109. Сонячна енергія та її використання
Матеріал
Урок №109. Сонячна енергія та її використання
Мета уроку: ознайомити учнів із можливостями використання сонячної енергії на прикладі сонячних колекторів та сонячних печей; пояснити фізичні процеси, що лежать в основі їхньої роботи; пояснити значення відновлюваних джерел енергії для майбутнього.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 7. Відновлювальна енергетика.
- 12. Відповідальне споживання.
- 13. Боротьба зі зміною клімату.
Ключові слова: сонячна енергія, сонячний колектор, геліоколектор, сонячна піч, геліоконцентратор, фокус, сітловідбивальна поверхня.
План уроку:
- Мотиваційна частина.
- Використання сонячної енергії:
- 2.1. Сонце та сонячна енергія.
- 2.2. Сонячні колектори.
- 2.3. Сонячні печі.
- Попрактикуймо самостійно.
- Рефлексія.
Очікувані результати для учнівства:
Очікувані результати для вчителя:
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 3 хв.
Завдання спрямоване на розвиток критичного мислення та нестандартного підходу до самого питання; налаштовує на вивчення нової теми.
У місті Вільясека (Чилі) є незвичайний ресторан Villaseca Solar. Ресторан обслуговує не більше 70 чоловік на день. Варто зазначити, що на приготування замовлених страв тут витрачають досить тривалий час. Наприклад, щоб спекти хліб, знадобиться 2 години, а щоб посмажити м’ясо — 3.
Цікаво, що відвідувачів це нітрохи не бентежить, і вони терпляче чекають на своє замовлення.
У чому особливість цього ресторану?
Відповідь: У ресторані використовують сонячні печі.
Посилання на відео:
Відео
Відео
Відео
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 30 хв.
Завдання в першій таблиці спрямоване на актуалізацію та перевірку залишкових знань із теми “Сонце”.
2.1. Сонце та сонячна енергія
Сонце — це найближча до Землі зірка середньої величини. На минулих уроках ми вже знайомилися з цим космічним об’єктом.
Перевірмо, чи зможеш ти розібратися в запропонованих фактах про Сонце.
Заповни таблицю 1 та познач, чи погоджуєшся з фактом, чи ні.
Табл.1
| № | Факт | Так(+)/Ні(-) |
|---|---|---|
| 1 | Сонце сформувалося з хмари газу та пилу приблизно 3 мільярди років тому. | Ні(-) |
| 2 | Хімічний склад сонця — це гелій та водень (приблизно по 50%). | Ні(-) |
| 3 | Сонце виробляє енергію завдяки каскаду термоядерних реакцій, у ході яких водень перетворюється на гелій у своєму ядрі. | Так(+) |
| 4 | Відстань від Землі до Сонця: приблизно 150 млн км. | Так(+) |
| 5 | Температура на його поверхні становить 3000°С. | Ні(-) |
| 6 | Сонячні плями — це темні ділянки на Сонці. Температура сонячних плям на кілька тисяч градусів нижча, ніж у фотосфери. | Так(+) |
| 7 | Цикли сонячної активності — періодична 30-річна активізація в сонячній атмосфері з виникненням підвищеної кількості плям, факелів, спалахів, протуберанців і підвищення їхньої енергії. | Ні(-) |
| 8 | Відстань від Сонця до Землі світло долає за 14 хв. | Ні(-) |
| 9 | Насправді Сонце жовтого кольору. | Ні(-) |
| 10 | Сонячна активність впливає на магнітне поле Землі. | Так(+) |
Сонячна енергія — це невичерпне відновлюване джерело екологічно чистої енергії. Кількість сонячної енергії, що надходить на земну поверхню, в 10 тисяч разів більша від світового загального споживання енергії. Середньорічна кількість сонячної енергії, яка надходить за 1 день на 1 м2 поверхні Землі, коливається від 7,2 МДж/м2 на півночі до 21,4 МДж/м2 на півдні. Міжнародним енергетичним агентством у 2007 році встановлено, що використання лише 1,5% кількості випромінюваної на нашу планету сонячної енергії забезпечило б усі сьогоднішні потреби світової енергетики, а реалізація її до 5% — повністю покрити потреби на перспективу. Клімат України дає потенційну можливість широкого використання сонячної енергії (рис. 1).
Використай карту України, на яку нанесено розподіл сумарної сонячної радіації по території України на рік. Укажи 5 областей (міст) від найменш перспективних до найбільш перспективних з точки зору використання сонячної енергії (табл. 2).
Табл.2
| № | Область/місто | Середній розподіл сумарної сонячної радіації по області на рік |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 |
Сонячна енергія може використовуватися по-різному.
Переглянь рис. 2 та вкажи, які перетворення енергії будуть відбуватися в кожному з прикладів.
Розглянь кожен із цих пристроїв окремо.
2.2. Сонячні колектори
Дружня порада вчителю
У наступних завдання значна частина інформації представлена на рисунках та діаграмах.
Деякі завдання дозволять учням згадати тему “Теплові явища та теплопровідність”.
Бажано на цьому акцентувати, це важливо для розуміння принципу роботи як сонячних колекторів, так і сонячних печей.
Сонячні колектори (далі колектори, геліоколектори) — це пристрої, які виробляють теплову енергію від сонячного випромінювання, що падає на них. Колектори поглинають енергію сонячного світла й перетворюють її в теплову енергію теплоносія. Так, за рахунок своєї циркуляції тепло може передаватися для нагріву, наприклад, води, яку можна використовувати в системі ГВП і / або системі опалення, а також накопичувати тепло в баках-акумуляторах (рис. 3).
На рис. 4 зображені різні типи приймачів сонячного випромінювання.
- Поясни, який із них є найбільш ефективним, порівнявши його з іншими запропонованими типами.
На рис. 5 ти можеш ознайомитися з будовою та принципом роботи колектора.
- Яке призначення абсорбера в колекторі?
- Якими характеристиками повинен володіти абсорбер для ефективної роботи колектора?
Під час встановлення колекторів потрібно враховувати кут його нахилу.
Переглянь рис. 6 та дай відповіді на такі питання.
- Під яким кутом ви б установили колектор для оптимальної його роботи?
- Чи залежить кут встановлення колектора від того, у який період року ви користуєтеся ним?
- Чи буде впливати географічне розташування місця, де встановлюється колектор, на кут нахилу?
- Які фактори, крім кута, потрібно врахувати при встановленні колектора?
- Заповни табл. 3, у якій укажіть, які можуть бути переваги та недоліки встановлення сонячних колекторів.
Табл. 3
| Переваги | Недоліки |
|---|---|
2.3. Сонячні печі
Сонячна піч (сонячна кухня) — це геліоустановка, що використовується для приготування їжі.
Сонячні печі відрізняються за конструкцією, розміром, специфікою використання. Зазвичай вони складаються з геліоконцентратора, у центрі якого знаходиться посудина для приготування їжі (рис.7).
На картинці ти можеш спостерігати модель сонячної печі «Параболічна тарілка».
Особливість такої печі — висока температура нагріву. Тобто її зручно використовувати, коли потрібно швидко, як на звичайній плиті, приготувати відносно невелику кількість їжі.
- З якого матеріалу і чому саме цей матеріал використовується для виготовлення тарілки?
- Як називається червона точка, у якій перетинаються світлові промені?
- Що буде спостерігатися у цій точці?
- Чи постійною буде інтенсивність світлових променів у цій точці?
- Які вдосконалення можна зробити, щоб підтримувати високу інтенсивність світлових променів?
Наступним прикладом є панельна модель сонячної печі (рис. 8). Панельна сонячна піч є простою за конструкцією, і являє собою дзеркало-концентратор, що складається з декількох плоских дзеркал-панелей і каструлі, яка теплоізольована від навколишнього повітря звичайним поліетиленовим пакетом або склом.
- Навіщо каструлю чи інший предмет, який ми нагріваємо, відділяють від навколишнього середовища поліетиленовим пакетом або склом?
- Чи буде впливати колір каструлі на швидкість її нагрівання?
Найбільш технологічною напевно є піч винахідника Патріка Шервіна (піч GoSun) (рис. 9).
Скляним циліндром з міцного термостійкого боросилікатного скла з двома стінками й вакуумним прошарком між ними. Крім того, гриль оснащений спеціальними дзеркальними відбивачами з високоякісної нержавіючої сталі. Така конструкція дозволяє вловлювати до 80% сонячної енергії, а також концентрувати та утримувати її всередині циліндра, що дозволяє отримати досить високу температуру (розігрівається за 20 хв до температури 288°C) для приготування будь-яких видів м’яса, риби, а також овочів (табл. 4).
Табл.4
| Страва | Пекельне сонце | Сонячна погода | Малосонячно |
|---|---|---|---|
| Овочі на пару | 20 хв. | 35 хв. | 1 год. |
| Морепродукти | 20 хв. | 50 хв. | 1,5 год. |
| Крупи | 45 хв. | 1,3 год. | 2 год. |
| Коренеплоди | 50 хв. | 1.4 год. | 2 год. |
| М’ясо | 55 хв. | 1,5 год. | 2,5 год. |
- Які фактори ще можуть впливати на швидкість приготування їжі?
- Яких правил безпеки потрібно дотримуватися під час використання сонячних печей?
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 10 хв.
Це завдання може бути як індивідуальним, так і груповим.
Воно розраховане за часом, звичайно, не на урок. Це проєкт, для реалізації якого потрібно підготувати не тільки матеріали, а й дочекатися сприятливої погоди для проведення дослідів.
Ми багато дізналися про використання сонячної енергії, і один із таких прикладів — це сонячна піч.
А чому б не створити її і нам?
Рівень А: запропонуй список матеріалів, які потрібні для її виготовлення
Рівень В: + опиши план її виготовлення
Рівень С: + створіть модель сонячної печі, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки її роботи.
Дружня порада вчителю
Тривалість — до 2 хв.
Діти точно згадають про сонячні панелі, і це буде містком до наступного уроку.
Продовжте речення:
Я думаю, сонячну енергію ще можна використати для…
Відео
Урок №109. Сонячна енергія та її використання
Мета уроку: ознайомити учнів із можливостями використання сонячної енергії на прикладі сонячних колекторів та сонячних печей; пояснити фізичні процеси, що лежать в основі їхньої роботи; пояснити значення відновлюваних джерел енергії для майбутнього.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (у порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 7. Відновлювальна енергетика.
- 12. Відповідальне споживання.
- 13. Боротьба зі зміною клімату.
Ключові слова: сонячна енергія, сонячний колектор, геліоколектор, сонячна піч, геліоконцентратор, фокус, сітловідбивальна поверхня.
План уроку:
- Мотиваційна частина.
- Використання сонячної енергії.
- 2.1. Сонце та сонячна енергія.
- 2.2. Сонячні колектори.
- 2.3. Сонячні печі.
- Попрактикуймо самостійно.
- Рефлексія.
Очікувані результати для учнівства:
У місті Вільясека (Чилі) є незвичайний ресторан Villaseca Solar. Ресторан обслуговує не більше 70 чоловік на день. Варто зазначити, що на приготування замовлених страв тут витрачають досить тривалий час. Наприклад, щоб спекти хліб, знадобиться 2 години, а щоб посмажити м’ясо — 3.
Цікаво, що відвідувачів це нітрохи не бентежить, і вони терпляче чекають на своє замовлення.
У чому особливість цього ресторану?
Посилання на відео:
Відео
Відео
Відео
2.1. Сонце та сонячна енергія
Сонце — це найближча до Землі зірка середньої величини. На минулих уроках ми вже знайомилися з цим космічним об’єктом.
Перевірмо, чи зможеш ти розібратися в запропонованих фактах про Сонце.
Заповни таблицю 1 та познач, чи погоджуєшся з фактом, чи ні.
Табл. 1
| № | Факт | Так(+)/Ні(-) |
|---|---|---|
| 1 | Сонце сформувалося з хмари газу та пилу приблизно 3 мільярди років тому. | |
| 2 | Хімічний склад сонця — це гелій та водень (приблизно по 50%). | |
| 3 | Сонце виробляє енергію завдяки каскаду термоядерних реакцій, у ході яких водень перетворюється на гелій у своєму ядрі. | |
| 4 | Відстань від Землі до Сонця: приблизно 150 млн км. | |
| 5 | Температура на його поверхні становить 3000°С. | |
| 6 | Сонячні плями — це темні ділянки на Сонці. Температура сонячних плям на кілька тисяч градусів нижча, ніж у фотосфери. | |
| 7 | Цикли сонячної активності — періодична 30-річна активізація в сонячній атмосфері з виникненням підвищеної кількості плям, факелів, спалахів, протуберанців і підвищення їхньої енергії. | |
| 8 | Відстань від Сонця до Землі світло долає за 14 хв. | |
| 9 | Насправді Сонце жовтого кольору. | |
| 10 | Сонячна активність впливає на магнітне поле Землі. |
Сонячна енергія — це невичерпне відновлюване джерело екологічно чистої енергії. Кількість сонячної енергії, що надходить на земну поверхню, в 10 тисяч разів більша від світового загального споживання енергії. Середньорічна кількість сонячної енергії, яка надходить за 1 день на 1 м2 поверхні Землі, коливається від 7,2 МДж/м2 на півночі до 21,4 МДж/м2 на півдні. Міжнародним енергетичним агентством у 2007 році встановлено, що використання лише 1,5% кількості випромінюваної на нашу планету сонячної енергії забезпечило б усі сьогоднішні потреби світової енергетики, а реалізація її до 5% — повністю покрити потреби на перспективу. Клімат України дає потенційну можливість широкого використання сонячної енергії (рис. 1).
Використовуючи карту України, на яку нанесено розподіл сумарної сонячної радіації по території України на рік, укажи 5 областей (міст) від найменш перспективних до найбільш перспективних з точки зору використання сонячної енергії (табл. 2).
Табл.2
| № | Область/місто | Середній розподіл сумарної сонячної радіації по області на рік |
|---|---|---|
| 1 | ||
| 2 | ||
| 3 | ||
| 4 | ||
| 5 |
Сонячна енергія може використовуватися по-різному.
Переглянь рис. 2 та вкажи, які перетворення енергії будуть відбуватися в кожному з прикладів.
Розглянь кожен із цих пристроїв окремо.
2.2. Сонячні колектори
Сонячні колектори (далі колектори, геліоколектори) — це пристрої, які виробляють теплову енергію від сонячного випромінювання, що падає на них. Колектори поглинають енергію сонячного світла й перетворюють її в теплову енергію теплоносія. Так, за рахунок своєї циркуляції тепло може передаватися для нагріву, наприклад, води, яку можна використовувати в системі ГВП і / або системі опалення, а також накопичувати тепло в баках-акумуляторах (рис. 3).
На рис. 4 зображені різні типи приймачів сонячного випромінювання.
- Поясни, який із них є найбільш ефективним, порівнявши його з іншими запропонованими типами.
На рис. 5 ти можеш ознайомитися з будовою та принципом роботи колектора.
- Яке призначення абсорбера в колекторі?
- Якими характеристиками повинен володіти абсорбер для ефективної роботи колектора?
Під час встановлення колекторів потрібно враховувати кут його нахилу.
Переглянь рис. 6 та дай відповіді на такі питання.
- Під яким кутом ви б установили колектор для оптимальної його роботи?
- Чи залежить кут встановлення колектора від того, у який період року ви користуєтеся ним?
- Чи буде впливати географічне розташування місця, де встановлюється колектор, на кут нахилу?
- Які фактори, крім кута, потрібно врахувати при встановленні колектора?
- Заповни табл. 3, у якій укажіть, які можуть бути переваги та недоліки встановлення сонячних колекторів.
Табл. 3
| Переваги | Недоліки |
|---|---|
2.3. Сонячні печі
Сонячна піч (сонячна кухня) — це геліоустановка, що використовується для приготування їжі.
Сонячні печі відрізняються за конструкцією, розміром, специфікою використання. Зазвичай вони складаються з геліоконцентратора, у центрі якого знаходиться посудина для приготування їжі (рис.7).
На картинці ти можеш спостерігати модель сонячної печі «Параболічна тарілка».
Особливість такої печі — висока температура нагріву. Тобто її зручно використовувати, коли потрібно швидко, як на звичайній плиті, приготувати відносно невелику кількість їжі.
- З якого матеріалу і чому саме цей матеріал використовується для виготовлення тарілки?
- Як називається червона точка, у якій перетинаються світлові промені?
- Що буде спостерігатися у цій точці?
- Чи постійною буде інтенсивність світлових променів у цій точці?
- Які вдосконалення можна зробити, щоб підтримувати високу інтенсивність світлових променів?
Наступним прикладом є панельна модель сонячної печі (рис. 8). Панельна сонячна піч є простою за конструкцією, і являє собою дзеркало-концентратор, що складається з декількох плоских дзеркал-панелей і каструлі, яка теплоізольована від навколишнього повітря звичайним поліетиленовим пакетом або склом.
- Навіщо каструлю чи інший предмет, який ми нагріваємо, відділяють від навколишнього середовища поліетиленовим пакетом або склом?
- Чи буде впливати колір каструлі на швидкість її нагрівання?
Найбільш технологічною напевно є піч винахідника Патріка Шервіна (піч GoSun) (рис. 9).
Скляним циліндром з міцного термостійкого боросилікатного скла з двома стінками й вакуумним прошарком між ними. Крім того, гриль оснащений спеціальними дзеркальними відбивачами з високоякісної нержавіючої сталі. Така конструкція дозволяє вловлювати до 80% сонячної енергії, а також концентрувати та утримувати її всередині циліндра, що дозволяє отримати досить високу температуру (розігрівається за 20 хв до температури 288°C) для приготування будь-яких видів м’яса, риби, а також овочів (табл. 4).
Табл. 4
| Страва | Пекельне сонце | Сонячна погода | Малосонячно |
|---|---|---|---|
| Овочі на пару | 20 хв. | 35 хв. | 1 год. |
| Морепродукти | 20 хв. | 50 хв. | 1,5 год. |
| Крупи | 45 хв. | 1,3 год. | 2 год. |
| Коренеплоди | 50 хв. | 1.4 год. | 2 год. |
| М’ясо | 55 хв. | 1,5 год. | 2,5 год. |
- Які фактори ще можуть впливати на швидкість приготування їжі?
- Яких правил безпеки потрібно дотримуватися під час використання сонячних печей?
Ми багато дізналися про використання сонячної енергії, і один із таких прикладів — це сонячна піч.
А чому б не створити її і нам?
Рівень А: запропонуй список матеріалів, які потрібні для її виготовлення
Рівень В: + опиши план її виготовлення
Рівень С: + створіть модель сонячної печі, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки її роботи.
Продовжте речення:
Я думаю, сонячну енергію ще можна використати для…
Відео
Ділись та обговорюй важливе