje zraka, 2012. http://eecm.eu/slo/?page_id=122, stran nazadnje

obiskana 26.5.2012

[39] EECM, Solarno hlajenje, 2012. http://eecm.eu/slo/?page_id=118, stran nazadnje

obiskana 26.5.2012

[40] Sekirnik, A. (2011). EkoVivendi, Solarno ogrevanje in hlajenje. http://www.eko-

je.in/storitve/solarno-hlajenje-in-ogrevanje, stran nazadnje obiskana 13.4.2012

[41] ISSUU, Energetika.net, Prva montažna plus energijska hiša v Sloveniji, 2011,

http://issuu.com/energetika.net/docs/energetika.net4_jesen2011/37, stran nazadnje obiskana

21.3.2012

[42] Aberšek, B., Florjančič, F, Papotnik, A (2001). Tehnika 8, priročnik za učitelje, DZS,

Ljubljana, str. 29,30

[43] Aberšek, B. (2012). Didaktika tehniškega izobraževanja med teorijo in prakso, ZRSZŠ,

Ljubljana,

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power

http://www.marles-hise.si/pasivna-hisa.html

http://issuu.com/energetika.net/docs/energetika.net4_jesen2011/37

http://www.energijadoma.si/znanje/evropska-direktiva-o-spodbujanju-proizvodnje-elektricne-energije/proizvodnja-zelene-elektricne-energije-tudi-v-dupleku

http://www.energijadoma.si/znanje/evropska-direktiva-o-spodbujanju-proizvodnje-elektricne-energije/proizvodnja-zelene-elektricne-energije-tudi-v-dupleku

http://www.evip.si/index.php?option=com_content&task=view&id=199&Itemid=168

http://www.novogradnje.com/Clanki/Nacrtovanje_nizkoenergijske_ali_pasivne_hise.html

http://eecm.eu/slo/?page_id=122

http://eecm.eu/slo/?page_id=118

http://www.eko-je.in/storitve/solarno-hlajenje-in-ogrevanje

http://www.eko-je.in/storitve/solarno-hlajenje-in-ogrevanje

http://issuu.com/energetika.net/docs/energetika.net4_jesen2011/37


85

[44] Ion, A., (2008), Pizza box solar oven, http://www.devicepedia.com/eco-friendly/diy-

pizza-box-solar-oven.html, stran nazadnje obiskana 8.9.2012

[45] Active Learning, Nabor aktivnosti projekta Aktivno učenje, 2011.

www.teachers4energy.eu/LangSpecPages/SL/PDF-SL/.../13s4.pdf, stran nazadnje obiskana 8.

6. 2012.

[46] Kuduzović, D. (2007). Pripomočki pri spoznavanju sončne energije, Seminarska naloga

pri predmetu tehnike s seminarjem II, Ljubljana, str. 13-15

[47] Ehow, How to make a solar oven, 2011. http://www.ehow.com/how_2083_make-solar-

oven.html, stran nazadnje obiskana 8. 6. 2012.

[48] Energetika v osnovni šoli, Izbirni predmet energetika v 8. razredu OŠ.

http://ro.zrsss.si/projekti/energetika/index.htm, stran nazadnje obiskana 13.5.2012

[49] Verbnik, I. (2011). Zakaj nas ne bi grelo sonce. Svetovalec Varčujem z energijo. 5, št. 23,

str. 48 – 49.

[50] Director, M. (2008). Novi ogrevalni sistemi, gradnja z Lahkoto., Tehniška založba

Slovenije, Ljubljana, str. 25-41

[51] Böse, K.H. (1979). Uporabljajmo Sončno energijo, Tehniška založba Slovenije,

Ljubljana, str. 8-23

[52] Florjančič, F., Bizjak, M., Brežnik, V., Knez, E., Kovačec, M., Kragelj, K., Poteko, M.,

Špajzer, A., (2005) Tehniški dnevi od 6. do 9. razreda v devetletni osnovno šoli, zavod

republike Slovenije za šolstvo, Ljubljana

http://www.devicepedia.com/eco-friendly/diy-pizza-box-solar-oven.html

http://www.devicepedia.com/eco-friendly/diy-pizza-box-solar-oven.html




http://ro.zrsss.si/projekti/energetika/index.htm

Documents

IZKORIŠČANJE SONČNE ENERGIJE - KopijaMarks, M.: Izkoriščanje sončne energije, Diplomsko delo, Fakulteta za naravoslovje in matematiko, 2012 II »Narava dela vedno v danih okoliščinah,