Slunce hřeje a svítí, protože v jeho nitru probíhají mohutné termonukleární reakce, při nichž se jádra vodíku slučují a vzniká hélium. I když na povrch Země dopadá jenom nepatrný zlomek z celkové energie uvolňované při těchto reakcích, využíváme tuto energii stále víc.
Základní potřeby:
- krabice, prkénka, překližka, průhledná fólie
- ohebná plastová trubička
- solární článek, vodiče
- voltmetr
1. Model slunečního kolektoru:
| Nejčastěji se sluneční energie využívá k ohřívání vody ve slunečních kolektorech. | |
| Jsou to v podstatě dobře tepelně izolované skříně, jejichž vnitřek je natřen černou barvou, která nejlépe pohlcuje energii slunečního záření. Vzniklé teplo přijímá voda v trubicích a zahřívá se. Náš model slunečního kolektoru zabudujeme do libovolné nízké krabice o rozměrech aspoň 35 x 25 x 5 cm, na protějších stranách uděláme otvory pro vývody trubice.Na dno položíme přesně přiříznutou izolační polystyrenovou desku tloušťky 2 cm a do bočních stěn přibijeme dvě řady skobek pro zachycení trubicového hada. |  |
| Mezi skobkami navineme tenkostěnnou plastovou trubici a celý vnitřek krabice včetně trubice natřeme černou latexovou barvou (ne nitrobarvou, ta by rozleptala polystyrenovou izolaci). Potřebný kus trubice koupíme např. v motoristické prodejně. Krabici překryjeme průhlednou fólií, kterou na bočních stěnách přichytíme napínáčky nebo samolepící páskou. | |
Při pokusu postavíme za slunného dne krabici tak, aby sluneční paprsky dopadaly kolmo k její ploše. Shora naplníme trubici studenou vodou (její teplotu si poznamenáme), při plnění necháme otevřený spodní konec trubice, aby z ní mohly uniknout vzduchové bubliny. Pak dolní konec zazátkujeme a počkáme zhruba půl hodiny na výsledek: vodu vypustíme do nádoby a změříme její teplotu. Můžeme udělat sérii pokusů, při nichž budeme zjišťovat, jak závisí teplota ohřáté vody na době zahřívání, úhlu dopadajících slunečních paprsků, na izolaci krabice, na zdroji (slunce, žárovka, zářivka) apod.
2. Solární článek
| Polovodičové solární (nebo také fotovoltaické) články jsou k dostání ve specializovaných prodejnách s elektronickými součástkami, článek o ploše 6 x 9 cm stojí kolem 100 Kč. |
|
| Elektrický proud z článků se odvádí buď připájenými ohebnými vodiči, nebo jsou do zadní stěny článku zapuštěny šroubky pro upevnění spojovacích plíšků nebo vodičů. Pro pokusy nemusíme připravovat žádnou zvláštní aparaturu, nanejvýš 2 články uchytíme průhlednou samolepící páskou na překližkový obdélník. |
1. Jeden solární
článek připojíme k voltmetru a přepneme na rozsah 1 V. Je-li článek ve tmě,
voltmetrem nenaměříme žádné napětí, při osvětlení např. stolní lampou začne
napětí růst a největší (i přes 1 volt) je při osvětlení přímým slunečním
světlem.
2. Po ověření základní funkce článku pokračujeme v pokusech:
zjistíme závislost napětí na intenzitě osvětlení, úhlu dopadu světelných
paprsků, případně na jejich barvě.
3. Spojíme do série dva solární články a provedeme obdobná
měření jako v pokusu č. 2. Jaké jsou výsledky měření?
4. Obdobně měříme vlastnosti paralelního zapojení článků.
Solární články mají poměrně malou účinnost a proto by byly naše dva malé články o celkové ploše 110 cm2 schopny napájet jen spotřebiče s velmi malou spotřebou, určitě ne např. žárovku nebo motorek. Výhodnější je proto použít články k nabíjení akumulátorů a spotřebiče napájet raději těmito akumulátory.
Trochu fyziky:
První pokusy s články přeměňující sluneční energii přímo na elektřinu konali fyzikové už v polovině 19. století. Bouřlivý rozvoj jejich využívání však nastal až s příchodem polovodičů. Sluneční záření dopadá na polovodičový solární článek - v podstatě polovodičovou diodu. Na rozhraní polovodičů typu P a N existuje přechodová vrstva, ve které při ozáření vzniká silné elektrické pole. Toto pole uvádí do pohybu volné náboje, vzniklý elektrický proud se odvádí elektrodami. Účinnost této přeměny světelné energie na elektrickou je teoreticky asi 30%, ale běžné články dosahují účinnosti sotva poloviční.
Fotovoltaický článek o ploše 1 m2 dává při plném osvětlení výkon 80 - 100 W a jeho cena je kolem 15000 Kč. Vzhledem k vysoké ceně se tyto články používají hlavně pro speciální účely - v kosmonautice, letectví a tam, kde není k dispozici elektrická síť. Běžně se však používají levné články z amorfního křemíku (s účinností kolem 5%) k napájení spotřebičů s nepatrnou spotřebou, např. kalkulaček.