Název: Ekologie – Solární a větrná energie Témata: procenta, povrch, energie, solární panely, větrné elektrárny
Čas: 90 minut
Věk: 13-14 let
Diferenciace:
Instrukce, ICT podpora atd.:
Vyšší úroveň: Fyzikální principy výroby energie solárními panely nebo větrnými elektrárnami můžeme prodiskutovat do větší hloubky; můžeme také prodiskutovat polovodiče.
Můžeme přizvat k diskuzi experty z místních neziskových organizací nebo energetických společností. Případně můžeme vytvořit týmy studentů, kteří budou zastávat různá stanoviska k alternativním a tradičním energetickým zdrojům.
Nižší úroveň: Vlastnosti silikonu můžeme z pracovního listu 1 vynechat.
Pomůcky:
Výstupy této aktivity:
pracovní listy
Studenti by měli být schopni provést výpočty a praktické úkoly v pracovních listech.
připojení k internetu modelářská stavebnice větrného mlýnu a zařízení na výrobu solární energie (např. hračky)
Studenti by měli být schopni sledovat diskuzi a vnímat potřebu smysluplných dat a výpočtů k tomu, aby byli schopni si vytvořit informovaný názor na kontroverzní témata. Studenti by měli být schopni porozumět fyzikálním principům solárních jednotek a větrných turbín.
Požadované znalosti: pojem energie výpočet procent
Bezpečnost:
Popis hodiny Úvodní aktivita Vyučující představí téma „tradičních“ a „alternativních“ energetických zdrojů. Studenti by měli uvést příklady těchto zdrojů, které znají. Poté se jich vyučující zeptá, zda se domnívají, že spotřeba energie země (jako příklad jsme použili Rakousko, ale vyučující mohou nahradit data v pracovních listech a použít příklad vlastní země) může být pokryta solárními jednotkami. Studenti se mohou pokusit odhadnout, jaké procento povrchu země by bylo pak pokryto solárními jednotkami. Tyto odhady zapíšeme na tabuli. Stejný postup zvolíme i pro větrné turbíny a studenti se pokusí odhadnout, kolik větrných turbín by bylo potřeba. Hlavní aktivita Studenti vytvoří týmy po šesti. Každý tým si vybere ke zpracování buď „solární jednotky“ nebo „větrné turbíny“. Vyučující jim následně rozdá pracovní listy a modelářské soupravy dle volby tématu (v závislosti na velikosti třídy bude každé téma zpracovávat jeden nebo dva týmy). Tři týmy nazveme “inženýrskými týmy”, budou muset provést všechny teoretické výpočty v pracovních listech. Zbylé tři týmy budeme nazývat “konstrukční týmy”, budou stavět modely. Každý tým plní úkoly dle zadání v pracovních listech a následně vysvětlí druhému týmu, co dělali. Poté týmy obdrží pracovní list 2, kde by měli promyslet a zapsat možné výhody a nevýhody jejich vybrané formy produkce elektřiny a překážky implementace teoretických výsledků z pracovního listu 1. Závěrečná aktivita Každý tým nominuje mluvčího, který představí konečný model a popíše výsledky jejich výpočtů. Pokud na jednom tématu pracují dva týmy, mluvčí druhého týmu udělá totéž. Výsledky zapíšeme vedle původních odhadů zaznamenaných na tabuli. Poté co všechny týmy prezentovaly své výsledky, následuje diskuze o případných překážkách implementace teoretických výpočtů do praktických konstrukcí (např. potřebný počet solárních jednotek, kde vystavět oblasti solárních jednotek v hustě obydlených oblastech, náklady na stavbu větrných turbín, resistence místních komunit proti větrným turbínám atd.).
Ekologie – Solární a větrná energie Pracovní list 1a
Fotovoltaika je technologie používaná pro konverzi slunečního svitu (hlavně viditelné části spektra) na elektrickou energii. V Rakousku je pouze 0,03% spotřeby energie pokryto fotovoltaickými elektrárnami. Lidé, kteří jsou aktivní v ochraně životního prostředí, naléhají, abychom výrazně zvýšili tento způsob produkce energie, hlavně abychom zabránili spalování fosilních paliv nebo využití jaderné energie. Pojďme se podívat, kolik energie můžeme vyprodukovat fotovoltaikou a zda je možné pokrýt veškerou produkci energie solárními panely. Úkol 1: Standardní solární panel má obdélníková tvar o velikosti 160 cm x 90 cm, s maximálním výkonem 200 W. a) Jakou rozlohu by musela mít plocha pokrytá solárními panely, aby uspokojila celkovou spotřebu energie Rakouska (v roce 2013 to bylo 69,600 GWh)? Předpokládejme, že slunce svítí průměrně 8 hodin denně. b) Rakousko má rozlohu 83,872 km2. Jaké procento této plochy by bylo pokryto solárními panely? Úkol 2: Skutečná “solární energie” (intenzita záření tj. energie na jednotku plochy), která dopadá na povrch země, závisí na ročním období stejně jako na poloze na zemském povrchu. V Rakousku je maximální hodnota cca 700 W/m2. Jaká by byla efektivita výše zmíněného solárního panelu, jestliže dojde ke stavu maximální intenzita záření a výkon panelu je 200 W?
Ekologie – Solární a větrná energie Pracovní list 1b
Již jste se pravděpodobně setkali s větrnými mlýny někde na pobřeží, neúrodné půdě, nebo uprostřed obilného pole – a nemyslíme tím staré větrné mlýny určené k mletí obilí atd. ale moderní konstrukce z betonu a oceli. Z dálky se nezdají, ale stojíte-li vedle nich, zjistíte, že jsou skutečně velké – obvykle okolo 80 m! V některých zemích jich najdeme poměrně hodně, zatímco v jiných zemích jsou s jejich instalací poměrně zdrženliví. Pojďme zjistit, zda jsme schopni pokrýt potřeby Rakouska větrnými turbínami! Úkol 1: Větrná turbína může vyprodukovat až 3600 kW energie (skutečný výkon závisí na rychlosti větru; turbíny obvykle pracují při rychlosti větru mezi 4 m/s a 25 m/s). a) Předpokládejme, že vítr vane dnem i nocí v ideálním rozmezí rychlosti mezi 13 a 25 m/s, což zajistí maximální výkon většiny větrných turbín. Kolik turbín musíme postavit, abychom pokryli spotřebu energie Rakouska (v roce 2013 to bylo 69,600 GWh)? b) Zcela evidentně vítr nevane dnem i nocí stejnou rychlostí. Pokuste se zjistit skutečnou rychlost větru někde ve vašem okolí a výpočty zopakujte! Úkol 2: Betzův zákon říká, že maximum efektivity, které lze u turbín dosáhnout, je 59.3 %. Reálná neúčinnost, jako závaží a tření, dále snižují efektivitu na přibližných 45 %. Porovnejte ji s efektivitou „konvenční“ produkce energie a s efektivitou solárních jednotek!
Ekologie – Solární a větrná energie Pracovní list 2a
??
??
Jaké jsou výhody solární energie ve srovnání s větrnou energií?
Jaké jsou nevýhody solární energie ve srovnání s větrnou energií?
Jaké praktické překážky (např. životní prostředí, společenské, atd.) se mohou vyskytnout při implementaci teoretických výpočtů v pracovním listě 1, tzn., když budete chtít pokrýt veškeré nároky na elektrickou energii Rakouska solárními jednotkami?
Ekologie – Solární a větrná energie Pracovní list 2b
??
??
Jaké jsou výhody větrné energie ve srovnání se solární energií?
Jaké jsou nevýhody větrné energie ve srovnání se solární energií?
Jaké praktické překážky (např. životní prostředí, společenské, atd.) se mohou vyskytnout při implementaci teoretických výpočtů v pracovním listě 1, tzn., když budete chtít pokrýt veškeré nároky na elektrickou energii Rakouska větrnými elektrárnami?
