1

Rozdział 6 Ogrzewanie wody z wykorzystaniem energii słonecznej

Poza pasmem widzialnym promieniowanie słoneczne obejmuje również dłuższe fale, których energia może być pochłaniana przez gazy oraz substancje płynne i stałe, a następnie przekształcana w energię cieplną. Przykłady to atmosfera ziemska, która absorbuje ciepło od przechodzącego przez nią promieniowania słonecznego, oraz powierzchnia ziemi. Równowaga między zjawiskami absorbcji i odbicia umożliwia istnienie życia na naszej planecie. W instalacjach ogrzewania słonecznego selektywne materiały absorbujące są wykorzystywane do pochłaniania promieni podczerwonych i ogrzewania wody, czyli płynu „słonecznego” przepływającego przez system przewodów. Ekosystemy ziemskie przystosowały się do wąskiego zakresu temperatur. Zmienna ilość ciepła i światła słonecznego zagroziłaby organizmom żywym; ziemia byłaby zbyt gorąca lub zbyt zimna.

6.1 Układ Słoneczny

Rycina 6.1: Układ Słoneczny Nasz układ słoneczny składa się z ośmiu planet i innych małych obiektów, na przykład planetoidów, komet, meteoroidów i pyłu kosmicznego. Pierwsze cztery planety (Merkury, Wenus, Ziemia i Mars) są stosunkowo niewielkie i składem przypominają ziemię (skały). Pozostałe cztery (Jowisz, Saturn, Uran i Neptun) to znacznie większe planety gazowe. Wszystkie obiekty w naszym układzie słonecznym krążą wokół Słońca. Jego energia słoneczna maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości. Ziemia znajduje się w takiej odległości od Słońca, przy której światło i ciepło słoneczne umożliwiają funkcjonowanie ekosystemów w biosferze. Największym niebezpieczeństwem związanym z emisją gazów cieplarnianych jest gwałtowna zmiana równowagi promieniowania słonecznego, która uniemożliwi ekosystemom adaptację do nowych warunków. Niemal wszystkie formy życia na Ziemi, w tym wszystkie rośliny i zwierzęta, są uzależnione od słonecznego ciepła i światła. Słońce wytwarza energię od miliardów lat. Energia słoneczna to promieniowanie słoneczne, które dociera do ziemi. Może ona być przekształcana bezpośrednio lub pośrednio w inne postacie energii, na przykład ciepło lub prąd elektryczny.

6.2 Słońce

Słońce jest gwiazdą średniej wielkości, o średnicy ok. 1,4 mln km, tworzoną przez gazy - głównie wodór. Rdzeń Słońca jest bardzo gorący (ok. 15 mln stopni Celsjusza), zatem panuje w nim ogromne ciśnienie gazów, ok. 100 mld razy wyższe od ciśnienia atmosferycznego na Ziemi. Dlatego atomy wodoru znajdują się tak blisko siebie, że łączą się ze sobą tworząc hel i generując światło oraz ciepło (rycina 6.2).

2

Rycina 6.2: Powstawanie helu i światła Duża część emitowanej przez Słońce energii rozprasza się w przestrzeni kosmicznej, a jedynie niewielki jej procent dociera do Ziemi; wystarczy to jednak do podtrzymania życia na naszej planecie.

6.3 Ziemia

Ziemia (rycina 6.3) jest największą z czterech planet ziemskich i leży 150 mln km od Słońca. Co 365 dni wykonuje wokół niego jedno pełne okrążenie. Oś ziemska jest odchylona od płaszczyzny obrotu Ziemi. Jest to powodem występowania okresu letniego, gdy oś nachylona jest w kierunku Słońca, a zimowego, gdy jest od niego odchylona. Obrót Ziemi wokół własnej osi powoduje następstwo dnia i nocy.

Różne pory roku, dzień i noc wywołują zróżnicowanie ilości dostępnego ciepła oraz światła, przez co bezpośrednie wykorzystanie tych źródeł do wytworzenia energii nie jest łatwe. Energia ta może jednak być magazynowana na różne sposoby - bezpośrednio w postaci ciepła w gruncie, jeziorach i rzekach, dostarczając źródła ciepła dla pomp cieplnych, bądź pośrednio, poprzez przekształcenie światła w biomasę (np. przez rośliny w procesie fotosyntezy), która jest spalana w celu produkcji ciepła lub pary do napędzania urządzeń wytwarzających energię. Pozostałe części tego rozdziału omawiają bezpośrednie ogrzewanie wody z wykorzystaniem kolektora słonecznej energii cieplnej, opisują zasady jego działania oraz metody zastosowania.

Rycina 6.3: Ziemia

6.4 Promieniowanie słoneczne

Słońce emituje promieniowanie elektromagnetyczne, którego istotnym komponentem jest światło widzialne. Fale od niego dłuższe tworzą podczerwoną część pasma. Ta część promieniowania ma zdolność ogrzewania ośrodka, przez który jest pochłaniana, np. atmosfery ziemskiej. Ilość promieniowania zależy od położenia Słońca: im jest ono niżej, tym więcej energii pochłania atmosfera. Powoduje to obserwowane różnice temperatury w ciągu dnia, między latem a zimą oraz między północną a południową częścią każdego państwa. Roczne średnie promieniowanie słoneczne w Polsce przedstawiono na rycinie 6.4. W słonecznym dniu promieniowanie pada bezpośrednio na ziemię. Jednak w razie zachmurzenia dociera go mniej, ponieważ jest rozpraszane przez krople wody w chmurach. Typowe wartości pokazano na rycinie 6.5

Rycina 6.4: Roczne średnie promieniowane słoneczne dla Polski

3

światło słoneczne

powłoka odbijająca

powierzchnia szklana

powierzchnia absorbera

przewód

Rycina 6.5: Typowe wartości promieniowania słonecznego W lecie promieniowanie słoneczne wystarcza zwykle na pokrycie niemal całego zapotrzebowania na ciepłą wodę. Zimą z kolei udział wody podgrzewanej energią słońca jest znacznie mniejszy. W Wielkiej Brytanii promieniowanie słoneczne pokrywa ok. 50-60% zapotrzebowania na ciepłą wodę. Typowe, czteroosobowe gospodarstwo domowe zużywa ok. 3000 kWh energii na podgrzanie wody. Odpowiada to ok. 20% rocznego zużycia gospodarstw. Na skutek dziennego i sezonowego zróżnicowania ilości światła, słoneczne systemy ogrzewania wody pokrywają tylko około połowy domowego zapotrzebowania na ciepłą wodę w Europie Środkowej, nieco mniej w Europie Północnej i około dwie trzecie w Europie Południowej.

6.5 Cieczowe kolektory słoneczne

Działanie wszystkich kolektorów opiera się na zdolności pochłaniania promieniowania podczerwonego i przekazywania jego ciepła do wody krążącej w rurach. Najczęściej stosuje się kolektor płaski. Składa się on z prostokątnej skrzynki o długości zwykle 1-2 m i szerokości 800-1000 mm. Przez skrzynkę przechodzą przewody, przymocowane do czarnej powierzchni absorbera. Przepływa przez nie woda, ogrzewając się przez pochłanianie promieniowania podczerwonego.

Na rycinie 6.6 przedstawiono wędrówkę światła słonecznego przez kolektor. Światło przechodzi przez szklaną powierzchnię do absorbera. Większość promieniowania jest pochłaniana; światło odbite jest kierowane ponownie do środka przez powłokę odbijającą ciepło. Jest wiele modeli kolektorów płaskich, zwykle jednak wszystkie składają się z: płaskiego absorbera, który wykrywa i pochłania energię słoneczną, przezroczystych pokryw, które przepuszczają promieniowanie słoneczne, ale ograniczają straty ciepła na absorberze; płynu - nośnika ciepła, przemieszczającego się w rurach i odbierającego ciepło z absorbera; oraz podkładki z izolacją cieplną.

Rycina 6.6: Droga światła słonecznego

4

Instalacja Kolektor najlepiej założyć po stronie południowej. Optymalnym kątem nachylenia jest szerokość geograficzna plus 15 stopni (rycina 6.7). Nie stanowi to przeszkód w przypadku dachu poziomego. Jeśli dach jest nachylony, kolektor na ogół zakładany jest równolegle do jego powierzchni, bądź też wbudowywany w dach (w nowszym budownictwie). Jeśli istnieje możliwość ustawienia kąta nachylenia kolektora, najlepsze jest nachylenie 30º latem, a 70º zimą, ponieważ zimą słońce znajduje się niżej. Rycina 6.7: Kolektory oraz kąty ich nachylenia

Mniej powszechny typ wodnego kolektora słonecznego wykorzystuje dwie koncentryczne rury (patrz rycina 6.8). Zewnętrzną wypełnia próżnia i znajduje się w niej półkoliste srebrne lustro, które skupia światło na nie padające i kieruje je na rurę absorbera, zawierającą tzw. płyn „słoneczny” (płyn roboczy).

Rycina 6.8: Rura kolektora próżniowego

dach płaski

kolektor kąt nachylenia

kolektor

kąt nachylenia

dach pochyły

5

Wydajność kolektora zależy od różnicy temperatur oraz intensywności promieniowania słonecznego w ciągu roku. Im większa różnica między temperaturą na wejściu i na wyjściu (miejscu oddawania ciepła), oraz im niższe promieniowanie, tym gorsza wydajność (rycina 6.9). Rycina 6.9: Zmiana wydajności na skutek różnic temperatury

6

Ćwiczenie 6.1: Słoneczne ogrzewanie wody

Ćwiczenie 6.1: Słoneczne ogrzewanie wody Absorbcja ciepła zależy od koloru powierzchni: najlepszym pochłaniaczem jest barwa czarna, zaś inne kolory częściowo absorbują, a częściowo odbijają promieniowanie. Ćwiczenie pokazuje zdolność światła (słonecznego) do ogrzewania. Zadania Pracując w małych grupach wykonajcie następujące polecenia 1. Podłącz czarny wąż do kranu i napełnij go wodą. Wystaw go na światło przez 1, 2 i 5

minut. Po każdej ekspozycji odlej wodę do zlewki i zmierz jej temperaturę. 2. Powtórz to samo z wężem zielonym, dla tych samych okresów ekspozycji na światło. 3. Jeśli twoim źródłem światła jest lampa, zbadaj efekt przesunięcia jej do połowy

odległości od rury. 4. Nanieś swoje pomiary na wykres zależności temperatury od czasu ekspozycji. 5. Przedyskutuj w swojej grupie poniższe pytania

o jaka temperatura jest potrzebna do nagrzania wody do kąpieli? o ile czasu zajęłoby to dla rur różnych kolorów? o jakiej długości rurę potrzebowałbyś do wytworzenia 20 l gorącej wody do

kąpieli i jak długo musiałbyś na nią czekać? Uwagi dla nauczyciela To ćwiczenie przedstawia zasadę ogrzewania wody za pomocą promieniowania podczerwonego światła słonecznego oraz znaczenie koloru dla pochłaniania tego promieniowania. Jeśli światło słoneczne jest niedostępne, można posłużyć się zwykłą żarówką lub lampą podczerwoną. Cel: Zbadać wpływ światła na ogrzewanie wody. Materiały: dwumetrowe długości zielonego i czarnego węża ogrodowego; zaczepy do umocowania węża do kranu; zlewka z podziałką; termometr; żarówka z włóknem żarnikowym 100 W lub lampa podczerwona, jeśli nie ma dostępu do światła słonecznego. Słowa kluczowe: temperatura, światło/podczerwień, wpływ barwy Umiejętności: obserwacji, nanoszenia danych na wykres, analizy i dedukcji Przedmioty: naukowe, geografia Etapy kluczowe: 2-3 Wiek: 10-12 lat

7

Ćwiczenie 6.2: Potencjał słonecznego ogrzewania wody

Ćwiczenie 6.2: Potencjał słonecznego ogrzewania wody Potencjał wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania wody jest w dużym stopniu zależny od rodzaju budynku, jego orientacji oraz nachylenia i konstrukcji dachu. Jeśli mieszkasz w domu wielorodzinnym, musisz uwzględnić, że nagrzana słońcem woda użytkowana jest także przez innych mieszkańców. W Hiszpanii wprowadzono przepis nakładający obowiązek zakładania słonecznego ogrzewania wody w każdym nowo budowanym domu. Zadania Wypełnij kartę pracy 6.2 odpowiadając na następujące pytania

1. Określ rodzaj budynku, w którym mieszkasz 2. Jeśli mieszka w nim tylko twoja rodzina, czy dach jest ukośny, czy płaski? 3. Jeśli dach jest płaski, podaj jego położenie względem słońca 4. Czy słońce oświetla dach twojego domu przez cały dzień, czy też jest on zacieniony

przez drzewa lub inne zabudowania? 5. Przyjrzyj się innym domom w okolicy i sprawdź, czy mają słoneczne ogrzewacze wody.

Jeśli tak, spróbuj wyjaśnić, dlaczego je założono. 6. Przynieś swoją kartę pracy do szkoły i omów odpowiedzi z kolegami z grupy 7. Dowiedz się, ile osób z twojej klasy odniosłoby korzyści z instalacji słonecznego

ogrzewania wody Uwagi dla nauczyciela Jest to interesujące ćwiczenie, w którym uczeń ma za zadanie zastanowić się, w jaki sposób odnawialne źródło energii, w tym przypadku cieplna energia słoneczna, może być wykorzystane w jego domu. Uczeń może na początku odpowiedzieć na pytania analizując jeden lub kilka budynków szkolnych, dzięki czemu opracuje metodę badania. Pomocne będzie przekazanie krótkiej informacji dla rodziców o tym, jakie są cele wykonywanego przez uczniów ćwiczenia. Cel: Określić, czy słoneczne ogrzewanie wody może być zastosowane w domu ucznia. Materiały: karta pracy 6.2; kompas (opcjonalnie) Słowa kluczowe: położenie, orientacja, bezpośrednie światło słoneczne Umiejętności: obserwacji, analizy Przedmioty: geografia, wiedza obywatelska Słowa kluczowe: 2-3 Wiek: 10-14 lat

8

6.6 Otrzymywanie ciepłej wody

Podstawą działania słonecznego ogrzewania wody są powierzchnie selektywne. Są to powierzchnie (lub powłoki), których zdolność do pochłaniania, przekazywania, odbijania lub promieniowania zależy od długości fali padającego na nie światła. Jeśli kolektor słoneczny jest zaprojektowany w odpowiedni sposób, umożliwia wydajną zamianę promieniowania podczerwonego na ciepło. Typowy system ogrzewania wody przedstawiono na rycinie 6.10. Pokazuje ona kolektor słoneczny, zbiornik na wodę oraz podłączone do niego przewody wodne. Płyn znajdujący się w kolektorze zostaje podgrzany, a następnie przepływa do zbiornika wody przez wężownicę, która oddaje ciepło wpływającej do zbiornika zimnej wodzie. Schłodzona woda wpływa z powrotem do kolektora słonecznego, gdzie jest ponownie ogrzewana. Jest to układ pośredni, ponieważ płyn roboczy może zawierać substancję przeciwdziałającą zamarzaniu w niskich temperaturach. W południowej Europie, gdzie nie ma takiego ryzyka, ogrzana woda może być użyta bezpośrednio.

Rycina 6.10: Typowy system słonecznego ogrzewania wody Aby zapewnić ciągły dostęp do ciepłej wody, potrzebny jest drugi lub pomocniczy system ogrzewania, pracujący w okresie zimowym, gdy nie ma wystarczającej ilości światła słonecznego. Sieć przewodów wodnych ogrzewania słonecznego zwykle łączy się z siecią przewodów istniejącego systemu ogrzewania wody, który nie włącza się, dopóki wpływająca do niego woda nie osiągnie odpowiednio niskiej temperatury. Wtedy system pomocniczy może dodatkowo podgrzać wodę. Wysokotemperaturowe słoneczne ogrzewacze wodne są wydajne energetycznie i mogą generować ciepłą wodę i ciepło w dużych obiektach handlowych lub przemysłowych. Istnieją także inne rodzaje kolektorów, na przykład paraboliczne kolektory rynnowe, które mają właściwość skupiania światła słonecznego i dostarczają ciepłej wody na użytek do zastosowania w handlu i przemyśle.

światło słoneczne

kolektor słoneczny

zimna woda

ciepła woda

drugi system ogrzewania

zbiornik na wodę

pompa cyrkulacyjna

zimna woda

ciepła woda

9

Ćwiczenie 6.3: Tropiciel zużycia ciepłej wody

Ćwiczenie 6.3: Tropiciel zużycia ciepłej wody

W tym ćwiczeniu oszacujesz, ile ciepłej wody zużywa twoja rodzina. Zobaczysz, kto i dlaczego wykorzystuje najwięcej ciepłej wody. Przydatna będzie miska lub wiadro o znanej objętości. Zadania

1. Znajdź miskę lub wiadro i zmierz jego objętość za pomocą naczynia z miarką 2. Podaj gdzie używana jest ciepła woda i wpisz tę informację do karty pracy 3. Spytaj każdego mieszkańca swojego domu, w jaki sposób używa wody 4. Następnie za pomocą wiadra lub miski sprawdź, ile wody zużywane jest przy każdej

czynności (w przypadku urządzeń takich jak pralka lub zmywarka, będziesz musiał zajrzeć do instrukcji lub sprawdzić etykietę energetyczną)

5. Podsumuj zużycie wody dla wszystkich mieszkańców domu 6. By określić, czy ta wartość jest wysoka, czy niska, przynieś swoje wyniki do szkoły i

przedyskutuj z kolegami z grupy 7. Spytaj inne grupy, w jaki sposób można zmniejszyć zużycie ciepłej wody

Uwagi dla nauczyciela To ćwiczenie jest nietypowe, ponieważ nie jest łatwo oszacować zużycie ciepłej wody. Zróżnicowanie zużycia między różnymi gospodarstwami może być dość znaczne, nawet po uwzględnieniu liczby mieszkańców. Ćwiczenie powinno w interesujący sposób pokazać zwyczaje społeczne i może wywołać ciekawą dyskusję w każdej grupie wiekowej. Ćwiczenie może być z początku przetestowane w szkole - można zacząć od ustalenia, gdzie zużywana jest ciepła woda i w jakiej ilości. Uczniowie musieliby przeprowadzić badanie zużycia ciepłej wody i porozmawiać z pracownikami szkoły. Cel: Określenie objętości ciepłej wody wykorzystanej w domu rodzinnym Materiały: karta pracy 6.3, wiadro lub miska, zlewka z miarką Słowa kluczowe: zużycie wody, pomiar, objętość Umiejętności: pomiaru, analizy, przeprowadzania badania Przedmioty: geografia, wiedza obywatelska, przedmioty naukowe Etapy kluczowe: 2-3 Wiek: 10-14 lat

10

Karty pracy Karta pracy 6.1: Słoneczne ogrzewanie wody

zadanie czas (minuty) temperatura (ºC) uwagi woda z kranu czarny wąż zielony wąż czarny wąż temperatura wody pod prysznicem czas do nagrzania czarnego węża zielonego węża czarnego węża

1 2 5 1 2 5 1 2 5

-

odległość od lampy połowa odległości od lampy połowa odległości od lampy

11

Karta pracy 6.2: Potencjał słonecznego ogrzewania wody

Pyt. 1 Rodzaj domu

Pyt. 2 Rodzaj dachu

Pyt. 3 Orientacja szczytu dachu

Pyt. 4 Ilość światła słonecznego

data godzina udział światła

słonecznego uwagi Pyt. 5 Badanie ilości

światła na dachu słońce na dachu: brak / częściowo / cały godziny pełnego nasłonecznienia godziny częściowego nasłonecznienia

6 8 10 12 14 16 18

brak słońce jeszcze nie wzeszło

szczyt dachu

północ

południe

zachód wschód

płn-wsch

płd-zach

płn-zach

płd-wsch

12

Karta pracy 6.3: Tropiciel zużycia ciepłej wody Do określenia zużycia wody w domu.

zadanie liczba na dzień objętość w wiadrach

objętość w litrach

uwagi

pojemność wiadra zmywanie, mycie i pranie: naczynia ubrania prysznic kąpiel inne

1 zmierzyć pojemność wiadra rodzeństwo/ rodzice rodzeństwo/ rodzice

całkowita objętość

13

Ćwiczenie 6.4: Szukanie porady

Ćwiczenie 6.4: Szukanie porady Trudno zdobyć poradę na temat zastosowania słonecznego ogrzewania wody w domu i innych zagadnień związanych z energią. Jest jednak kilka źródeł informacji, które nie przyszłyby nam nawet do głowy. Zadania 1 Zastanów się, gdzie mógłbyś zwrócić się po poradę na temat słonecznego ogrzewania wody w

domu. 2 Wypełnij kartę pracy 6.4, w której zebrano źródła informacji oraz porady, które możesz

wykorzystać (T/N), oraz które zdecydowałbyś się wykorzystać (pref.). Uwagi dla nauczyciela: Kontekst: Z ekonomicznego punktu widzenia właściwa porada na temat słonecznego ogrzewania wody w domu jest bardzo wartościowa. To ćwiczenie daje uczniowi możliwość określenia swoich preferencji przy poszukiwaniu informacji i porad. Cel: To proste ćwiczenie ma dwa cele: 1) pokazać uczniom, jak wiele jest potencjalnych źródeł informacji oraz 2) dostarczyć nauczycielom wiedzę o preferowanych przez uczniów źródłach informacji. Materiał: internet, książka telefoniczna. Słowa kluczowe: doradztwo energetyczne, ośrodki informacyjne. Umiejętności: szukania informacji, zadawania odpowiednich pytań. Przedmioty w krajowym programie nauczania: Zakres wiekowy: Etap kluczowy ?? Karta pracy 6.4 pref. T N pref. T N związek konsumentów rodzice ośrodki doradztwa energetycznego

ośrodki doradztwa telefonicznego

dzień/tydzień energii hydraulicy lokalna wystawa/targi energetyczne

biblioteka publiczna

seminarium/kurs o energii rodzina przyjaciele biblioteka szkolna osoby instalujące urządzenia

grupa rówieśników w szkole

internet nauczyciele szkolni czasopisma muzeum naukowe/techniczne wytwórcy sklepy sąsiedzi programy telewizyjne organizacje pozarządowe firmy usługowe

Inne źródło informacji, z którego chciałbyś skorzystać:

14

pojemnik do gotowania z wykorzystaniem słońca, z czarnym garnkiem w środku

6.7 Gotowanie z wykorzystaniem energii słonecznej

W wielu miejscach na świecie kuchenki wykorzystują prąd elektryczny, drewno, ropę i inne odnawialne źródła energii. Na obszarze Sahelu jest bardzo niewiele złóż paliw, ale za to dużo słońca. Dla żyjących tam ludzi stosowanie energii słonecznej do gotowania jest tanie i skuteczne. W odpowiednim pojemniku do gotowania z wykorzystaniem słońca jeden litr wody może osiągnąć temperaturę wrzenia w ciągu godziny, zależnie od izolacji pojemnika.

Rycina 6.11: Typowy zestaw do gotowania z wykorzystaniem promieniowania słonecznego Ćwiczenie 6.5: Zbuduj słoneczny pojemnik do gotowania

Ćwiczenie 6.5: Zbuduj słoneczny pojemnik do gotowania To ćwiczenie da ci satysfakcję z osiągnięcia praktycznych wyników w krótkim czasie. Będziesz też mógł pobrać pomiary i narysować wykres przedstawiający pracę twojego pierwszego słonecznego pojemnika do gotowania. W krajach rozwijających się zasoby paliw nieodnawialnych są bardzo niskie, dlatego aby sprostać zapotrzebowaniom na energię, ścinane są nawet młode drzewa. Niszczy to pokrywę roślinną, ogranicza źródło cienia i powoduje erozję gleby. Kuchenka, która nie ma żadnych kosztów eksploatacyjnych, może być wykonana z prostych materiałów, stanowi więc doskonałą alternatywę dla tradycyjnych urządzeń do gotowania. Zadania

1. Znajdź tekturowe pudło o wymiarach ok. 30x30x30 cm (zużyte pudło do pakowania) 2. Wymień działania, które wykorzystują ciepło słoneczne i wymień je na karcie pracy 3. Przykryj wnętrze pudełka folią aluminiową 4. Na pokrywie połóż lustro lub folię 5. Przymocuj sznurek za pomocą gwoździa lub taśmy tak, by pokrywa mogła być

pochylana pod różnym kątem 6. Umieść przezroczystą szybę lub płytę poliwęglanową na otwartym pudle i umieść

kuchenkę na słońcu. Pochyl pokrywę tak, by odbijała jak najwięcej światła do wnętrza pojemnika.

7. Umieść termometr w pojemniku i obserwuj wzrastającą temperaturę 8. Jak bardzo może podnieść się temperatura? 9. Spróbuj przygotować herbatę, jajecznicę lub inną potrawę w pojemniku 10. Przedyskutuj z innymi grupami, w jaki sposób można skrócić czas gotowania wody 11. Ile kosztuje wytworzenie kuchenki słonecznej? Ile kosztowałoby przygotowanie

posiłku dla rodziny, jeśli do gotowania użytoby drewna? Ile drewna byłoby potrzebne do gotowania dla całej rodziny przez rok?

czarny, nieodbijający promieniowania garnek i pokrywka

15

POJEMNIK

ABSORBERA

12. Umieść folię aluminiową na innych częściach pudełka, by odbijała światło i podniosła temperaturę gotowania. Jak bardzo to pomogło?

Uwagi dla nauczyciela Skuteczność kuchenki słonecznej zwiększy lepsza izolacja. Znajdź dwa tekturowe pudełka różnych rozmiarów, włóż jedno w drugie, a przestrzeń między nimi wypełnij zgniecionymi gazetami. Cele: Dowiedzieć się, w jaki sposób alternatywne technologie mogą poprawić jakość naszego życia bez szkody dla środowiska; zrozumieć położenie ludzi z innych kontynentów, którzy nie mają dostępu do zasobów paliw i nie stać ich na sprzęt zaawansowanej technologii; wykonać manualną pracę do skonstruowania pożytecznego urządzenia. Materiały: tekturowe pudełko, folia aluminiowa (może być kuchenna), szyba lub przezroczysta płyta poliwęglanowa, sznurek, taśma klejąca, termometr Słowa kluczowe: efekt cieplarniany, ocieplenie, pomiar, zużycie wody, objętość Umiejętności: pracy z materiałem w postaci tektury, pomiaru, analizy, przeprowadzania badania Przedmioty: geografia, wiedza obywatelska, przedmioty naukowe Etapy kluczowe: 2-3 Wiek: 10-14 lat

6.8 Słoneczna suszarka do owoców

Jednym z pierwszych sposobów konserwacji żywności było usuwanie z nich wody poprzez suszenie. Ponieważ piece do suszenia żywności wynaleziono dużo później, ludzie wykorzystywali do tego ciepło słoneczne. Wiele osób do dziś suszy owoce na słońcu, otrzymując wysokiej jakości naturalnie zakonserwowaną żywność.

Schemat wykonania suszarki do owoców jest bardzo podobny do pojemnika słonecznego gotowania. Jej działanie polega na ogrzewaniu strumienia powietrza przechodzącego przez zrobione z siatki półki, na których rozłożone są owoce.

Promienie słoneczne przechodzą przez poliwęglanową pokrywę kolektora i ogrzewają absorber. Powoduje to powstanie ciągu ciepłego powietrza. Do tego celu niezbędny jest płaski kolektor słoneczny, ogrzewający przepływające przez niego powietrze, które następnie opuszcza pojemnik zabierając ze sobą wilgoć parującą z owoców.

Słoneczne promieniowanie cieplne ogrzewa powietrze dostające się do urządzenia u dołu kolektora słonecznego. Ciepłe powietrze wznosi się, a konstrukcja suszarki umożliwia przepływ rozgrzanego powietrza nad owocami umieszczonymi na półkach.

Rycina 6.12: Tania i prosta do wykonania słoneczna suszarka do owoców

16

Ćwiczenie 6.6: Zbuduj słoneczną suszarkę do owoców

Ćwiczenie 6.6: Zbuduj słoneczną suszarkę do owoców Wykonanie tego ćwiczenie da ci satysfakcję z innego praktycznego zastosowania energii słonecznej w gospodarstwie domowym. Słoneczna suszarka do owoców, niewymagająca żadnych kosztów eksploatacyjnych, może być wykonana z prostych materiałów i dlatego jest świetną alternatywą dla kosztownych i produkujących zanieczyszczenia suszarek, zasilanych prądem elektrycznym lub energią paliw kopalnych. Zadania

1. Znajdź tekturowe pudło o wymiarach ok. 1000x40x10 cm (zużyte pudło do pakowania) i drugie o wielkości 40x40x40 cm. Oderwij zamknięcia.

2. Pomaluj czarną farbą (na bazie wody) dno i boczne ściany pudełka. 3. Na górnej części pudełka jako pokrywę umieść plastikową lub poliwęglanową płytę. 4. Przyklej brzegi pokrywy do pudełka mocną taśmą klejącą. 5. Na obu końcach pudełka wytnij otwory, by umożliwić swobodne krążenie powietrza w

pudełku. Otwory zasłoń drobną siatką, by do środka nie wlatywały owady. 6. Połącz oba pudełka jak pokazano na rysunku. 7. Zrób stojak z 4 nogami. 8. Przyklej drewniane podpory do 3 półek w skrzyni suszarki. 9. Umieść w środku termometr i patrz, jak podnosi się temperatura. 10. Jak bardzo może wzrosnąć temperatura? 11. Pokrój jabłka na cienkie plasterki i połóż je na półkach 12. Przedyskutuj z innymi grupami, w jaki sposób można skrócić czas suszenia owoców. 13. Ile kosztuje wykonanie słonecznej suszarki? 14. Umieść pomalowaną na czarno miedzianą płytę na dnie absorbera suszarki. Jak

bardzo to pomogło? Uwagi dla nauczyciela:

Zastosowanie pudeł tekturowych obniża koszt wykonania ćwiczenia i przyczynia się do zmniejszenia ilości odpadów. Możliwe jest także wykonanie suszarki do owoców z drewna lub sklejki. Ma ona wtedy bardziej fachowy wygląd i jest bardziej trwała. Włożenie metalowej płyty (miedzianej lub stalowej) do pudełka absorbera zwiększy przepływ ciepła i poprawi wydajność suszarki. Cele: Dowiedzieć się, w jaki sposób alternatywne technologie mogą poprawić jakość naszego życia bez szkody dla środowiska, wykonać manualną pracę, by skonstruować pożyteczne urządzenie. Materiały: 2 pudła tekturowe, szyba lub przezroczysta płyta poliwęglanowa, taśma klejąca, klej, termometr Słowa kluczowe: konserwacja żywności, efekt cieplarniany, ocieplanie, pomiar, zużycie wody, objętość, analiza jakościowa kosztów, recykling Umiejętności: projektowania, używania tektury/sklejki jako materiału, pobierania pomiarów, analizy, przeprowadzania badania Przedmioty: geografia, wiedza obywatelska, przedmioty naukowe Etapy kluczowe: 2-3 Wiek: 10-14 lat

17

6.9 Słoneczny ogrzewacz wody

Słoneczne ogrzewanie wody użytkowej (solar water heating, SWH) jest sposobem ogrzewania wody wykorzystującym energię słońca. Energia słoneczna jest zbierana przez panel, który łączy się przewodami ze zbiornikiem, na przykład cylindrem ciepłej wody. System ten może być zastosowany do podgrzewania wody użytkowej w domu, na pływalniach, w przyczepach kempingowych i nie tylko.

Rycina 6.13: Schemat działania słonecznego układu ogrzewania wody

Rycina 6.14: Prosty kolektor słoneczny do doświadczeń szkolnych

18

Ćwiczenie 6.7: Zbuduj słoneczny ogrzewacz wody

Ćwiczenie 6.7: Zbuduj słoneczny ogrzewacz wody Systemy słonecznego ogrzewania wody są coraz bardziej zaawansowane technicznie. Wielu ludzi nie może sobie pozwolić na takie kosztowne wyposażenie. Mogą jednak wykorzystać swoje umiejętności i wiedzę uzyskaną podczas szkoleń organizowanych przez doświadczonych pracowników organizacji pozarządowych. Dzięki temu można samodzielnie wykonać dość wydajne urządzenia oraz, z niewielką dodatkową pomocą, zainstalować w domu cały układ grzewczy. Jeśli taka nauka zacznie się już na etapie szkoły, pozwoli uzyskać doskonałe wyniki. Zadania 1. Obejrzyj i postaraj się zrozumieć rysunek 2. Obejrzyj materiały i listę narzędzi 3. Przygotuj miejsce pracy 4. Podzielcie się na grupy; każda z nich dostanie inne zadanie 5. Postępuj według procedur bezpieczeństwa dotyczących materiałów, narzędzi oraz

czynności niezbędnych do wykonania kolektora słonecznego 6. Wykonaj drewnianą ramę 7. Wykonaj sieć przewodów miedzianych 8. Wykonaj test wodny sieci 9. Przygotuj warstwę izolacyjną 10. Zagnij wsporniki 11. Zmontuj płaski kolektor 12. Pokryj kolektor warstwą czarnej farby selektywnej 13. Przymocuj pokrywę poliwęglanową 14. Ustal, ile osób w twojej klasie skorzystałoby na instalacji słonecznego ogrzewania wody

Uwagi dla nauczyciela Jest to ćwiczenie praktyczne, które zbiera wiedzę i umiejętności nabyte przez uczniów podczas lekcji i zajęć dodatkowych na temat energii odnawialnej. Niezbędne będzie bardzo solidne przygotowanie, co pozwoli osiągnąć najlepsze wyniki i zapobiec wypadkom lub niewłaściwemu zrozumieniu ćwiczenia. Cel: Dać uczniom możliwość samodzielnego skonstruowania funkcjonalnego kolektora słonecznego; podnieść ich pewność siebie; sprawić, by docenili wartość pracy fizycznej. Materiały: jak w części 6.6 Lista materiałów i narzędzi Słowa kluczowe: materiały, narzędzia, zaginane płyty aluminiowej, izolacja, pomiary, siła, pokrycie, farba selektywna, odbicie Umiejętności: zrozumienia charakterystyki materiału, posługiwania się prostymi narzędziami, precyzji wykonania urządzeń słonecznych, pracy grupowej, specjalizacji, obserwacji, analizy, obliczania kosztów Przedmioty: technologia przetwarzania drewna i metalu, cięcie, gięcie, malowanie, montowanie, test wodny, geografia, wiedza obywatelska Etapy kluczowe: 2-3 Wiek: 10-14 lat

19

Lista materiałów i narzędzi dla kolektora słonecznego o powierzchni 2 m2

elementy drewniane: 2000x100x20mm = 2 szt. 1000x100x20mm = 3 szt. 100x40x20mm = 4 szt. płyta aluminiowa: 2000x1000x0.3mm = 3 szt. kątownik aluminiowy: 2000x25x25x2mm = 2 szt. 1000x25x35x2mm = 2 szt. 100x25x25x2mm = 4 szt. 2000x30x20x2mm = 2 szt. 1000x30x20x2mm = 2 szt. płyta poliwęglanowa: 2000x1000x4mm = 1 szt. wełna izolacyjna pokryta folią aluminiową: 2000x1000x50mm = 1 szt. przewody miedziane: 1050x22mm = 2 szt. 1900x15mm= 6 szt. okucia miedziane kątowe 22x15mm = 2 szt. T 22/15/22mm= 10 szt. śruby: 80x6mm = 12 szt. 20x4mm = 140 szt. farba: czarna farba selektywna 250 ml potrzebne narzędzia: przenośna wiertarka elektryczna piłka do drewna piłka do metalu miarka nożyce do metalu śrubokręt elektryczny śrubokręt ręczny obcinak narzędzie do cięcia przewodów miedzianych pędzel przenośny palnik propanowo-butanowy wiertło= 3,5; 7.00; 10.00 = po 1 szt. urządzenie do ręcznego gięcia płyty aluminiowej materiały: papier ścierny 10 szt. klej do drewna = 0.5 Kg spoiwo lutownicze pasta oczyszczająca do lutowania miedzi smar = 0.1 l

Z pomocą tych przedmiotów wykonamy kolektor słoneczny o powierzchni 2m2, gotowy do zainstalowania. Jednym z ważniejszych elementów jest urządzenie do ręcznego zaginania płyty aluminiowej, które może być wykonane w warsztacie przez uczestników zajęć. Potrzebne są jednak do tego dodatkowe materiały: prostokątny profil stalowy 50x30x2 mm = 2 szt. o długości 600 mm, prostokątny profil stalowy 30x30x2 mm = 2 szt. o długości 120 mm, wkręty metryczne 50x6 mm = 4 szt., twarde drewno (dąb) 600x120x25 mm = 1 szt. Z tych materiałów w ciągu kilku minut można zmontować potrzebne urządzenie. Używamy go razem z prasą hydrauliczną, ale może ją zastąpić ciężki młotek.

20

Schemat montażu płaskiego kolektora o powierzchni 2 m2.