ΗΛΙΑΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Πρόγραµµα περιβαλλοντικής εκπαίδευσης των µαθητών του Γυµνασίου Μελεσών. Υπεύθυνοι καθηγητές: Τζανάκης Γεώργιος Φυσικός, Τζιώτης Σταύρος Γεωλόγος. Γυµνάσιο Μελεσών, Μελέσες ήµου Ν. Καζαντζάκης, Ν. Ηρακλείου Κρήτης, ΤΤ 703 00 Τηλ. 0810-741301 φαξ: 0810 741356, e-mail: mail@gym-meles.ira.sch.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Το ερευνητικό µέρος της εργασίας µας περιλαµβάνει, α) ερωτηµατολόγιο το οποίο συµπληρώθηκε από τους κατοίκους της περιοχής µας. Σκοπός του ερωτηµατολογίου ήταν να δούµε κατά πόσο οι κάτοικοι ήταν ενηµερωµένοι για τις ήπιες µορφές ενέργειας και ιδιαίτερα για την ηλιακή ενέργεια. β) Καταγραφή των ενεργητικών ηλιακών συστηµάτων σε τρία χωριά της περιοχής µας και εξαγωγή ποσοστού από το σύνολο των κατοικηµένων οικιών. γ) Την κατασκευή µετρητή ηλιοφάνειας που αποτελείται από ένα ηλεκτρικό ρολόι 1,5V και ένα φωτοβολταϊκό (Φ/Β) ίδιας τάσης συνδεδεµένα στο ρολόι. Το Φ/Β του ηλιοµετρητή είναι τοποθετηµένο σε µια επιφάνεια η οποία ακολουθεί τον ήλιο ώστε να δέχεται πάντα κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία. Το ηλιοτροπικό σύστηµα αποτελείται από ένα κινητήρα και δύο άλλα Φ/Β. Το ένα Φ/Β είναι τοποθετηµένο στην ανατολική µεριά της επιφάνειας και το άλλο στη δυτική. Τα δύο Φ/Β είναι συνδεδεµένα στον κινητήρα µε αντίθετη πολικότητα, ώστε όποιο από τα δύο δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία, να περιστρέφει την επιφάνεια προς το µέρος του. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το σχολείο µας στα πλαίσια της περιβαλλοντικής εκ/σης ασχολήθηκε µε την ηλιακή ενέργεια. Οι στόχοι που βάλαµε σ αυτό το πρόγραµµα ήταν: 1. Ν αποκτήσουν οι µαθητές µέσα από µια διεπιστηµονική έρευνα περισσότερες γνώσεις όσον αφορά τη σχέση Γης και Ήλιου. 2. Να γνωρίσουν καλύτερα τις ήπιες µορφές ενέργειας. 3. Να µάθουν µε ποιο τρόπο µπορούµε σήµερα να αντικαταστήσουµε άλλες µορφές ενέργειας µε την ηλιακή ενέργεια. 4. Να γίνει έρευνα µέσω ερωτηµατολογίου στην ευρύτερη περιοχή ώστε να γνωρίσουµε κατά πόσο οι κάτοικοι είναι ενηµερωµένοι για τις ανανεώσιµες πηγές ενέργειας. 5. Να κατασκευάσουν ένα µετρητή ηλιοφάνειας 6. Να κατασκευάσουν ένα σύστηµα που να κατευθύνει ένα κάτοπτρο προς τον ήλιο ώστε να δέχεται κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία. 7. Να γίνει καταγραφή των ενεργητικών ηλιακών συστηµάτων (ηλιακοί θερµοσίφωνες), σε τρία χωριά του ήµου «Ν. Καζαντζάκης». Παρακάτω αναφέρουµε τ αποτελέσµατα των εργασιών 4), 5), 6), και 7). ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ Για να επιτύχουµε τους παραπάνω στόχους, οι µαθητές της περιβαλλοντικής οµάδας χωρίστηκαν σε υποοµάδες και κάθε υποοµάδα ασχολήθηκε µε ένα στόχο. Όσων αφορά τη διακίνηση του ερωτηµατολογίου, αυτό έγινε απ όλους τους µαθητές της περιβαλλοντικής. Οι κατασκευές ήταν ιδέα του καθηγητή µας κ. Τζανάκη Γεωργίου. 1
ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟΥ Οι µαθητές που συµµετέχουµε στο πρόγραµµα περιβαλλοντικής εκπαίδευσης µε την καθοδήγηση των υπεύθυνων καθηγητών του προγράµµατος, συντάξαµε ένα ερωτηµατολόγιο µε σκοπό να δούµε πόσο ενηµερωµένοι είναι οι κάτοικοι της περιοχής µας στη χρήση των ήπιων µορφών ενέργειας και κυρίως για την ηλιακή. ΌΧΙ 47% 1 η Ερώτηση Γνωρίζετε ποιες είναι οι ήπιες µορφές ενέργειας; Αν ΝΑΙ γράψτε µερικές. ΝΑΙ 53% OXI 47% NAI 53% 2 η Ερώτηση: Χρησιµοποιείτε συσκευές που λειτουργούν µε ήπιες µορφές έ Α ΝΑΙ ά. OXI 52% NAI 48% 3 η Ερώτηση: Γνωρίζετε τι είναι η Ηλιακή ενέργεια: Αν ΝΑΙ γράψτε λίγα λόγια γι αυτήν 2
OXI 63% NAI 37% 4 η Ερώτηση: α)ο άνθρωπος εκµεταλλεύεται τον ήλιο όσο και τις άλλες πηγές ενέργειας; Α 29% Β 22% Γ 1% 0% Ε 24% β) Αν ΟΧΙ τι φταίει: Α. εν υπάρχει η κατάλληλη τεχνογνωσία. Β). Ο κόσµος δεν είναι ενηµερωµένος. Γ). ιότι είναι επικίνδυνη. ). Γιατί θα καταναλωθεί πριν την ώρα της. Ε). Επειδή κοστίζει πολύ. ΣΤ) εν εξυπηρετεί όλες µας τις ανάγκες. ΣΤ 24% OXI 17% NAI 83% 5 η Ερώτηση: Θα θέλατε να µάθετε περισσότερα για την ηλιακή ενέργεια; Ενεργητικά ηλιακά συστήµατα στην περιοχή µας. Σύµφωνα µε την καταγραφή των ενεργητικών ηλιακών συστηµάτων (ηλιακοί θερµοσίφωνες Η.Θ.) που έγινε σε τρία χωριά της περιοχής µας (Μελέσες, Μυρτιά, Κουνάβοι), διαπιστώσαµε ότι ένας σηµαντικός αριθµός οικογενειών χρησιµοποιεί Η.Θ. Τα ποσοστά διαφέρουν από χωριό σε χωριό, µε υψηλότερο στους Κουνάβους 82,5% και χαµηλότερο στις Μελέσες µε 54,2%. Συνολικά στα τρία αυτά χωριά τα ποσοστά είναι: 3
33% οικογένειες που έχουν Η.Θ. 67% οικογένειες που δεν έχουν Η.Θ. 33% 67% ΜΕΤΡΗΤΗΣ ΗΛΙΟΦΑΝΕΙΑΣ Για να µετράµε την ηλιοφάνεια που έχουµε καθηµερινά στην περιοχή µας, κατασκευάσαµε ένα µετρητή ηλιοφάνειας. Για την κατασκευή του µετρητή αρχικά χρησιµοποιήσαµε ένα ρολόι ξυπνητήρι και ένα φωτοβολταϊκό. Το πρώτο πρόβληµα που είχαµε ήταν ότι το ρολόι ήθελε 1,5V τάση για να λειτουργήσει, ενώ το Φ/Β που είχαµε στη διάθεσή µας έβγαζε τάση 3V. Συνδέσαµε λοιπόν δύο όµοιους αντιστάτες σε σειρά στο κύκλωµα και τροφοδοτήσαµε το ρολόι από τα άκρα του ενός. Με αυτή την κατασκευή µετρούσαµε την ηλιοφάνεια για ένα διάστηµα. Παρατηρούσαµε όµως ότι το ρολόι ξεκινούσε να δουλεύει λίγο µετά την ανατολή του ήλιου και σταµατούσε λίγο πριν τη δύση του. Αποτέλεσµα ήταν λοιπόν να µετράµε λιγότερη από την πραγµατική ηλιοφάνεια. Αποφασίσαµε λοιπόν να αφαιρέσουµε τούς αντιστάτες και να βγάλουµε εκτός του κυκλώµατος τόσα φωτοστοιχεία από το Φ/Β ώστε να δουλεύει το ρολόι και σε πολύ πλάγια ακτινοβολία. (το Φ/Β είχε πάντα κατεύθυνση προ νότο και η γωνία µε το οριζόντιο επίπεδο είναι 45 ο ). σχήµα 1. Λύσαµε λοιπόν το πρόβληµα της πρωινής και βραδινής ηλιοφάνειας, όµως επειδή µε ελάχιστη ακτινοβολία το Φ/Β έδινε το κατάλληλο ρεύµα για να δουλέψει το ρολόι, είχε σαν αποτέλεσµα να δουλεύει και όταν ο ήλιος ήταν καλυµµένος µε αραιά νέφωση. + _ Φ/Β 45 ο σχήµα 1 Αποφασίσαµε να αντικαταστήσουµε το Φ/Β µε δύο άλλα 1,5V το καθ ένα τα οποία µόλις τα χαµε προµηθευτεί. Τα συνδέσαµε παράλληλα µεταξύ τους και σε τέτοια θέση ώστε το ένα να «βλέπει» την ανατολή και το άλλο τη δύση, σχηµατίζοντας γωνία το καθ ένα µε το οριζόντιο επίπεδο 60 ο. (σ αυτή τη γωνία βρήκαµε την πιο ιδανική λειτουργία του µετρητή µας). 4
Όµως η αρχική ιδέα να φτιάξουµε τον µετρητή µας µε το Φ/Β να παρακολουθεί τον ήλιο δεν µας άφηνε αδιάφορους και µε την επιµονή του καθηγητή µας προχωρήσαµε στην κατασκευή του ηλιοτροπικού συστήµατος που θα το προσαρµόζαµε στο µετρητή µας. Αφού καθορίσαµε τι υλικά που θα χρειαστούµε, αρχίσαµε να τα συγκεντρώνουµε χρησιµοποιώντας χαλασµένα παιχνίδια και διάφορα άλλα υλικά από το σπίτι µας. Περιγραφή 1 ου ηλιοτροπικού συστήµατος Το ηλιοτροπικό σύστηµα αποτελείται από: 1) ένα κινητήρα 1,5 V µε µειωτήρα στροφών προσαρµοσµένο πάνω σ αυτόν. 2) ύο Φ/Β πλαίσια των εννέα στοιχείων το καθ ένα, µε τάση εξόδου 1,5V το καθ ένα. 3) Η στρεφόµενη επιφάνεια η οποία έφερε το Φ/Β που είναι συνδεδεµένο µε το ρολόι και 4) η βάση όπου στηρίζεται το όλο σύστηµα. Η αρχή λειτουργίας του συστήµατος, στηρίζεται στο διαφορετικό φωτισµό των δύο Φ/Β πλαισίων άρα και στο διαφορετικό ηλεκτρικό ρεύµα που παράγουν. Τα Φ/Β πλαίσια τα τοποθετήσαµε στα πλάγια της περιστρεφόµενης επιφάνειας, το ένα στην ανατολική πλευρά και το άλλο στην δυτική πλευρά της επιφάνειας. Το όλο σύστηµα είναι προσανατολισµό προς το Νότο, σχηµατίζοντας γωνία 50 ο µε το οριζόντιο επίπεδο. (σχήµα 2) ηλιοφάνεια µηνός Μαρτίου 2002. Tόπος µέτρησης ΜΕΛΕΣΕΣ ΚΡΗΤΗΣ 10 9 8 7 ώρες ηλιοφάνειας 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ηµεροµηνία Ηµε ροµ. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ώρες 9.17 9 9.17 9 9 9 9.17 8.83 9 8.5 1 3.5 8.08 8.75 9 Ηµε ροµ. 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ώρες 9,25 1,25 4,75 8,5 7,33 9,17 9,5 5 8 2 5 4,5 6 5 2,25 7,25 Σύνολο ωρών Μαρτίου 214,92 Μέση ηµερήσια ηλιοφάνεια 6,93 5
άξονας περιστροφής ύση Φ/Β Ανατολή µετρητή στρεφ. επιφ. Πλαίσιο Φ/Β Νότος σχήµα 2. Λειτουργία του ηλιοτροπικού συστήµατος. Τα δύο Φ/Β πλαίσια όπως φαίνεται στο σχήµα 2, είναι τοποθετηµένα, το ένα στην ανατολική και το άλλο στη δυτική πλευρά της επιφάνειας. Η συνδεσµολογία των δύο πλαισίων φαίνεται στο σχήµα 3. Όπως δείχνει το σχήµα τα δύο Φ/Β πλαίσια είναι συνδεδεµένα µε αντίθετη πολικότητα στον κινητήρα. Α + - δύση Φ/Β C Κ Φ/Β ανατολή - + Β σχήµα 3 Όπως φαίνεται από το σχήµα 2, όταν η ηλιακή ακτινοβολία πέφτει πλάγια πάνω στη στρεφόµενη επιφάνεια, τότε φωτίζεται µόνο το ένα Φ/Β πλαίσιο, π.χ. το ανατολικό ενώ το άλλο πλαίσιο λειτουργεί σαν αντιστάτης. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα, ένα ικανό ρεύµα Ι ΒΑ απ αυτό που δηµιουργείται, να περνά µέσα από τον κινητήρα, σχήµα 3 µε φορά από το Β στο Α και να περιστρέφει τον κινητήρα προς µια κατεύθυνση περιστρέφοντας έτσι την επιφάνεια προς την ανατολή. Η περιστροφή σταµατάει όταν το Φ/Β πλαίσιο δεν δέχεται ακτινοβολία, δηλαδή η επιφάνεια δέχεται κάθετα τις ακτίνες του ήλιου. Όταν τώρα αλλάξει θέση ο ήλιος ως προς την επιφάνεια, τότε θα φωτίζεται το άλλο Φ/Β πλαίσιο, οπότε ο κινητήρας θα διαρρέετε από αντίθετο ρεύµα Ι ΑΒ που θα δηµιουργεί αντίθετη περιστροφή του κινητήρα, άρα και της επιφάνειας, µέχρι να δεχτεί πάλι κάθετα την ηλιακή ακτινοβολία. 6
Μπλόκ ιάγραµµα 2 ου Κυκλώµατος Ηλιοτροπικού Συστήµατος Χρονοδιακόπτης Τ1-Stop Time Χρονοδιακόπτης T2-Start Time S1 Τροφοδοτικό 12V 5V Relle M Το παραπάνω διάγραµµα αποτελείται από τον χρονοδιακόπτη Τ1-Stop Time ο χρόνος του οποίου θέτει το κύκλωµα σε κατάσταση επιθυµητής αναµονής. Τον χρονοδιακόπτη Τ2- Start Time ο οποίος παίρνει εντολή από τον Τ1 ο χρόνος του οποίου θέτει το Relle σε λειτουργία και αυτό µε την σειρά του ενεργοποιεί το Μοτέρ. Επίσης τον διακόπτη S1 ο οποίος είναι διακόπτης σκανδαλισµού του κυκλώµατος. Το τροφοδοτικό παρέχει στο κύκλωµα δύο τάσεις των 5V και των 12V. Το παραπάνω σύστηµα είναι υπό κατασκευή. ΕΥΧΑΡΙΣΤΊΕΣ Μετά το τέλος αυτής της εργασίας νιώθουµε την ανάγκη να ευχαριστήσουµε: Την /ση Β/µιας Εκπ/σης Ν. Ηρακλείου. Τον υπεύθυνο περιβαλλοντικής εκ/σης Ν. Ηρακλείου κ. Στυλιανάκη Ιωάννη, για την επιµονή και βοήθειά του στην πραγµατοποίηση των κατασκευών µας. Το Κέντρο Ανανεώσιµων Πηγών Ενέργειας (Κ.Α.Π.Ε.) για την άµεση αποστολή ενηµερωτικού υλικού, έντυπου και CD. Τον κ. Γεωργαλή Σταύρο Τ.Ε. Τ.Ε.Ι Κρήτης για την συνεργασία στον σχεδιασµό του ηλιοτροπικού κυκλώµατος. Τον /ντή του σχολείου µας κ. Πολυζωάκη Εµµ. για την συµπαράσταση και για την άµεση λύση των διαδικαστικών προβληµάτων που προέκυπταν στην εκπόνηση της εργασίας. Τη σχολική επιτροπή του Γυµνασίου Λυκείου Μελεσών. Τους κατοίκους των χωριών του ήµου Ν.Καζαντζάκης, για την προθυµία και τη βοήθειά τους στη συµπλήρωση του ερωτηµατολογίου. Το σύλλογο καθηγητών του σχολείου µας και ιδιαίτερα την κ. Βαριτάκη Μαρία καθηγήτρια Αγγλικών. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Οι ανανεώσιµες πηγές ενέργειας στην Κρήτη. (Κ.Α.Π.Ε.) 2. Ενεργητικά ηλιακά συστήµατα. (Κ.Α.Π.Ε.) 3. Φωτοβολταϊκά συστήµατα. (Α. Νεοκλέους, Σ. Κωνσταντινίδη), Εκδόσεις: ΙΩΝ. 4. Περιοδικό: Ηλεκτρονικά κιτ και κατασκευές. 5. Εγκυκλοπαίδειες: Χάρη Πάτση, Πάπυρους Λαρούς, Μπριτάνικα, Μεγάλη Σοβιετική 7