12. Elektřina ze solární energie

Existuje mnoho způsobů získávání elektrické energie ze solárních zdrojů. Nejelegantnějším způsobem - i když ne nejlevnějším - je použití statických solárních článků. Podívejme se na to, co solární článek ve tvém Domě budoucnosti dokáže.

Pokus č. 63: Výroba elektřiny na střešeNa mnoha střechách si můžeme v současnosti povšimnout namontovaných modrých lesknoucích se solárních článků. Tvůj Dům budoucnosti může jeden podobný solární článek mít také. Zkusme ho spolu nainstalovat.

Budeš potřebovat:
solární článek, Dům budoucnosti, 2 upevňovací svorky.
Experiment:
1. Vlož obě svorky do výřezů na střeše domu. Zatlač je dovnitř dostatečně hluboko tak, aby jejich hladká strana se 4 dírkami přesně přiléhala ke střeše
a byla s ní v rovině.
2. Potom protáhni konce kabelů skrz dvě níže položené dírky ve svorkách. Přes dvě vrchní dírky budou v následujících experimentech připojena LED zařízení nebo motor.
Vysvětlení:
Množství elektřiny dodané solárním článkem bude záviset na jeho úhlu
a nasměrování ke slunci. Nejlépe článek pracuje, když na něj dopadají sluneční paprsky co nejkolměji. Proto jsou solární články nejčastěji instalovány na střechách, které nejenže poskytují velkou plochu, ale jsou také vhodně orientované vůči slunci.

Pokus č. 64: Solární proud pohání motorZa moment ti solární článek předvede, co dokáže.

Budeš potřebovat: Dům budoucnosti se zapojeným solárním článkem, motor, vrtuli.

Experiment:
1. Otevři tu část střechy, která neobsahuje solární článek. Protáhni červený a černý spojovací kabel zespodu skrz otvory ve střeše a zapoj je do vrchních dírek na svorkách solárního článku.
2. Opačné konce kablíků protáhni zevnitř otvory nad vchodovými dveřmi.
3. Zvenku kabely připoj ke kabelům motoru a vlož vrtuli do motoru.
4. Když nasvítíš solární článek slunečním světlem, motor se začne otáčet.
Vysvětlení:
Ozářený solární článek se chová podobně jako baterie: dodává energii.

Pokus č. 65: Funguje to i bez slunce?Slunce nesvítí neustále. Bude solární článek fungovat 
i s pomocí jiných světelných zdrojů?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem a motorem z experimentu č. 64, rozmanitá světla, žárovky a lampy.
Experiment:
1. Vyzkoušej použít různé zdroje světla, jako například stolní lampu, baterku, čelovku. Bude se s jejich použitím motor otáčet?
Vysvětlení:
Motor bude pracovat téměř neustále - dokonce i tehdy, když jej budeš muset na začátku trošku roztlačit. Nejlépe fungují světlá halogenová světla. Naopak úsporné zářivky jsou obvykle jediné, které nefungují. Jejich světlo je totiž rozptýleno do velkého prostoru, takže na solární článek z něj dopadne jen velmi malá část.

Tip na šetření energie Pokud nahradíš klasické žárovky úspornými, ušetří ti mnoho elektřiny.

Elektrický proud

I když jsme už na elektřinu úplně zvyklí, mnoho lidí si stále myslí, že je velmi záhadná. Za prvé, je neviditelná. Vidět můžeme jen následek jejího působení, například rotující motor. Jak naznačuje název, elektrický proud sestává z toku - je to tok jeho nejmenších částic (elektronů) kabely. Tyto částice jsou dokonce ještě menší než atomy. Jak to v takovém elektrickém cyklu funguje? Pro přiblížení si představ trubku, která je vyformovaná do tvaru uzavřeného kruhu a naplněná vodou. V jedné z částí okruhu je nainstalováno čerpadlo. Když ho spustíš, uvede vodu do pohybu a ta pak proudí okruhem. V jiné části tohoto systému je malé vodní kolo, jež pomocí vody rotuje, a tím následně pohání například malou vrtuli. V tomto modelu elektrického cyklu čerpadlo odpovídá solárnímu článku nebo baterii, které uvádějí elektrony do pohybu. Elektrony proudí kabely, jež odpovídají trubce. A vodní kolo by mohlo být například motorem nebo lampou. Samozřejmě je to tak, že za jednu sekundu by mohlo kabely proudit více nebo méně elektronů, a tím pádem by byl elektrický proud silnější, nebo slabší. Silnější proud toho dokáže víc. "Síla nebo intenzita proudu" je proto v elektronice důležitou měrnou jednotkou. Dalším důležitým faktorem je síla, kterou například solární článek pohání tok elektronů přes kabely. Tato síla je známa jako elektrické napětí - odpovídá tlaku vody ve vodním okruhu. Jeho jednotkou je volt (V). Tvůj solární článek dodává asi 3 volty, tužková baterie 1,5 voltu, autobaterie 12 voltů a zásuvka ve zdi (smrtelně nebezpečná!) dodává 120 voltů.

Vodní okruh a elektrický okruh: Water wheel = vodní kolo, Pump = čerpadlo, Lamp = žárovka

Pokus č. 66: Bez přerušeníProč potřebují solární článek, motor, baterie i mnoho jiných elektrických zařízení vždy dvě připojovací koncovky?

Budeš potřebovat: Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem a motorem, lampu.
Experiment:
1. Nechej motor znovu běžet pod světlem. Jeden po druhém vytáhni kabely ze svorek nebo na druhé straně vytáhni jednu z koncovek kabelů z motoru. Motor okamžitě přestane pracovat.
2. Obnov všechna zapojení a všimni si směru rotace. Pak vyměň koncovky obou kabelů do motoru, jednu za druhou. Tentokrát se bude motor otáčet opačným směrem.
Vysvětlení:
Elektřina vždy proudí v kruhu - tj. v elektrickém cyklu. Ozáříš-li solární článek, ten následně vlastně vytlačuje elektrony ven z jednoho ze dvou terminálů. Elektrony proudí skrz kabely do jednoho z terminálů motoru, pak zpět ven přes druhý terminál a nakonec zpět do solárního článku: cyklus se uzavře. Pokud je cyklus na kterémkoli místě přerušen nebo zastaven, proud elektronů se okamžitě zastaví, protože solární článek už dále elektrony nevysílá, protože žádné do něj nevcházejí. To zastaví i motor. Fakt, že elektrický proud opravdu proudí kabely stejně jako proud vody, je potvrzen a demonstrován obratem rotace motoru po přehození terminálů. Tehdy elektřina protéká motorem v opačném směru - a motor proto také změní směr otáček.

Lidské tělo má také velmi dobré vodivé schopnosti, a proto bychom se měli před elektrickým proudem chránit.

Pokus č. 67: Vodič a nevodičVe tvém experimentu protéká elektrický proud kabely. Ty jsou vyrobeny z mědi vložené do plastového pláště. Povedou elektřinu i jiné materiály?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem a motorem, malou špejli, předměty vyrobené z různých materiálů, lampu.
Experiment:
Vytáhni jeden z kabelů ze svorky a podrž předměty z různých materiálů tak, aby se dotýkaly svorky a zároveň i kabelu. Vyzkoušej to například s kovovými a plastovými lžícemi, s dřevěnou špejlí, kovovými hřebíkem, mincí, se svými prsty, papírem, sklem, alobalem. Bude se motor otáčet?

Vysvětlení:
Všechny kovy povedou elektřinu. Proto se nazývají "vodiče". Na druhé straně materiály jako plast, dřevo, papír, sklo, karton a vzduch jsou nevodivé, a proto je označujeme jako "nevodiče". Samozřejmě však i nevodiče obsahují elektrony. Ty se ale pohybují těžce, a tak elektrická síla solárního článku nebo baterie není dostatečně velká na to, aby je rozproudila. Přímý kontakt mezi elektrickým vodičem a tvými prsty je v tomto experimentu dovolen jen proto, že tento konkrétní solární článek je velmi slabý. Nikdy nezkoušej nic podobného s jinými vodivými předměty a elektrickými zařízeními a v žádném případě ne se zásuvkou ve zdi!

Pokus č. 68: Červené světlo z LED zařízení

Tzv. luminiscenční neboli světelná dioda, případně zkráceně LED (lidově ledka), je moderní formou tvorby světla. Jedna se nachází také ve tvé experimentální stavebnici - najdi malou červenou plastovou součástku se dvěma kovovými koncovkami.

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, 2 svorky, LED, černý papír, lepicí pásku, nůžky, lampu.
Experiment:
1. Vlož obě svorky do zářezů pro ně určených, nacházejích se nade dveřmi. Do vrchních dírek vlož dva kabely.
2. Ohni oba LED drátky tak, aby každý zapadl do nižších dírek na svorkách, a vlož do nich LED světlo.
3. Solární článek nasviť lampou nebo slunečním světlem. Zastiň "ledku" rukou, aby sis byl jistý, že se rozsvítila. Pokud se nerozsvítila, vyjmi ji ze svorek a znovu zapoj s vyměněnými koncovkami. Nyní by se měla rozsvítit.
4. Když se LED napoprvé rozsvítí, zkus vyměnit koncovky. Po výměně se již nerozsvítí, protože funguje jen jedním směrem.
5. Světlo "ledky" je v jasném světle obtížně viditelné. Vystřihni proto kus papíru o velikosti 4 x 4 cm, sviň jej do roličky a zalep lepicí páskou. Jemně LED ohni směrem nahoru a nasaď na ni papírovou roličku. Nyní by mělo být možné pozorovat její svítivost i během slunečného dne.
Vysvětlení:
LED dioda působí pro elektrický proud jako klapka: elektřině dovolí skrz sebe proudit pouze v jednom směru. Světlo vytváří jen tehdy, když jí elektřina proudí, a pokud je zapojena opačně, nerozsvítí se. "Ledky" mají ve srovnání s tradičními žárovkami několik důležitých výhod: na vyzařování stejného množství světla potřebují mnohem méně elektřiny a mají mnohem delší životnost. Niky nezapojuj LED diodu přímo k baterii! Její citlivé komponenty by se mohly okamžitě zničit.

Luminiscenční dioda

Luminiscenční diody nebo "ledky" jsou moderními elektronickými součástkami. Jsou vytvořeny z drobných krystalů vsazených do průsvitných plastových pouzder. Pokud LED proudí elektřina, její část je přeměněna na viditelné světlo. Výběrem určitého typu krystalu nebo pomocí různých přísad je možné ovlivnit barvu světla. V každém případě LED fungují jako elektrické klapky: dovolí pohyb proudu pouze v jednom směru. V současnosti existují LED ve všech možných barevných odstínech, dokonce i v neviditelných infračervených a ultrafialových vlnových délkách. Našly své uplatnění v nesčetných provedeních, jako např. v displejích elektronických zařízení, ve vysílačích signálů v ovladačích - např. televizorů, v mnoha elektronických zařízeních, jako jsou skenery a tiskárny. Používají se k vyzařování světla skrz optické kabely, v medicíně, v barevných reklamních banerech a v poslední době i jako úsporné a dlouhodobé zdroje osvětlení v automobilech, v baterkách, reflektorech a v pouličním osvětlení.

Pokus č. 69: Mraky zakrývající slunce

Slunce nesvítí vždy na jen bezmračné obloze. Co se děje, když je solární článek částečně zastíněn?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem a s LED v papírové roli, kryt zimní zahrady, papír.
Experiment:
1. Umísti Dům budoucnosti tak, aby byl solární článek na přímém slunci a všimni si míry svítivosti "ledky". Potom solární článek částečně zastiň rukou
a pozoruj, co se s "ledkou" děje.

2. Pozoruj, jaký vliv mají oblaka zakrývající slunce. Jaký je výkon LED během deštivého dne? A jak výkon poklesne, když se blíží noc?
3. Zakryj solární článek světlým papírem, průsvitným krytem zimní zahrady, plastovou fólií a jinými kryty a pozoruj, jaký mají na jas LED diody vliv.
Vysvětlení:
Částečný stín rychle sníží množství energie vyrobené solárním článkem, a tak LED viditelně ztmavne. Slunce také dodává stále méně světla, když se přibližuje k horizontu. Dokonce i bezbarvý kryt zimní zahrady sníží výkon solárního článku. Musíš se však opravdu pozorně dívat nebo rychle pohybovat krytem tam a zpět, abys zaregistrovali jeho vliv. Během pochmurného dne je možné, že se motor nespustí, protože tehdy je svit výrazně nižší než během slunečného dne. Při snaze odhadnout intenzitu světla nás naše oči trochu klamou, protože slunečný den je ve skutečnosti až 250krát jasnější než pochmurný zimní den!

Pokus č. 70: Úsporný motor

LED očividně potřebuje hodně elektřiny. Je tedy motor úspornější?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, motor, vrtuli.
Experiment:
1. Ze svorek nade dveřmi vytáhni dráty a propoj je s motorem.
2. Umísti Dům budoucnosti tak, aby byl na přímém slunci. Motor bude zanedlouho uveden do pohybu, což je známkou správného zapojení. Nyní solární článek částečně zastiň rukou. Je třeba zastínit ho téměř celý, aby motor zpomalil natolik, že to zaregistruješ.
3. Nyní osvětli solární článek pouze odrazem od světlé stěny nebo od bílého papíru. Motor bude i tak velmi dobře poháněn.
4. Nasměruj Dům budoucnosti tak, že solární článek směřuje pouze k modré obloze a není osvícen přímým sluncem. Je-li slunečný den, motor bude stále pracovat, i když o poznání pomaleji.
Vysvětlení:
Motor skutečně potřebuje mnohem méně elektrického proudu než LED. I když je solární článek značně zastíněný, motor stále funguje.

Pokus č. 71: Funguje i při dvojnásobném výkonu

Pokud motor opravdu potřebuje malé množství elektřiny, je to dostatečný pohon pro osvětlení i pro pohyb motoru?

Budeš potřebovat: Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, LED s papírovou trubkou, motor s vrtulí. Experiment: 1. Rozšiř instalaci z experimentu č. 70 tak, že do svorek solárního článku vložíš i LED. Připevni na ni i papírovou roličku a ujisti se, že LED je zapojena ve správném směru.

2. Umísti Dům budoucnosti tak, aby sluneční paprsky dopadaly přímo na solární článek. Dioda se rozsvítí a motor se otáčí.
3. Částečně zastiň solární článek. LED ztmavne nebo zhasne, ale motor neustále pracuje.
4. Otestuj různé světelné zdroje. V závislosti na intenzitě záření bude zapnutá buď LED zároveň s motorem, nebo jen motor.
Vysvětlení:
Solární článek v tvé experimentální stavebnici je velmi kvalitní, a tak dokáže vyprodukovat dostatečné množství elektřiny, která pohání motor i LED, pokud dostane dostatek světla. V některých z následujících experimentů budeš schopen pohánět obě zařízení zároveň. Během těchto pokusů vždy zapoj LED do svorek solárního článku a ne nade dveře.

Pokus č. 72: Následuje dráhu slunce

V experimentech s LED diodou jsi viděl, jak citlivě solární článek reaguje na intenzitu světla. Co se stane, když nebude nasměrován přímo proti slunci?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, LED s papírovou rolí.
Experiment:
Během experimentu č. 9 ses naučil, jakou dráhu slunce absolvuje po obloze, kde přesně vychází, kde je v poledne a kde zapadá. Umísti Dům budoucnosti tak, aby byl během denní sluneční poutě orientován přesně proti těmto bodům. Upravuj jeho polohu během dne a pozoruj při tom jas "ledky".
Vysvětlení:
Solární článek dodává nejvíce elektřiny, je-li nasměrován přímo ke slunci. Jelikož je však slunce během dne v pohybu, výdej energie ze statického solárního článku se samozřejmě mění. Proto existují solární elektrárny, jejichž články během dne následují dráhu slunce. Jsou však mnohem dražší. Pevné nepohyblivé solární články by měly být ideálně nasměrovány na jih.

Pokus č. 73: I úhel zdvihu je důležitý

Dráha slunce napříč oblohou není přímá, ale zakřivená. Z toho důvodu nemění pouze směr, ale mění i svou výšku nad horizontem. Jaký to má vliv na solární článek?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem a LED s papírovou rolí.
Experiment:
Zopakuj předchozí experiment, avšak tentokrát zkus nastavit solární článek podle výšky slunce nad horizontem tak, že nakloníš celý dům na požadovaný sklon. Opět sleduj míru jasu diody během toho, jak měníš zdvih.
Vysvětlení:
Výška slunce nad horizontem má také přímý vliv na výkon solárního článku. Statické články jsou proto obvykle nastaveny pod úhlem, který vykazuje dobré výsledky po většinu měsíců v roce. To je případ tvého Domu budoucnosti. Optimální úhel odklonu od roviny činí přibližně 30 - 45°.

Tip na šetření energie Když koupíš nové zařízení a chceš jím nahradit zařízení původní, vyber si aktuálně to nejvýkonnější a nejhospodárnější na trhu. Všímej si jeho energetické třídy - ta tato kritéria zohledňuje.

Pokus č. 74: Odražené sluneční světlo

Samozřejmě by bylo možné mít solární článek na stabilním místě a sluneční světlo na něj odrážet. Pohyb slunce bychom pak museli sledovat jen zrcadlem. Fungovalo by to?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, LED a motorem, kryt zimní zahrady, zrcadlo, alobal, lepicí pásku.
Experiment:
1. Umísti Dům budoucnosti na vnější zastíněné místo a pomocí zrcadla nasměruj sluneční paprsky na solární článek. LED se rozsvítí a motor se sepne, i když je světelná intenzita slabá.
2. Zkus namísto zrcadla použít lesklou stranu alobalu. Přitiskni ho na kryt zimní zahrady, vyrovnej ho nejlépe, jak se dá, a připevni lepicí páskou. Nyní by se měl minimálně spustit motor.
Vysvětlení:
Podle svítivosti diody to vypadá tak, že s pomocí dobrého zrcadla je výkon solárního článku srovnatelný s výkonem během ozáření přímým sluncem. Alobal však na druhou stranu nefunguje tak dobře jako zrcadlo.

Pokus č. 75: Zintenzivnění pomocí zakřiveného zrcadla

Duté zrcadlo soustřeďuje světlo jinak než klasické. Vyzkoušej to sám.

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, LED a motor, konkávní (duté) zrcadlo z experimentů č. 58 a 59.
Experiment:
1. Vezmi si konkávní zrcadlo z předchozích experimentů č. 58 a 59.
2. Dům budoucnosti umísti do stínu a namiř paprsky soustředěné konkávním zrcadlem do solárního článku tak, aby nejjasnější skvrna směřovala přímo na něj. Všímej si svítivosti "ledky".
Vysvětlení:
Díky své schopnosti soustřeďovat paprsky umožní velké konkávní zrcadlo dobrý výkon, kterého si všimneš na diodě. Motor se spustí v každém případě.

Tip na šetření energie Všechna zařízení, která nepoužíváš, vypni. Spotřebovávají totiž zbytečně velké množství energie, i když běží jen v úsporném režimu.

Pokus č. 76: Čím blíže, tím jasnější

Je-li světlo solárnímu článku dodáváno sluncem, nezáleží na tom, zda je článek blízko u země, nebo
v šestém patře domu. Pokud však jako světelný zdroj použiješ lampu, vzdálenost vůči ní je zásadní. Proč? A jak velký vliv má zmiňovaná vzdálenost?

Budeš potřebovat:
Dům budoucnosti s nainstalovaným solárním článkem, LED s papírovou rolí, motor, černý papír, pravítko, lampu, pero, papír, lepicí pásku.

Experiment:
1. Černým papírem zakryj přesně polovinu solárního článku. Namiř lampu (například jasnou stolní lampu) tak, aby vyzařovala světlo horizontálně.
2. Přibliž lampu k solárnímu článku tak, aby se LED rozsvítila, a potom prodluž vzdálenost od ní až do bodu, kdy dioda zhasne. Změř vzdálenost mezi lampou a solárním článkem.
3. Odstraň překrytí solárního článku černým papírem a znovu změř vzdálenost. Poznamenej si výsledky obou měření.
4. Opakuj oba experimenty, tentokrát si však zapiš vzdálenost, při níž se vypne i motor.
Vysvětlení:
Experiment jasně dokazuje, že intenzita světla klesá s větší vzdáleností od lampy. Dokonce i když prodloužíš vzdálenost jen o kousek, LED zhasne a o pár cm dál množství vyprodukované elektřiny už nedokáže pohánět ani motor. Jak ti potvrdila měření, intenzita světla neklesá v přímé úměře ke vzdálenosti. Nejdříve jsi změřil vzdálenost dodané světelné intenzity, jinými slovy vzdálenost, při níž LED zhasne. Pak jsi odstranil stínění solárního článku. To má stejný vliv jako zdvojnásobení jasu lampy. A přece tentokrát LED nezhasne ve dvojnásobné vzdálenosti od lampy, ale přibližně v jejím 1,5násobku. Tentýž výsledek se ukáže i v experimentech s motorem. Ve skutečnosti je pokles intenzity světla mocninou vzdálenosti. Pokud zdvojnásobíš vzdálenost, intenzita světla neklesne na polovinu, ale sníží se o čtvrtinu. A pokud ztrojnásobíš vzdálenost, intenzita světla klesne na 1/9 atd. Proto by se neměly instalovat pouliční osvětlení, světla v domácnostech nebo lampy na čtení příliš daleko od oblastí, jež mají být osvětleny.

Pokus č. 77: Šťáva z červeného zelí měnící barvu

Udělejme si malou odbočku do fascinující vědecké oblasti: elektrochemie. Elektrický proud může také působit jako chemik, vytvářející během procesu úžasné věci.

Budeš potřebovat:
solární článek, kryt zimní zahrady, papírové ubrousky, kuchyňskou sůl, šťávu
z červeného zelí, sklenici.
Experiment:
1. Do sklenice vlij jednu polévkovou lžíci šťávy z červeného zelí (získáš ji uvařením červeného zelí ve vodě) a rozpusť v ní tři špetky soli.
2. Do tohoto červeného roztoku namoč papírový ubrousek a pak jej rozprostři přes kryt zimní zahrady.
3. Obě koncovky solárního článku vtiskni do ubrousku a podrž je tak pár minut na přímém slunci. Potom solární článek odeber a prozkoumej ubrousek. Na jedné koncovce (negativní pól, -) se červená barva změnila: na tomto místě je papír najednou modrý nebo žlutý.
Vysvětlení:
Chemici nazývají kuchyňskou sůl chlorid sodný, protože se skládá z chemických prvků sodíku a chlóru. Elektřina vytvořená solárním článkem tuto sloučeninu rozloží. V procesu rozkladu se vytvoří na jedné koncovce látka, která změní barvu šťávy domodra. Kromě toho se uvolní malé množství chlóru, který se spojí se šťávou a vybělí ji - proto žlutá barva. Tuto "hru" si můžeš zahrát i s jinými barvami z květů či ovoce - ačkoli ne se všemi to funguje. Vyzkoušej například borůvkovou nebo třešňovou šťávu, ve které vždy rozpusť trošku soli.