Fyzika a environmentální výchova 2 – energie Slunce
Archivní obsah
Tento materiál pochází ze staršího archivu rvp.cz a už není součástí aktuální nabídky. Uchováváme ho, aby na něj dál vedly původní odkazy.
Odborný článek
Fyzika a environmentální výchova 2 – energie Slunce
Článek seznamuje čtenáře s možnostmi, jak pracovat ve vyučování fyziky s učivem Obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie, konkrétně s tématem solární energie. Po obecnějším úvodu do problematiky se autor zaměřuje na konkrétní možnosti práce s tématem ve vyučování.
Tento text volně navazuje na článek „Fyzika a environmentální výchova 1 – energie a doprava“. Také je zaměřen na oblast, kde se předmět fyzika prolíná s průřezovým tématem environmentální výchova a je jedním z článků, které hodlám věnovat učivu „obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie“.
Naše závislost na velkorysých energetických zdrojích (spotřebováváme na jedince mnohem víc energie, než jiní obratlovci) si v současné době vyžaduje značné oběti v podobě přírodních zdrojů. Zejména spotřeba neobnovitelných zdrojů energie (především těch fosilních) má obrovský a devastující vliv na životní prostředí. Není divu, že nutnost využívat vnější zdroje energie pro práci dělá a vždy dělala lidem starosti. Už od středověku se vynálezci pokoušeli vyrobit stroj, který by vykonával užitečnou práci bez vnějšího energetického zdroje. Skutečnost, že takový stroj nelze sestrojit, byla zřejmá až z výsledků termodynamických teorií moderní doby. Přesto se i v současnosti najdou lidé, kteří marní svůj čas přemýšlením nad konstrukcí perpetua mobile. A motivace pro to může být velice ušlechtilá: nabídnout lidem způsob, jak ušetřit přírodní zdroje a zachovat lidem pohodlí energetického nadbytku. Ale je opravdu nutné hledat nové zdroje pro lidstvo tímto bizarním způsobem? Vždyť máme k dispozici obrovský a z perspektivy existence lidské civilizace nevyčerpatelný zdroj energie – naše Slunce.
Otázkou ovšem je, kdy budeme schopní tento zdroj plně využít a zcela se obejít bez zdrojů neobnovitelných. A jaké vůbec máme technologie využívající energii slunečního záření k dispozici dnes? Odpověď na tuto otázku je částí obsahu učiva fyziky Obnovitelné a neobnovitelné zdroje energie podle RVP ZV.
Původ ve Slunci má většina obnovitelných zdrojů energie (energie větru, biomasy i energie využívající říčního toku). V rámci tohoto článku se ovšem budeme zabývat pouze způsoby, jak získávat energii přímo ze slunečního záření, přesněji tím, jak s tímto tématem seznamujeme žáky na naší základní škole.
Pokus o komplexnější popis problematiky využívání energie slunečního záření naráží na základní škole na meze dané obtížností tématu. Nemyslím si, že je nezbytné požadovat po žácích, aby v kontextu učiva obnovitelné zdroje energie dokázali s porozuměním popsat například průběh termonukleární reakce ve Slunci, velikost (popř. podíl) toku zářivé energie dopadající na povrch Země, či mechanismus vzniku elektrického napětí při vnitřním fotoelektrickém jevu. Domnívám se, že téma zůstává důležitým i zajímavým, i když didaktická transformace učiva výrazně eliminuje fyzikální mechanismy a technické detaily problematiky.
- Pasivní využívání slunečního záření, to je oblast, která se týká především oblasti stavebnictví a architektury (srv. Juchelková; Vrtek 2003 s. 43). Řeší se tam otázky orientace stavby (oken), využití zahrad, zasklených lodžií a skleníků, izolací stěn atd. Žáci jsou seznamováni s fungováním nízkoenergetických, pasivních či nulových (energeticky soběstačných) staveb. V kontextu tohoto učiva se zaměřujeme především na problematiku staveb a izolací. Připomeneme žákům, že si v zimě oblékají tlusté bundy ze stejného důvodu, z jakého „oblékáme“ domy do různých forem tepelných izolantů (tedy, abychom omezili tepelnou výměnu s okolím). Na obrázku jsou ukázky různých druhů tepelných izolací, těsnění a tepelně odrazných vrstev, se kterými pracujeme (školní pomůcka Krabice energie, Rezekvítek).
Autor díla: Zdeněk Hromádka
- Solární (termosolární) kolektory (způsob aktivního využívání slunečního záření). S tímto způsobem využívání slunečního záření seznamujeme žáky pomocí praktického, názorného modelu solárního kolektoru.
Pro výuku na naší škole zkonstruoval model solárního kolektoru (včetně metodiky) můj kolega Ing. René Retek, s jehož laskavým svolením se pokusím pomůcku popsat. Za slunných dnů je možné použít kolektor přímo tak, že jej vystavíme slunečním paprsků (což je samozřejmě nejvhodnější způsob). Pokud ale nejsou pro tento druh pozorování vhodné podmínky (počasí, nevhodná orientace učebny), je možné použít jako zdroj záření halogenový reflektor. Solární kolektor je tvořen pevným boxem, jehož jedna stěna je zasklená a ostatní vnitřní stěny jsou pokryty tmavou, matnou barvou. Uvnitř boxu je průhledná hadice (vhodné je použití hadičky pro akvaristiku) zakřivená tak, aby nedošlo k jejímu zalomení. Pomocí malého elektrického cirkulačního čerpadla (jedná se automobilové čerpadlo do ostřikovače) je voda z nádrže hnána do kolektoru. Ohřátá voda se pak vrací zpět do nádrže přes přepadovou nádobu, ve které je možné měřit teplotu vody vycházející z kolektoru. Voda pak přepadává zpět do hlavní nádrže, viz obrázek.
Autor díla: Zdeněk Hromádka
Popis schématu kolektoru:
1. Nádoba, do které vtéká ohřátá voda (zde je umístěn teploměr).
2. Hlavní nádoba, kde je zásobárna vody, která má být kolektorem ohřívána (i zde je umístěn teploměr).
3. Na pozici číslice tři se nachází čidlo elektronického teploměru, který měří teplotu vzduchu uvnitř kolektoru.
4. Teploměr na měření teploty vzduchu před kolektorem.
5. Čerpadlo.
Stručný popis práce žáků s kolektorem (podle metodiky Ing. René Retka)
- Cílovou skupinu představují žáci druhého stupně základní školy.
- Žáci v pravidelných časových intervalech měří průběhy 4 různých teplot. Údaje potom zpracují do podoby grafů a následně se pokusí výsledky vysvětlit a navrhnout praktické využití získaných poznatků.
- Částečně se jedná o žákovské měření, ale role učitele jako aktivního supervizora je poměrně důležitá. Pro úspěšné provedení měření je potřeba účinná žákovská kooperace při práci ve skupinách.
- Měření a zpracování naměřených údajů nemusí probíhat v rámci jedné vyučovací jednotky a nemusí na sebe nutně ani navazovat.
Když se žáci pomocí práce s modelem seznámí s fungováním solárního kolektoru, jsou připraveni na informace obecnějšího charakteru. Sem patří například současné možnosti využívání kolektorů v praxi (například ohřívání užitkové vody v domácnostech), popř. využívání jiných druhů solárních kolektorů, např. vysokoteplotní systémy parabolických solárních pecí (viz Kaminský; Vrtek 1998 s. 40, 41).
2. Získávání elektrické energie ze Slunce
Fotovoltaické panely
Důsledné objasnění vnitřního fotoelektrického jevu, který se uplatňuje při využívání fotovoltaických článků (fotodiod) pro výrobu elektrické energie přímo ze slunečního záření, jistě nepatří do obsahu učiva fyziky základní školy. Nicméně to, že existují možnosti (a že se již masivně realizují) získávání elektrické energie tímto způsobem, by absolventi základní školy vědět měli. Ostatně většinou mají s fotovoltaiky osobní zkušenosti (například, když používají sluncem nabíjenou kalkulačku, nebo projíždí kolem solární elektrárny). Na naší škole obvykle řadíme učivo o fotovoltaických článcích k tématu polovodičová dioda. Témata, se kterými v kontextu této problematiky pracujeme, jsou více společenská než fyzikální, a často vedou k zajímavým diskusím:
- Ekologický přínos čisté energie fotovoltaických článků versus ekologická zátěž spojená s jejich výrobou.
- Plochy pro umístění fotovoltaických článků (pole a louky v krajině versus nevyužívané střechy apod.).
- Budoucnost a vize fotovoltaické energetiky a účinnost současných fotovoltaických panelů.
- Využívání fotovoltaických článků jako zdroj energie pro kosmický výzkum sluneční soustavy
Závěr
Osobně se domnívám, že v bouřlivém vývoji technologií, které využívají čistou sluneční energii, je jakási naděje do budoucnosti. Myslím, že tento druh technooptimismu (v době, kdy s úzkostí hledíme k hrozícím environmentálním krizím) není špatné přenášet na žáky. Ostatně bude to dost možná právě jejich generace, která se bude muset vypořádat se závažnými environmentálními výzvami budoucnosti.
Literatura a použité zdroje
JUCHELKOVÁ, Dagmar. Obnovitelné zdroje energie. 1. vyd. Ostrava, 2003. ISBN 80-903373-1-7.
KAMINSKÝ, J.; VRTEK, M. Obnovitelné zdroje energie. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 1998. ISBN 80-7078-445-8.
CENEK, M.; FILAKOVSKÝ, K. Obnovitelné zdroje. 2. vyd. Praha: FCC Public, 2001. ISBN 80-901985-8-9.
Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání. Praha: MŠMT, 2017.
