Ako pozbierať slnečné lúče, aby sme ohriali vodu.
S teplom zo slnka je možné ohrievať nielen dom a vzduch v ňom, ale rovnako aj vodu pre horúcu sprchu, umývanie riadov alebo pranie. Slnko tiež dokáže zohrievať vodu ústredného kúrenia. Vodu, ktorá bola zohriata v letnom období, môže byť dokonca uložená na zimu. A všetko toto môže byť vykonané bez výrazných škôd voči životnému prostrediu. Táto kapitola sa bude zaoberať kolektorom, ohrievačom vody na solárny pohon. Zažneme malými pokusmi:
11. november: Náš dom je už veľmi pohodlný. Stephanie vyrobila veľký okrúhly stôl do kuchyne. Každý už spí v posteli s pevným slameným matracom. Náš dvojmetrový Michael so svojimi 90 kg sa stále ale cíti nepohodlne. Teraz spí na hromade penových podložiek. Bývalá skriňa na kabáty má dnes nový modrý povlak a slúži ako kuchynská skrinka.
15. november: Žiaľ, aktuálne sa nemôžeme ani kúpať, ani sprchovať. Starý ohrievač vody na drevo a uhlie Benny odstránil a zmenil ho na nádrž s teplou vodou pre náš solárny systém. Chceme ušetriť palivo a radšej získať energiu zo slnka. Danielove testy a výpočty ukázali, že každý z nás by sa teoreticky mohol sprchovať každý deň, dokonca aj v zime. Nanešťastie ale teraz nemáme žiadnu teplú vodu zo slnka. Ako nám len chýba teplá sprcha!
Počas dňa Stephanie, Michael a Benny montujú rámy na slnečné kolektory na južnej časti strechy. Pohlcovače sú už pripravené. Sú to načierno namaľované predmety, ktoré zapadnú do rámov a sú izolované slamou. V starom stolárskom obchode na našom ostrove sme našli ešte pár kúskov tabuľového skla na zakrytie. Ann vyrobila sklársky tmel z drvenej kriedy a ľanového oleja. Poznáte niekoho ako našu šikovnú Ann?
Ako teplo je vonku v tieni?
Chceme zistiť, ako dosiahneme vyššie teploty pomocou slnečného tepla než so skleníkom. Na to potrebujeme:
Slnečný kolektor
Teplomer, časť 38
Papier a ceruzku, nie sú súčasťou balenia
Škatuľku zápaliek, namaľovanú nabielo alebo zakrytú bielym papierom, nie je súčasťou balenia
Zostavte si slnečný kolektor a namontujte ho na spodnú časť strechy tak, ako je popísané na ďalšej strane. Vyberte čiernu nádrž z priehradky v slnečnom kolektore. Potom opäť nasaďte na dom strechu. Následne odmerajte teplotu vzduchu v tieni. Aby ste to mohli urobiť, pripevnite kryt zápalkovej krabičky, ktorá je namaľovaná nabielo alebo zakrytá bielym papierom, kúskom pásky. Teraz otočte dom smerom k slnku alebo ho nasmerujte pod svetlo lampy na vzdialenosť dĺžky asi jednej ruky od strechy. Vložte teplomer do zatieneného priestoru krabičky a odčítajte teplotu v čase, keď červená kvapalina už nebude stúpať a zapíšte ju.
Takto odčítame teplotu v tieni strechy domu.
Teplo a teplota
Teplo a teplota, to nie je to isté. Teplota je hodnota, ktorá opisuje tepelný stav objektu alebo látky. V USA sa teplota meria vo Fahrenheitoch. V medzinárodnom meradle sa ale používa stupeň Celzia. Vo fyzike zase používame Kelvinovu stupnicu, ktorá sa začína bodom absolútnej nuly, čo je -273˚C.
Čím je väčšia hmotnosť (kapacita) objektu, tým viac tepla sa musí pridať, aby sa zvýšila jeho teplota o určitý počet stupňov. Inými slovami, teleso „pohlcuje“ teplo a jeho teplota sa zvýši. Ak si ho napríklad prajete ohriať o 20˚C, musí pohltiť dvakrát viac tepla, ako by to bolo pri zvýšení o 10˚C. Množstvo tepla je meradlom tepelnej energie. Je vyjadrené v jednotkách nazvaných „Jouly“. Pre zohriatie vody z 20˚C na 21˚C je potrebných 4186 Joulov.
Slnečný kolektor
1 solárna nádrž, diel č. 37
1 kryt na kolektory, kartón 4
Slnečný kolektor použijeme na ohrev vody alebo vzduchu pomocou slnečného svetla. Pre zostavenie slnečného kolektora najprv vyberte kusy lepenky z karty č. 4. Ohnite ich na označených líniách a vytvorte krabicu (viď obr. 1). Potom naneste tenkú vrstvu lepidla na dve krídelká krabice s kruhovým otvorom. Jednu z bublinkových fólií (zo solárnych článkov) použite ako izoláciu na zadnej strane krabice pomocou dvoch kusov lepiacej pásky. Na dlhé krídelká naneste hrubšiu vrstvu lepidla a prilepte krabicu k spodnej časti kratšieho strešného kusu pod obdĺžnikovým otvorom (viď obr. 2). Teraz posuňte čiernu plastovú solárnu nádrž otvorom nahor do kartónového krytu na kolektor. Spodné krídelko krytu uzavrite a strechu dajte späť na dom. Zakryte obdĺžnikový otvor v streche obdĺžnikovým kusom priehľadného plastu, ktorý ostal zo skleníka.
Ohrev vody v skleníku
Naplňte čiernu plastovú fľašu (časť 37), teda solárnu nádrž, vodou z vodovodu až po okraj. Vložte teplomer do spodnej časti fľaše, takže sa malé množstvo vody vyleje. Teraz odmerajte teplotu a zapíšte si ju na papier.
Nalejte vodu do žliabku v podlahe skleníka a na vrch dajte priehľadný kryt. Potom postavte nad to stolovú lampu vo vzdialenosti asi 10 cm. Samozrejme, môžete svoj dom a skleník položiť aj na balkón na slnko, ak je slnečno, ale nie za okno, pretože okenné sklo pohlcuje energiu.
Teraz nechajte teplo z lampy alebo slnka prúdiť asi hodinu. Potom odstráňte kryt a odmerajte teplotu vody v skleníku. Zapíšte si ju na papier. O koľko stupňov stúpla teplota vody? Môžete si hodnotu poznamenať do tabuľky na konci tohto manuálu.
Následne vysušte vodu zo žliabku špongiou alebo handrou, lampu položte stranou a počkajte pár minút, než sa žliabok ochladí na izbovú teplotu.
Zdvojnásobenie množstva vody znižuje teplotu
Teraz zopakujte predchádzajúci pokus pri rovnakých podmienkach: začnite meraním teploty vody z vodovodu, nechajte lampu alebo slnko žiariť na dom z rovnakej vzdialenosti po dobu jednej hodiny. Tentokrát ale žliabok naplňte dvojnásobným množstvom vody z fľaše. Po hodine odmerajte opäť teplotu a zistite, o koľko stupňov stúpla.
V druhom pokuse sa teplota zvýšila len asi o polovicu v porovnaní s prvým pokusom napriek tomu, že zdroj tepla (slnko alebo lampa), ani dĺžka pôsobenia sa nezmenila, a teda bolo dodané rovnaké množstvo tepelnej energie. Prečo je to tak? Pretože zohrievame dvakrát viac vody rovnakým množstvom tepla. Výsledkom je teda nižšia teplota vody.
Ako teplo je v solárnom boxe?
Teraz odmeriame teplotu vzduchu v prázdnom priestore slnečného kolektora bez solárnej nádržky. Ak budete vykonávať pokus s lampou zabezpečte, aby svietila priamo na kryt slnečného kolektora. Ak otvor nie je úplne zakrytý, použite ešte lepiacu pásku. Vložte teplomer cez otvor v streche do prázdneho priestoru a uistite sa, že jeho špička je v tieni. Po krátkej chvíli odčítajte teplotu. O koľko stupňov je vzduch v tomto priestore teplejší než vonkajší vzduch? Zapíšte si výsledky do tabuľky na konci manuálu.
25. december: Leon do nášho domu dostal dvoch plachých chlapíkov. Len pred chvíľou ich stretol pri strome, kde sa ich opýtal, aký starý tak môže byť. „Zasadili sme ho, keď som ešte chodil do školy,“ povedal jeden z mužov.
„Stromček bol vtedy taký slabý,“ pridal sa druhý. „Museli sme ho pripevniť k stĺpiku, aby sme ho ochránili pred vetrom. Strom časom zmohutnel a rástol spolu s nami. Teraz je už vráskavý ako my a holý,“ dodal.
„Ale nemá každú jeseň mäkké, jemné listy?“ spýtal sa Leon.
„Áno,“ hovorí prvý z nich. „Stále má tenké vetvičky a jemné listy. A keď je veterno, lístie len tak šuští a konáre sa hompáľajú.“
„Presne tak, všetko je v pohybe,“ zafilozofoval Leon. „Je to, ako sa hovorí, dvakrát nevstúpiš do tej istej rieky.“
„To je vskutku pravda,“ zakričal jeden z mužov. „Platí to aj pre vietor a vlny.“
„Poďte ďalej,“ povedal Leon, „a môžeme pokračovať vo filozofovaní.“ A dnu vkročili traja muži.
Ako teplo je v solárnej nádrži?
Teraz domeriame teplotu vzduchu v solárnej nádrži, ktorú musíte opäť vložiť do solárnej zostavy. Vložte teplomer cez dieru v streche a do otvoru v nádrži. Potom trikrát odmerajte teplotu v intervaloch asi 20 minút a hodnoty si zapíšte.
Teraz naplňte nádrž studenou vodou, osušte z vonkajšej strany, odmerajte vnútornú teplotu a zapíšte si ju. Následne opäť vložte plnú nádrž do priestoru. Zatvorte strechu a vložte teplomer tak, aby jeho špička sa dotýkala hornej časti nádrže. Opäť trikrát odčítajte teplotu v intervaloch asi 20 minút, posledný krát asi po dvoch hodinách, a zapíšte ju. O koľko stupňov sa voda zohriala?
Keď prácu ukončíte otvorením strechy zistíte, že nielen voda, ale aj vnútrajšok domu sa zohrial. Teplo preniklo skrze izoláciu nádrže a strechy. Dôvodom je fakt, že žiadna izolácia nie je dokonalá.
Náš solárny ohrievač vody, slnečný kolektor, je veľmi jednoduchý a nie veľmi efektívny model. Je to preto, že solárna nádrž je ohrevná i zásobná nádoba. Pri montážach na skutočných domoch sú ohrevné a zásobné nádoby väčšinou dve samostatné zariadenia
Vonkajšia sprcha
Položte meter dlhú čiernu alebo zelenú hadicu na slnko, stočte ju do špirály a pripojte jeden koniec na kohútik a druhý na zavlažovací systém. Potom ako slnko trochu žiarilo na hadicu naplnenú vodou, môžete získať niekoľkominútovú teplú sprchu. Ak hadicu zakryjete priehľadným materiálom, voda sa zohreje dokonca rýchlejšie. Takáto sprcha však funguje len pokým svieti slnko. Počas noci sa voda opäť ochladí.
Voda v stočenej hadici sa zohreje vďaka slnku. Túto vonkajšiu sprchu však získame len kým je slnko na obzore.
Slnečný kolektor
Na prípravu teplej vody na sprchovanie, pranie, umývanie riadu alebo vykurovanie ju potrebujeme zohriať na teplotu v rozmedzí 40 - 70˚C (100 - 150˚F). Čím menšie množstvo vody sa zohrieva a čím slnko dlhšie žiari na túto vodu, tým častejšie sa ohriata voda vracia späť k zdroju tepla a bude dosiahnutá vyššia teplota. Slnečný kolektor zbiera teplo zo slnka, aby ohrial vodu alebo iné médium. Slnečný kolektor v tejto sade je namontovaný pod strechou nášho domu.
Slnečný kolektor je zvyčajne namontovaný na strechách domov. Industriálne verzie kolektorov sú boxy izolované penou, ktorá má na jednej strane sklo, do ktorého je namontovaný „pohlcovač“. Pohlcovač je kovová platňa, cez ktorú prechádzajú rúrky. Aby pozbieral čo najviac slnečných lúčov, je namaľovaný načierno. Čierne objekty totiž nenechajú tepelné žiarenie prechádzať, ale ani ho neodrážajú. Inými slovami, žiarenie nevracajú späť, ale pohlcujú teplo. Aby bolo možné pohltené teplo využiť, rúrky v pohlcovači obsahujú „chladiacu kvapalinu“, obvykle vodu, ktorá nimi tečie. Táto tekutina prevezme teplo a odovzdáva ho nádrži. Horúca voda automaticky prúdi do nádrže a chladiaca kvapalina klesá nadol z nádrže do kolektora. Pokým svieti slnko, tento cyklus sa zachováva. Je založený na „princípe gravitácie“: látka, ktorá sa zohrieva, expanduje, stáva sa ľahšou stúpa. Bude mať nižšiu hmotnosť na určitý objem než v chladnejšom stave. V dôsledku zemskej gravitácie je aj chladnejšia doma ťahaná viac nadol než teplá voda. Ak by bola napríklad nádrž namontovaná pod slnečným kolektorom, „gravitačné čerpadlo“ by potom nefungovalo. V takom prípade sa cyklus zachováva pomocou obehového čerpadla.
Kolektory sú pokryté sklom alebo iným priehľadným materiálom, aby sa čo najviac zabránilo, že žiarenie z pohlcovača bude vrátené späť do vonkajšieho prostredia.
Slnečný stroj od Salomona de Caus
Začiatkom 17. storočia inžinier kráľovského dvora a konštruktér v nemeckom Heidelbergu využil energiu zo slnka vo vodnom čerpadle. Slnečné svetlo prechádzalo cez niekoľko šošoviek a dopadalo na medené boxy, ktoré boli z polovice vyplnené vzduchom a z druhej polovice vodou. Ohriaty vzduch spôsoboval, že voda stúpala nahor do fontány. Potom bola opäť nasatá z dna späť do boxu.
Toto je fotka skutočného kolektora (vyzerá ako náš slnečný kolektor?)
Takto voda cirkuluje v solárne vyhrievanom vodovodnom systéme. Ohriata voda stúpa v nádrži v podkroví a chladnejšia voda klesá.