Žiaci dokážu rozlišovať a kategorizovať rôzne formy získavania energie z obnoviteľných

Transcript

1 1 Obnoviteľné zdroje energie Marcus Brändle Odporúčaný ročník 9. Časový rámec Tematický celok 2 45 min. Ciele a rozvoj kompetencií Žiaci dokážu rozlišovať a kategorizovať rôzne formy získavania energie z obnoviteľných zdrojov. Okrem toho dokážu žiaci využiť poznatky o funkcii strojov a prístrojov potrebných na využívanie týchto energetických zdrojov a samostatne navrhovať nové koncepty. V pokuse sa žiaci oboznámia s princípom zachovania energie a premeny jej rôznych foriem. Na základe týchto fenoménov dokážu odvodiť a rozlišovať iné možné spôsoby premeny energie. V technickej oblasti dokážu žiaci analyzovať a hodnotiť rôzne možnosti využitia energie. Sú oboznámení so základnými pracovnými metódami a spôsobmi merania, ktoré im umožnia získať informácie, a tie využijú pri formulovaní vlastného praktického riešenia. Mezipredmetové vzťahy Fyzika pojem energia a jej zachovanie

2 2 B Človek, technika a elektrina B 1 Teoretický úvod Problém prevládajúceho využívania primárnych energetických zdro jov Čoraz vyššie energetické nároky predstavujú pre prostredie obrovskú záťaž. Jedným z najbežnejších spôsobov získavania elektrickej energie je spracovanie fosílnych energetických nosičov. Pri zužitkovaní fosílnych palív možno na elektrický prúd premeniť len zlomok1 uvoľnenej energie. Väčšina sa stratí vo forme tepla. Toto odpadové teplo by sa teoreticky dalo využiť na ohrev, transport tepla na dlhé vzdialenosti sa však prakticky ťažko realizuje. V atómových reaktoroch sa na získavanie energie využívajú rádioaktívne látky. V tomto prípade nehrajú až takú rolu škodliviny vypúšťané do prostredia. Nebezpečné je skôr chemické a nukleárne znečistenie. Už pri úprave nukleárnych palív sa produkuje odpad, ktorý nemožno nijako využiť, takže sa hromadí a nefunkčné palivové články si tiež vyžadujú zvláštny druh skladovania, aby zvyškové rádioaktívne žiarenie nezaťažovalo životné prostredie. Metodická časť pre učiteľa Definícia energetickej účinnosti Energetická účinnosť je veličina, ktorá opisuje pomer využiteľnej energie P a energetického vstupu P. Chápe sa ako bezrozmerná a nesmie prekročiť 1, resp. 100 percent. V takom prípade by totiž išlo o perpetuum mobile, teda o prístroj, ktorý energiu sám vyrába. Výrobu energie však považujeme za nemožnú! Energia sa môže jedine meniť z jednej formy na inú, pričom pri tejto zmene dochádza zvyčajne k energetickým stratám (pozri odpadové teplo). Energetická účinnosť udáva, nakoľko efektívne dokáže istý spotrebič premeniť bežnú formu energie na inú, takže ju možno považovať za veličinu jeho ekonomickosti. Môžeme ju vypočítať nasledovne: η (grécke písmeno ní) energetická účinnosť P energia odoberaná zo zariadenia za jednotku času P energia, ktorú musíme do zariadenia dodať preto, aby sme z neho boli schopní odoberať energiu za jednotku času P P Použité materiály a odkazy 1 Energetická účinnosť tepelných elektrární je zvyčajne %. ( wiki/kohlekraftwerk #Wirkungsgrad, :49)

3 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 3 Štruktúra vyučovacej hodiny Úvod a uvedenie problému (5 10 min.) Časti vyučovacej hodiny obrázky (zaobstarať ich je úlohou učiteľa) rôznych faktorov znečisťujúcich životné prostredie, napríklad tepelných elektrární, ťažby uhlia, skládok nukleárneho odpadu a pod. Problém V súčasnosti prevládajúci spôsob získavania primárnej energie (predovšetkým elektrického prúdu) z fosílnych, resp. nukleárnych energetických nosičov predstavuje pre prostredie veľkú záťaž. Sociálne formy a vzorce správania Veďte žiakov k tomu, aby si uvedomili problém znečisťovania životného prostredia rozhovor medzi učiteľom a žiakmi. Metodika a didaktický komentár Problém zaznamenáme na tabuľu napríklad formou pojmovej mapy. Médiá projektor, počítač a pod., tabuľa Prechod (3 min.) Časti vyučovacej hodiny Existujú možnosti, ako využiť v súčasnosti prirodzene sa vyskytujúce energetické zdroje? Áno, s využitím rôznych technických postupov. Sociálne formy a vzorce správania rozhovor medzi učiteľom a žiakmi Metodika a didaktický komentár Hlavnú otázku napíšte na tabuľu. Médiá tabuľa Práca na probléme (40 min.) Časti vyučovacej hodiny Žiakov rozdelíme do skupín a každej skupine priradíme jednu zo štyroch tém. Podľa počtu žiakov v triede usúdime, či sa jednej téme bude venovať viac skupín. Na základe informácií, ktoré im rozdáme, a vlastného vyhľadávania sa žiaci zoznámia s hlavnými obnoviteľnými zdrojmi energie. Žiaci využijú takto nadobudnuté vedomosti a pripravia referát a krátky pokus (návod a potrebné pomôcky nájdeme v časti Experiment). Pomôcky na experiment si žiaci vyzdvihnú u učiteľa. Každá skupina dostane k svojej téme pracovný list a postup na experiment. Potrebné pomôcky sú rozložené vpredu na katedre. Sociálne formy a vzorce správania skupinová práca a referáty Metodika a didaktický komentár Pracovné listy a postup, ktoré rozmiestnite na štyroch miestach po triede. Žiakom dovoľte prístup do počítačovej miestnosti, prípadne každej skupine umožnite prácu na notebooku. Médiá počítačová miestnosť, projektor, pracovné podklady, notebook na samostatné vyhľadávanie informácií

4 4 B Človek, technika a elektrina B 1 Zaznamenanie (20 min.) Časti vyučovacej hodiny Žiaci zhrnú výsledky pokusov v päťminútových referátoch. Žiaci z tých skupín, ktoré sa zaoberali inou témou, si informácie z referátu zaznačia na pracovné listy (tieto im rozdá učiteľ). Sociálne formy a vzorce správania referáty Metodika a didaktický komentár Učiteľ by mal pripraviť vzor pracovného listu, na ktorý si žiaci môžu zaznamenať najdôležitejšie informácie. Tento leták musí bezprostredne odrážať problémy, na ktorých žiaci pracujú. Eventuálne si žiaci môžu vzájomne klásť otázky a odpovedať na ne. Oceníte tak vedomosti, ktoré nadobudli. Médiá vzor pracovného listu Prechod (2 min.) Časti vyučovacej hodiny Nie v každom teréne možno využiť každý obnoviteľný energetický zdroj. Sociálne formy a vzorce správania rozhovor medzi učiteľom a žiakmi Metodika a didaktický komentár Žiakom kladieme otázky, ktoré ich privedú k problematike vlastnosti terénu. Problematiku zaznamenáme na tabuľu. Médiá tabuľa Prehĺbenie a využitie (15 min.) Časti vyučovacej hodiny Žiakom predložíme scenár, pri ktorom sa musia sami rozhodnúť, ktorý z možných využiteľných zdrojov energie prichádza do úvahy. Môžeme vybrať ľubovoľný scenár a podľa potreby ho obmieňať. Sociálne formy a vzorce správania samostatná práca alebo práca vo dvojiciach Metodika a didaktický komentár Učiteľ pripraví niekoľko rovnakých alebo rozdielnych zadaní týkajúcich sa rôznych scenárov. Na základe získaných poznatkov žiaci samostatne navrhnú najvhodnejšie riešenie. Môžeme vymýšľať ľubovoľné scenáre alebo sa môžeme inšpirovať skutočnými miestnymi vlastnosťami terénu. Médiá zadania s príkladmi rozličných scenárov Domáca úloha Sprievodné materiály Teoretické základy Watter, Holger (2015). Regenerative Energiesysteme (4. überarbeitete und erweiterte Auflage). (Obnoviteľné zdroje energie, 4. prepracované a rozšírené vydanie) Wiesbaden: Springer Vieweg. ( :46) Časti vyučovacej hodiny Doma dokončiť vypracovanie scenára.

5 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 5 Pracovný list 1 Fotovoltika 1. Vyhľadajte na internete informácie o polovodičovej technike a foto- -efekte. Kľúčovými slovami vysvetlite, na akom princípe fungujú a ako spolu súvisia. Polovodičová technika Polovodičová technika predstavuje technickú oblasť, ktorá sa zaoberá navrhovaním a výrobou produktov na báze polovodičov, predovšetkým mikroelektronických konštrukčných celkov (napr. integrovaných obvodov). Z historického hľadiska, ale i preto, že jej produkty slúžia ako kľúčové prvky elektrotechnických výrobkov, sa považuje za súčasť elektrotechniky (presnejšie mikroelektroniky).2 Fotoefekt Pojem fotoelektrický jav (nazývaný aj fotoefekt) zahŕňa tri úzko súvisiace, no nie totožné procesy vzájomných vzťahov medzi fotónmi a hmotou. Vo všetkých troch prípadoch sa elektrón uvoľní z väzby, či už v atóme, alebo vo valenčnom pásme, a to tak, že absorbuje fotón. Energia tohto fotónu musí pritom zodpovedať minimálne väzbovej energii elektrónu.3 Pokyny a riešenia 2. Zistite, prečo sa v polovodičovej technike často používa práve kremík. Kremík Kremík je polokov, ktorý má vlastnosti kovov i nekovov. Preto v kryštalickom kremíku možno elektróny fotoelektricky aktivovať. Práve to robí z kremíka mimoriadne vhodný materiál na využitie vo fotovoltike. 3. Zadefinujte pojem energetická účinnosť. Pozri Metodickú časť. 4. Zistite, aká je energetická účinnosť fotovoltického článku. Maximálna energetická účinnosť monokryštalických typov článkov je približne 22 %.4 5. Porovnajte energetickú účinnosť tepelnej elektrárne a solárneho článku. Čo vám udrelo do očí? Energetická účinnosť tepelnej elektrárne je približne 40 %,5 solárneho článku len 22 %. Ak však vezmeme do úvahy aj ekologický aspekt a škodliviny, ktoré do prostredia uvoľňuje tepelná elektráreň so 40% energetickou účinnosťou, je 22% energetická účinnosť solárneho panelu plne akceptovateľná. Pracovný list 2 Slnečná tepelná energia 1. Vyhľadajte na internete informácie o absorpcii a reflexii. Kľúčovými slovami si poznačte definíciu oboch pojmov. Absorpcia Absorpcia (z latinského absorpcio = nasávanie) je pojem, ktorý vo fyzike označuje prijatie vlny (elektromagnetickej, zvukovej), jednej častice 2 org/wiki/halbleitertechnik ( :32) 3 org/wiki/photoelektrischer_ Effekt ( ) 4 ( :44) 5 ( :44)

6 6 B Človek, technika a elektrina B 1 Pokyny a riešenia (napríklad voľného elektrónu v atóme) alebo prúdu častíc (žiarenia) absorbujúcou látkou, resp. telesom. V rôznych oblastiach sa môže definícia absorpcie líšiť podľa toho, ktorý efekt je v popredí, napríklad pri röntgenovom žiarení alebo neutrónoch. Pri absorpcii sa transmisia vlny alebo žiarenia cez látku alebo teleso oslabí. Ďalšie oslabujúce efekty v dôsledku rozptylu alebo reflexie sa spolu s absorpciou v optike súhrnne nazývajú pojmom extinkcia alebo absorbancia.6 Reflexia Reflexia (z latinského reflexio = zaklonenie zo slovesa reflectere = zakloniť sa, otočiť sa) znamená vo fyzike odrážanie vĺn od hraničnej plochy, na ktorej sa mení ich odpor alebo index lomu média. Zvyčajne sa pri reflexii odráža len časť energie dopadajúcej vlny. V tejto súvislosti hovoríme o čiastočnej (parciálnej) reflexii. Zvyšná časť vlny sa ďalej šíri druhým médiom (= transmisia). Keďže sa však zmenil odpor, zmení sa pritom smer (pozri lom) alebo rýchlosť vlnenia. Uhol lomu sa dá vypočítať pomocou Snellovho zákona a amplitúdy reflexie a transmisie pomocou Fresnelovho vzorca v závislosti od vlnového odporu a polarizácie.7 2. Vysvetlite, ako možno premeniť vlnenie s krátkou vlnovou dĺžkou na vlnenie s dlhou vlnovou dĺžkou. Stratou energie pri dopade vlny na nepriepustný materiál sa mení vlnová dĺžka. Preto môže byť žiarenie s krátkou vlnovou dĺžkou odrážané ako žiarenie s dlhou vlnovou dĺžkou. 3. V učebnom texte pre žiaka sa spomína využitie solárnych kolektorov na ohrievanie úžitkovej vody. Pomocou náčrtu vysvetlite proces tepelnej výmeny. kolektor 6 wiki/absorption_(physik) ( :51) 7 wiki/reflexion_(physik) ( :52) čerpadlo externý radiátor vykurovací kotol8 prítok zásobník 8 externe-waermetauscher- -anlage.gif ( :03) 4. Vymenujte kritériá, ktoré sú nevyhnutné na čo najefektívnejšiu funkciu solárneho kolektora.

7 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 7 a) Solárny kolektor by mal byť otočený smerom k slnku. V ideálnom prípade naň dopadá priame poludňajšie slnko. b) Mal by byť vyrobený z materiálu, ktorý viaže a absorbuje všetko žiarenie, čo naň dopadá. c) Mala by byť prítomná efektívna výmena tepla medzi solárnym kolektorom a nádržou úžitkovej vody. 5. Definujte pojem energetická účinnosť. Nájdite na internete priemernú optickú energetickú účinnosť solárneho kolektora. Definícia energetickej účinnosti: pozrite vyššie. Optická energetická účinnosť sa vzťahuje na skutočný vyžarovací výkon, nie na ideálny. V optimálnych podmienkach však vysokokvalitné kolektory dosiahnu energetickú účinnosť až 95 %.9 Pokyny a riešenia Pracovný list 3 Veterná energia 1. Vyhľadajte na internete informácie o konštrukcii a funkcii generátora. Elektrický generátor (z latinského generare = vyňať, vytvárať) je elektrický prístroj, ktorý mení kinetickú energiu na energiu elektrickú. Generátor je opak elektromotora, ktorý mení elektrickú energiu na energiu pohybovú. Generátor vychádza z princípu elektromagnetickej indukcie, ktorý v roku 1831 objavil Michael Faraday Vyhľadajte a kľúčovými slovami zaznamenajte podmienky výberu vhodného miesta s ohľadom na veternosť a vlastnosti krajiny. Rozhodujúcu úlohu hrá výber miesta a veľkosť veternej elektrárne. Treba mať na pamäti, že výkon stúpa ako mocnina priemeru rotora. To znamená, že dvakrát väčší priemer rotora znamená štyrikrát väčší výkon. Výhodné sú teda veľké veterné turbíny. Pri výbere miesta je najdôležitejšie, že výkon stúpa ako tretia mocnina sily vetra. Dvojnásobná rýchlosť vetra teda znamená osemnásobné zvýšenie výkonu, polovičná rýchlosť vetra však, naopak, znamená len osminu pôvodného výkonu. Veterné elektrárne by teda mali byť umiestnené na veterných miestach. Zvlášť efektívne sú veterné elektrárne na morských pobrežiach, pretože môžu využívať vietor od mora, na ktorý sa dá spoľahnúť. Rolu hrá aj výška veternej elektrárne. Čím je veterná elektráreň vyššia, tým menej brzdí vietor okolitý terén. Navyše sú vetry vo výške stálejšie a silnejšie. 3. Vysvetlite, ako vrtuľa chráni generátor pred prehriatím a materiál pred zlyhaním. Veterná elektráreň sa dokáže sama vypnúť tým, že odkloní rotory z vetra. Zabráni sa tak, aby ich rýchlosť prekročila istú kritickú hodnotu. Generátor sa tak ochráni pred prehriatím a materiál pred poškodením. 9 net/wissen/optischer-wirkungsgrad ( :07) 10 org/wiki/elektrischer_generator ( :09)

8 8 B Človek, technika a elektrina B 1 Pokyny a riešenia 4. Aké nebezpečenstvá hrozia pri zlyhaní materiálu? Niekoľko si ich poznačte a navrhnite stratégie, ako sa im vyhnúť. ( :24) a) pozrite si úlohu 3 b) veľmi dôsledný výber materiálu a zabezpečenie spojov 5. Definujte pojem energetická účinnosť. Nájdite na internete energetickú účinnosť modernej veternej elektrárne. Pozrite vyššie. Teoretická energetická účinnosť: 59,3 %. 11 Pracovný list 4 Vodná energia 1. Vyhľadajte na internete informácie o rôznych typoch vodných elektrární a ich funkciách: a) prietokové vodné elektrárne b) akumulačné vodné elektrárne a prečerpávacie vodné elektrárne c) elektrárne využívajúce energiu vĺn d) prílivové vodné elektrárne e) osmotická elektráreň a morská tepelná premena energie f) ľadovcové vodné elektrárne 2. Definujte pojmy erózia a korózia. Prečo sú v súvislosti s vodnými elektrárňami dôležité? erózia Keď tvrdé častice mazadla alebo drsné hrany jedného z trúcich sa telies vniknú do povrchovej vrstvy, dochádza k škriabaniu a mikroskopickému napätiu. Hovoríme o abrazívnom opotrebovaní materiálu alebo erózii, ktorú môže spôsobiť aj tekutina. Straty materiálov spôsobené abráziou nazývame totiž obrus energie/gewinnungumwand lung/windkraft/ physik-der- windenergie/ ( :27) 12 org/wiki/erosion ( :34) korózia Korózia (z latinského corrodere = rozložiť, rozožrať, rozhlodať) je z technického hľadiska reakcia istého materiálu s jeho okolím, ktoré spôsobí merateľnú zmenu materiálu a môže viesť k narušeniu funkcie súčiastky alebo systému. Korózia spôsobená živými organizmami sa nazýva biokorózia.13 V súvislosti s vodnými elektrárňami sú procesy erózie a korózie dôležité predovšetkým pri koncepcii turbín. Treba mať totiž na pamäti, že ich materiál podlieha v prostredí istému opotrebovaniu. Najmä kovy sú vo vodnom prostredí náchylné na koróziu. 3. Navrhnite koncept, ktorý vysvetlí, ako možno rôzne typy elektrární využiť podľa toho, aké sú nároky na zásobovanie ( :36)

9 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 9 Základné zásobovanie: prietoková elektráreň, energia vĺn, prílivová elektráreň, osmotická elektráreň a morská tepelná premena energie. Ukladanie energie: akumulačná elektráreň (s vodnou nádržou aj prečerpávacia vodná elektráreň). 4. Zostavte tabuľku, v ktorej zhrniete výhody a nevýhody rôznych typov elektrární. Existuje niekoľko riešení. 5. Definujte pojem energetická účinnosť a nájdite jeho hodnotu pre jednu z moderných vodných elektrární. Pozrite vyššie, energetická účinnosť: vyhľadávanie informácií na internete (môžu byť rôzne). Pokyny a riešenia

10 10 B Človek, technika a elektrina B 1 ➋ Chod elektromotora prostredníctvom solárneho článku Alternatíva 1 Fotovoltika: drahší variant Experiment Pomôcky solárny článok elektromotor vrtuľa a pod. ako odpor pre elektromotor osvetlenie, napríklad halogénová lampička s možnosťou regulácie intenzity svetla uhlomer Postup Žiaci si pripravia pomôcky a skúmajú rýchlosť vrtule pri rôznych uhloch dopadajúceho svetla i rôznych intenzitách osvetlenia. Zaznamenanie výsledkov Rýchlosť vrtule sa mení v závislosti od intenzity i uhla osvetlenia. Existuje vzťah medzi vstupnou energiou (svetlom) a spotrebovanou energiou (prúdom/napätím). Bystrí žiaci si však uvedomia, že pri určitej intenzite osvetlenia sa dosiahne maximálny výkon. To znamená, že vrtuľa sa už nebude krútiť rýchlejšie.

11 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 11 Solárne auto Alternatíva 2 Fotovoltika: lacnejší variant ➌ Pomôcky súprava na postavenie solárneho auta (dá sa kúpiť v obchode s elektronikou alebo na internete) osvetlenie, napríklad halogénová lampička alebo žiarivka s možnosťou regulácie intenzity svetla stopky veľký uhlomer Postup Auto postavíme na katedru tak, aby naň žiaci dobre videli. Na to, aby bol efekt pokusu výraznejší, môžeme stanoviť štart a cieľ. Experiment Solárny článok auta budeme teraz osvetľovať svetlom rôznej intenzity a pod rôznym uhlom. Stopujeme čas, ktorý auto potrebuje, aby sa dostalo od štartu k cieľu, a spolu s intenzitou svetla a uhlom jeho dopadu ho zaznamenávame do tabuľky. Najlepšie je použiť žiarivku, ktorá zabezpečuje kontinuálne osvetlenie nad istou plochou. Výsledky pokusu tak budú presnejšie. Zaznamenanie výsledkov Žiaci zistia, že auto je najrýchlejšie pri vysokej intenzite svetla a kolmom dopade svetla. Z toho sa dá odvodiť, že pri optimálnom osvetlení a uhle jeho dopadu sa na elektrickú energiu premení najväčší podiel slnečnej energie.

12 12 B Človek, technika a elektrina B 1 Ďalšie experimenty Ďalšie experimenty nájdeme na uvedených internetových odkazoch Experimenty k téme fotovoltika nájdete na danom internetovom odkaze: ( :44) Experimenty k téme solárna tepelná energia Zbierku pokusov k tejto téme nájdete na danom internetovom odkaze: ( :44) Experimenty k téme vodná energia Zbierku pokusov k tejto téme nájdete na danom internetovom odkaze: ( :43) Experimenty k téme veterná energia Zbierku pokusov k tejto téme nájdete na danom internetovom odkaze: ( :46)

13 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 13 Fotovoltika Fotovoltika Fotovoltika je metóda premeny energie zo slnečného žiarenia na elektrickú energiu. Slnko slúži ako veľmi výkonný dodávač energie. Jeho energia sa dostáva na zem jednak prostredníctvom elektromagnetického žiarenia, jednak viditeľného žiarenia vo forme svetla. Solárny článok dokáže premeniť toto žiarenie na elektrickú energiu. Funguje na princípe polovodičovej techniky, ktorá využíva fotoefekt. Jeden z najčastejšie používaných materiálov je kremík. Pri funkcii solárneho článku hrá rolu niekoľko vonkajších faktorov, napríklad jeho postavenie voči slnku alebo aktuálne počasie. Keď je zamračené a podiel rozptýleného svetla je veľký, funguje solárny článok podstatne menej efektívne ako pri priamom slnečnom svetle. Solárna tepelná energia Slnko slúži ako veľmi výkonný dodávač energie. Jeho energia sa dostáva na zem jednak prostredníctvom elektromagnetického žiarenia, jednak viditeľného žiarenia vo forme svetla. Jednou z možností, ako túto energiu využiť, je premeniť ju na elektrickú energiu. Inou je solárna tepelná energia. Učebný text pre žiaka Základným princípom je premena slnečnej energie na teplo. Každé teleso dokáže žiarenie pohlcovať, odrážať alebo prepustiť. Ideálne čierne teleso pohltí všetko žiarenie, ktoré naň dopadá, ideálne biele teleso ho, naopak, celé odrazí. Najvýhodnejší materiál na získavanie slnečnej tepelnej energie je taký, ktorý pohltí čo najviac žiarenia, aby ho potom vyžiaril vo forme tepelného žiarenia s dlhými vlnami. Ideálny čierny materiál zatiaľ neexistuje, prostredníctvom nanotechnológií sa však už dnes dá docieliť veľmi vysoká absorpcia. Slnečné kolektory sa využívajú na ohrievanie úžitkovej vody a zvyčajne slúžia ako doplnok ústredného kúrenia. Jedným z problémov je rozdiel medzi jednotlivými ročnými obdobiami. V lete je totiž intenzita žiarenia veľmi vysoká a slnečný kolektor funguje vysoko efektívne. Ohriata voda sa však využije len sčasti (na sprchovanie, umývanie riadu a pod.), keďže v lete sa nekúri. V zime je intenzita žiarenia obmedzená. Dôvodom je počasie, iný uhol dopadu žiarenia, ale i pokrytie solárnych panelov snehom a ľadom. Avšak práve v zime by sa teplá voda dala využiť na kúrenie. K efektívnemu kolektoru teda potrebujeme aj rovnako efektívny zásobník, ktorý umožní uskladniť ohriatu vodu na chladnejšie dni. Veterná energia Veterné elektrárne premieňajú veternú energiu na elektrinu. Prístroj, ktorý sa pri tom používa, sa nazýva generátor a je poháňaný pohybovou energiou vetra, ktorá sa potom prostredníctvom induktívneho efektu mení na elektrickú energiu. Generátor využíva opačný princíp ako elektromotor, ktorý premieňa elektrickú energiu na energiu kinetickú.

14 14 B Človek, technika a elektrina B 1 Učebný text pre žiaka Rozhodujúcu úlohu hrá výber miesta a veľkosť veterných elektrární. Treba mať na pamäti, že výkon stúpa ako mocnina priemeru rotora. To znamená, že dvakrát väčší priemer rotora znamená štyrikrát väčší výkon. Výhodné sú teda veľké veterné turbíny. Pri výbere miesta je najdôležitejšie, že výkon stúpa ako tretia mocnina sily vetra. Dvojnásobná rýchlosť vetra teda znamená osemnásobné zvýšenie výkonu, polovičná rýchlosť vetra však, naopak, znamená len osminu pôvodného výkonu. Veterné elektrárne by teda mali byť umiestnené na veterných miestach. Zvlášť efektívne sú veterné elektrárne na morských pobrežiach, pretože môžu využívať vietor od mora, na ktorý sa dá spoľahnúť. Rolu hrá aj výška veternej elektrárne. Čím je elektráreň vyššia, tým menej vietor brzdí okolitý terén. Navyše sú vetry vo výške stálejšie a silnejšie. Pri rýchlosti vetra okolo 20 metrov za sekundu a viac sa musia rotory vypnúť, aby nedošlo k ich poškodeniu. Až do tejto rýchlosti vetra dokážu rotory prostredníctvom polohy regulovať svoj výkon tak, aby sa nepresiahol maximálny výkon generátora (riziko prehriatia). Pri dosiahnutí spomínanej rýchlosti vetra sa rotory odvrátia, pretože ich regulácia už nestačí, aby zabránila prehriatiu. Okrem toho vysoká rýchlosť vetra predstavuje mimoriadnu záťaž pre materiál, ktorého porucha môže byť veľmi nebezpečná. Platí to predovšetkým pre vnútrozemské elektrárne. Vodná energia Aj vodnú energiu možno rôznorodo využívať. Typy vodných elektrární sa líšia podľa podmienok v danej krajine. Základný princíp vysvetlite na príklade akumulačnej vodnej elektrárne. K akumulačnej vodnej elektrárni patrí aj (umelá) vodná nádrž. Energia sa získava z potenciálnej energie padajúcej vody. To znamená, že jednou z dôležitých podmienok je určitá výška dopadu vody. Na spodnom konci je turbína, ktorá je napojená na generátor. Keďže hustota vody je asi tisíckrát vyššia ako hustota vzduchu, možno už pri neveľkej rýchlosti vody dosiahnuť obrovský výkon. Nevýhodou je negatívny vplyv na materiál, keďže voda spôsobuje eróziu, resp. koróziu. Rôzne typy elektrární umožňujú variabilné využitie. Prietoková vodná elektráreň, akú možno vybudovať na tokoch riek, je funkčná dvadsaťštyri hodín denne, takže môže pokrývať základné energetické potreby. Do tejto kategórie patria aj elektrárne využívajúce príliv a odliv a vlnobitie, keďže aj tieto fenomény sú prítomné stále. Akumulačné vodné elektrárne slúžia, naopak, ako zásobníky energie. To znamená, že vo vyšších polohách uchovávajú vodu, ktorej potenciálnu energiu možno podľa potreby meniť na elektrickú energiu. Ak sú nároky na elektrickú energiu menšie, ak je teda tzv. nadprodukcia, možno vodu napumpovať naspäť do nádrže, takže elektrická energia sa opäť uloží do potenciálnej energie.

15 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 15 Fotovoltika ➋ 1. Vyhľadajte na internete informácie o polovodičovej technike a foto- -efekte. Kľúčovými slovami vysvetlite, na akom princípe fungujú a ako spolu súvisia. 2. Zistite, prečo sa v polovodičovej technike často používa práve kremík. 3. Zadefinujte pojem energetická účinnosť. 4. Zistite, aká je energetická účinnosť fotovoltického článku. 5. Porovnajte energetickú účinnosť tepelnej elektrárne a solárneho článku. Čo vám udrelo do očí? 6. Spolu s ostatnými členmi skupiny pripravte referát, v ktorom svojim spolužiakom priblížite túto tému. Pri jeho zostavovaní sa môžete oprieť o riešenia úloh 1 6. Okrem toho navrhnite pokus, ktorý by ilustroval princíp fotovoltiky. Pracovný list

16 16 B Človek, technika a elektrina B 1 ➌ Slnečná tepelná energia Pracovný list kolektor 1. Vyhľadajte na internete informácie o absorpcii a reflexii. Kľúčovými slovami si poznačte definíciu oboch pojmov. 2. Vysvetlite, ako možno premeniť vlnenie s krátkou vlnovou dĺžkou na vlnenie s dlhou vlnovou dĺžkou. 3. V učebnom texte pre žiaka sa spomína využitie solárnych kolektorov na ohrievanie úžitkovej vody. Pomocou náčrtu vysvetlite proces tepelnej výmeny. -portal.de/images/ solaranlagenportal/st/technik/ externe-waermetauscher- -anlage.gif ( :03) pumpa externý radiátor vykurovací kotol8 prítok zásobník 4. Vymenujte kritériá, ktoré sú nevyhnutné na čo najefektívnejšiu funkciu solárneho kolektora. 5. Definujte pojem energetická účinnosť. Nájdite na internete priemernú optickú energetickú účinnosť solárneho kolektora. 6. Spolu s ostatnými členmi skupiny pripravte referát, v ktorom svojim spolužiakom priblížite túto tému. Pri jeho zostavovaní sa môžete oprieť o riešenia úloh 1 6. Okrem toho navrhnite pokus, ktorý by ilustroval princíp solárnej tepelnej energie.

17 B 1.1 Obnoviteľné zdroje energie 17 Veterná energia ➍ 1. Vyhľadajte na internete informácie o konštrukcii a funkcii generátora. 2. Vyhľadajte a kľúčovými slovami zaznamenajte podmienky výberu vhodného miesta s ohľadom na veternosť a efekty krajiny. 3. Vysvetlite, ako vrtuľa chráni generátor pred prehriatím a materiál pred zlyhaním. 4. Aké nebezpečenstvá hrozia pri zlyhaní materiálu? Niekoľko si ich poznačte a navrhnite stratégie, ako sa im vyhnúť. 5. Definujte pojem energetická účinnosť. Nájdite na internete energetickú účinnosť modernej veternej elektrárne. 6. Spolu s ostatnými členmi skupiny pripravte referát, v ktorom svojim spolužiakom priblížite túto tému. Pri jeho zostavovaní sa môžete oprieť o riešenia úloh 1 6. Okrem toho navrhnite pokus, ktorý by ilustroval princíp veternej elektrárne. Pracovný list

18 18 B Človek, technika a elektrina B 1 ➎ Vodná energia Pracovný list 1. Vyhľadajte na internete informácie o rôznych typoch vodných elektrární a ich funkciách: a) prietokové vodné elektrárne b) akumulačné vodné elektrárne a prečerpávacie vodné elektrárne c) elektrárne využívajúce energiu vĺn d) prílivové vodné elektrárne e) osmotické elektrárne a morská tepelná premena energie f) ľadovcové vodné elektrárne 2. Definujte pojmy erózia a korózia. Prečo sú v súvislosti s vodnými elektrárňami dôležité? 3. Navrhnite koncept, ktorý vysvetlí, ako možno rôzne typy elektrární využiť podľa toho, aké sú nároky na zásobovanie. 4. Zostavte tabuľku, v ktorej zhrniete výhody a nevýhody rôznych typov elektrární. 5. Definujte pojem energetická účinnosť a nájdite jeho hodnotu pre jednu z moderných vodných elektrární. 6. Spolu s ostatnými členmi skupiny pripravte referát, v ktorom svojim spolužiakom priblížite túto tému. Pri jeho zostavovaní sa môžete oprieť o riešenia úloh 1 6. Okrem toho navrhnite pokus, ktorý by ilustroval princíp vodnej elektrárne.