Popis jednotlivých součástí experimentální sady Deska spojů / Kontaktní nepájivé pole Naučná stavebnice - Solární energie 10025, od 14. let Obj. č. 19 22 99 Vážený zákazníku, děkujeme Vám za Vaši důvěru a za nákup experimentální sady. Tento návod k obsluze je nedílnou součástí tohoto výrobku. Obsahuje důležité pokyny k uvedení výrobku do provozu a k jeho obsluze. Jestliže výrobek předáte jiným osobám, dbejte na to, abyste jim odevzdali i tento návod k obsluze. Ponechejte si tento návod, abyste si jej mohli znovu kdykoliv přečíst. Toto nepájivé pole umožňuje velmi jednoduché a pevné spojení jednotlivých komponentů a vodičů do obvodu bez nutnosti pájení. Jednotlivé kontakty (piny) na desce disponují velmi pevnou a pružnou svorkou. Součástky do desky jednoduše vložíte například pomocí pinzety nebo speciálních kleští s kulatými čelistmi. Pro snazší vyjmutí komponentu nebo vodiče z desky pak použijte tah mírně v diagonálním směru. Pole tvoří celkem 270 pinů v rastru 2,54 mm. 230 pinů v prostřední části má pak řady po 5. pinech vzájemně vodivě propojeny. Na obou delších okrajích pole je celkem 20 pinů, jež jsou také navzájem vodivě propojeny. Tyto podélné řady jsou nejčastěji používány pro připojení obou pólů zdroje. Na obrázku nepájivého pole je graficky znázorněno vodivé propojení jednotlivých pinů. Solární modul Tento solární modul je složen z několika polykrystalických článků. Křemíkové polovodiče uvnitř modulu, vyrobené z několika krystalů, jsou pak doplněny o další látky. Jednotlivý článek pak díky přechodům obou látek poskytuje pozitivní a negativní pól zdroje. Přechod N (negativní) má na povrchu tmavě modrou barvu a díky tomu pak lépe absorbuje sluneční energii. Spodní vrstva je přechod P. Elektrony obou vrstev se dávají do pohybu po dopadu slunečních paprsků na povrch článků. Zároveň přitom dochází k vytvoření napětí mezi oběma přechody. Solární modul proto slouží jako zdroj energie. Jednotlivý krystalický článek poskytuje stejnosměrné napětí o hodnotě přibližně 0,5 V. Hodnota proudu, poskytovaného solárními moduly, je pak vždy závislá na jeho velikosti. Schématická značka solárního modulu. Rozsah dodávky 17 součástek Solární modul Motorek Kontaktní nepájivé pole Návod k obsluze Solární motor Experimentální sada zahrnuje solární motor, který ke svému provozu vyžaduje jen velmi malý proud a nízkou hodnotu napětí. Tento motor je tzv. low-voltage DC motor, tedy motor určený pro napájení jen velmi malým napětím. Dioda Dioda je polovodičová součástka, která vede elektrický proud pouze jedním směrem. Výkonové diody se používají pro usměrnění střídavého (AC) napětí a pro blokování nežádoucí polarity stejnosměrného (DC) napětí. Diodu si můžete představit jako jednoduchý vodovodní ventil, který propouští vodu (proud) jen v jednom směru. Křemíková (výkonová) dioda typu 1N4148. Katoda výkonové diody je vždy označena malým proužkem. Opačný vývod (elektroda) diody je anoda. Technický směr toku proudu diodou je z anody do katody.
V propustném směru (na schématu označen symbolem šipky) začíná dioda 1N4148 vést proud už při napětí 0,6 až 0,7 V. Ve fotovoltaických systémech se používají 2 druhy diod: blokovací a bypass diody. Blokovací diody u fotovoltaických modulů chrání baterii před samovybíjecím procesem v době, kdy není dostatek sluneční energie. Bypassové diody pak zajišťují ochranu solárních článků a panelů před možným poškozením, které může nastat při částečném zastínění panelu. LED (Light Emitting Diode) V případě, že skrze LED prochází proud, vydává viditelné světlo. LED vzhledem ke svému provoznímu napětí vyžaduje použití předřadného rezistoru, který ji chrání před proudovým přetížením a zničením. Provozní napětí červené LED je zpravidla 1,8 V, žlutá, zelená, modrá a bílá LED svítí při napětí okolo 3,6 V. Kratší vývod LED je katoda (K) a připojuje se k ní záporný pól zdroje. Delší vývod anoda (A) pak slouží pro připojení kladného pólu. Uvnitř průhledného pouzdra LED pak poznáte katodu podle charakteristické větší plošky s oválným okrajem. Na schématickém označení LED je stejně jako u výkonové diody naznačen propustný směr pomocí šipky (trojúhelníku). Svítící dioda (LED) má i velmi podobný schématický symbol. Jediný rozdíl mezi běžnou (výkonovou) diodou a LED tvoří 2 šipky, které označují diodu a její vydávající světlo. Blikající LED poznáte podle malého tmavšího bodu uvnitř jejího pouzdra. Rezistory Rezistor patří mezi pasivní polovodičové součástky. Rezistor omezuje průchod proudu elektrickým obvodem. Jeho vlastností se používá pro úpravu proudu na požadované hodnoty. Parametry rezistoru jsou uvedeny na jeho pouzdře prostřednictvím barevných proužků. Hodnoty rezistorů obsažených v sadě podle jejich barevného označení naleznete v následujícím přehledu. Rezistory 10 Ω jsou pak výrazně menší, než 2 rezistory o hodnotě 100 Ω a vyšší. Hodnota rezistoru 1. proužek 2. proužek 3. proužek 4. proužek 5. proužek 10 Ω hnědý černý černý zlatý hnědý 100 Ω hnědý černý černý černý hnědý 1 kω hnědý černý černý hnědý hnědý 2,2 kω červený červený černý hnědý hnědý Schématická značka rezistoru. Elektrolytické kondenzátory (Elko, Elyt) Elektrolytické kondenzátory mají oproti běžným kondenzátorům poměrně vysokou kapacitu. Vzhledem k obsahu elektrolytu uvnitř pouzdra kondenzátoru je nezbytné při jejich připojení do obvodu vždy zachovat správnou polaritu. Kondenzátor má celkem 2 vývody (elektrody), z nichž jeden má na pouzdře kondenzátoru označení pro připojení záporného pólu zdroje. Pokud je elektrolytický kondenzátor do obvodu po delší dobu připojen s opačnou polaritou, hrozí jeho nevratné zničení a exploze! Dbejte vždy zachování maximálních přípustných hodnot napětí uvedeného na pouzdře kondenzátoru. Označení µf na pouzdře je jednotka kapacity mikro farad (µf = 1/1000000 faradu). Na obrázku je elektrolytický kondenzátor s kapacitou 4700 µf a elektroda (vlevo) pro připojení k zápornému pólu zdroje (například baterie) která je delší, než elektroda pro připojení kladného napětí. Schématický symbol pro elektrolytický kondenzátor. Pouzdro elektrolytického kondenzátoru má ve své horní části naznačeny perforace (ve tvaru kříže), které slouží k bezpečnějšímu proražení pouzdra v případě přetížení vyšším napětím nebo po přepólování kondenzátoru. Vodiče Pomocí vodičů v obvodu vytvoříte nezbytné spoje a spínače. Předtím však nejprve vodič zkraťte na požadovanou délku. Započtěte přitom i délku vodiče potřebou pro vložení do pinu nepájivého pole. Na koncích vodič zbavte jeho základní izolace v délce přibližně 8 mm. Pro vkládání vodičů do desky použijte například malou pinzetu nebo vhodné kleště. Funkce a uvedení do provozu solárního modulu V této části se dozvíte o charakteristikách a základní funkci solárního modulu prostřednictvím následujících praktických a velmi jednoduchých experimentů. Dozvíte se také více o jeho využití v praxi a především získáte poznatky o tom, jakým způsobem co nejvíce zefektivnit jeho celkový výkon. Připojení solárního modulu k desce Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů a kontaktní piny pro lepší fixaci vodiče v desce. Na spodní straně modulu naleznete připájené vodiče k jednotlivým pólům. Modul dokáže poskytovat pouze stejnosměrné napětí a proud (DC Direkt Current). Stejně jako běžná baterie má i modul svůj kladný a záporný pól. Připojte vodiče modulu k desce. Doporučujeme připojení černého vodiče modulu ke spodní řadě a červený vodič k horní řadě kontaktů (viz obrázek). Při dalších experimentech pak můžete ponechat solární modul trvale připojený k desce. Připojení modulu k desce spojů. Fixační piny (kolíčky) zajišťují celkově pevnější připojení vodičů k desce. Zároveň slouží pro odlehčení vodičů v tahu. Vystavte solární modul slunečnímu záření. Pro měření výkonu solárního modulu je možné použít několik technologií: Diagnostika výkonu pomocí LED, spotřebiče (například motorku), měření pomocí multimetru nebo pomocí vhodného PC software. Nejjednodušší metoda pro zjištění polarity a základní funkce modulu je pomocí LED. Pro přesné měření je pak zapotřebí použití vhodného multimetru s potřebným měřícím rozsahem a citlivostí. V následujících experimentech bude výkon solárního modulu zjišťován pomocí LED a motorku. Funkce solárního modulu za různého osvětlení Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor 100 Ω a červená LED. Tento experiment můžete provádět i při zatažené obloze. Přesto je však za slunečného počasí daleko patrnější efektivita a celkový výkon solárního modulu. Do série zapojte červenou LED a rezistor 100 Ω. Delší vývod LED připojte ke kladnému pólu zdroje. Intenzita, za jaké bude LED svítit, závisí na intenzitě okolního osvětlení. Pakliže se LED nerozsvítí nebo bude svítit jen velmi nepatrně, znamená to, že solární modul neposkytuje dostatečný výkon pro napájení LED, popřípadě je LED připojena opačnou polaritou. Pakliže bude LED blikat, došlo k použití blikající LED. Na schématickém nákresu je patrný směr toku elektrického proudu (technický směr).
Schéma obvodu pro detekci polarity solárního modulu. Experimentujte s různými světelnými zdroji jako jsou například sluneční záření, halogenová lampa, úsporná žárovka, zářivka a LED svítilna. Pakliže se rozsvítí LED připojená k solárnímu modulu, jedná se o vhodný zdroj světla pro solární modul. Detekce polarity Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor 100 Ω, červená LED a zelená nebo oranžová LED. Dále bude zapotřebí dostatečný světelný zdroj. V tomto experimentu budeme zjišťovat polaritu (kladný a záporný pól zdroje) solárního modulu pomocí vlastního testeru a stejně tak i u ostatních zdrojů napětí, aniž by bylo nutné na sestaveném obvodu cokoliv měnit. K horní řadě připojte jeden vývod rezistoru 100 Ω a opačný konec připojte do protilehlé strany desky a jedné řady 5. pinů. Ze spodní řady připojte 2 LED a propojte je s rezistorem. LED budou indikovat polaritu solárního modulu. Obě LED tedy připojte například tak, že červená LED je připojena opačnou polaritou, než je připojena oranžová LED. Jedna z LED se pak při dostatečné intenzitě slunečního světla rozsvítí. Namísto oranžové LED můžete použít i zelenou LED, jejíž světlo však není za slunečného dne tolik patrné, jako je světlo oranžové LED. V případě, že zaměníte vodiče solárního modulu, bude jedna z LED vždy indikovat polaritu modulu. Při testování polarity zdroje s vyšším napětím (například baterie 9 V DC) je nezbytné na místo rezistoru 100 Ω použít rezistor o hodnotě 1 kω. V opačném případě dojde k nevratnému zničení LED. Přímé připojení LED k solárnímu modulu Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor 100 Ω, červená LED, zelená LED a blikající LED. Tento experiment můžete provádět i za zhoršených světelných podmínek (zataženo). Postupně připojujte všechny LED jednu za druhou do desky spojů. Delší vývod LED je anoda a slouží pro připojení ke kladnému pólu. Jako první připojte například zelenou, poté červenou a nakonec blikající LED. Po odpojení solárního modulu od desky LED zhasne a nebude dále svítit. Po opětovném připojení modulu k desce se pak LED, zapojená shodně s polaritou modulu, znovu rozsvítí. Schéma obvodu s LED. LED připojené do obvodu se solárním modulem indikují jeho polaritu.
Sériové a paralelní zapojení Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, 2 rezistory 100 Ω, červená, zelená a oranžová LED. Tento experiment můžete provádět i za zhoršených světelných podmínek (zatažená obloha). a) Schématické označení a princip sériového zapojení jednotlivých solárních článků. b) Sériově zapojené články s připojením na jednotlivých stranách modulu (pájené spoje). Sériové a paralelní zapojení nejlépe demonstruje zapojení pomocí LED. Sériové zapojení více solárních článků má následující charakteristiky: S počtem článků se zvyšuje (násobí) napětí, které sériový modul může poskytovat. Zkratový proud koresponduje s hodnotami jednotlivého článku (v tomto případě článku s nejnižším napětím). Poté, co dojde k částečnému zakrytí článku (částečném dopadu slunečních paprsků na článek), výsledný výkon sériového modulu poklesne o poměrnou hodnotu napětí tohoto článku. Při částečném zakrytí některého článku, poskytují články, které jsou vystavené slunci, proud do zakrytého článku. Během toho však vzniká extrémní ohřev zakrytého článku, přičemž může po určité době může dojít i k jeho nevratnému poškození. Sériové zapojení je nejvíce patrné na následujících experimentech s LED. Jednotlivé články (nebo solární moduly) mohou být rovněž zapojeny paralelně. V takovém případě jsou všechny záporné a kladné póly všech modulů vzájemně spojeny jeden s druhým. Výsledné charakteristiky paralelního zapojení článků je: Napětí solárních článků zapojených paralelně plně koresponduje s napětím každého, jednotlivého článku. Zkratový proud se zvyšuje s množstvím proudu jednotlivých článků. U stejně silných článků se zkratový proud zvyšuje s celkovým počtem článků. Je možné připojení článků s různým výstupním výkonem. Při částečném zakrytí článků paralelně zapojených s jinými články, dochází k dodávání proudu zakrytému článku ze strany článků vystavených slunečnímu záření a k extrémnímu ohřevu celého obvodu. V takovém případě pak může dojít velmi rychle k nevratnému poškození zakrytého článku. Schéma paralelního zapojení solárních článků v obvodu. Paralelní zapojení 2 LED na desce. Solární energie s dočasným ukládáním elektrického náboje Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor 100 Ω, blikající LED a elektrolytický kondenzátor s kapacitou 4700 µf. Tento experiment bude možné provádět i za zhoršených světelných podmínek (zatažená obloha). LED v obvodu připojte do série s rezistorem. Připojte do obvodu červenou a oranžovou (nebo zelenou) LED v sériovém zapojení. Červená a oranžová LED mají svou katodu a anodu vzájemně spojenou. Schéma obvodu s LED zapojenými do série. V tomto obvodu není zapotřebí použití předřadného rezistoru. Obě sériové LED jsou tak napájeny potřebnou hodnotou napětí a proudu. Experimentujte se zapojením a vystavujte modul slunečnímu záření. Sledujte přitom jak intenzivně přitom budou obě LED svítit.
V závislosti na intenzitě slunečního záření a jeho dopadu na solární modul, bude odpovídající i jas blikající LED. Následně do obvodu zapojte elektrolytický kondenzátor. Po připojení kondenzátoru LED chvíli přestane blikat, avšak po chvíli znovu začne blikat za daleko většího jasu. Při zapojování elektrolytického kondenzátoru dbejte na dodržení správné polarity. Při opačném připojení elektrolytického kondenzátoru hrozí jeho nevratné zničení a případně i výbuch! Schéma celého obvodu. Experimentujte s oběma kondenzátory (100 µf a 4700 µf). Experimentujte i s jinými LED a do obvodu sériově zapojte například červenou nebo zelenou LED. Díky kondenzátoru bude po zapojení do obvodu blikat i běžná (například použitá červená) LED. V prvním experimentu byl použitý elektrolytický kondenzátor s malou kapacitou 100 µf. Použijte proto do obvodu kondenzátor s kapacitou 4700 µf. Vzhledem k malé hodnotě napětí, bude záblesk LED probíhat přibližně po dobu 2 mws. Pro funkci obvodu je zapotřebí relativně nízký nabíjecí proud, který solární článek bez problémů dokáže poskytovat. V závislosti na intenzitě slunečního záření dochází k nabíjení elektrolytického kondenzátoru po dobu jen několika málo sekund. Zakryjte solární modul a poté ihned krátce stiskněte tlačítko. LED přitom krátce problikne. K tomu bylo zapotřebí jen velmi málo energie, která byla předtím uložena do kondenzátoru. Rozsvícením LED pak dojde k vybití energie uložené v elektrolytickém kondenzátoru. Schéma zapojení s elektrolytickým kondenzátorem, blikající LED a běžnou, červenou LED. Obvod po zapojení na desce spojů. Solární energie Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, oranžová LED, elektrolytický kondenzátor 100 µf a elektrolytický kondenzátor 4700 µf. Tento experiment bude možné provádět i za zhoršených světelných podmínek (zatažená obloha). Nabíjení kondenzátoru je však daleko kratší za optimálního slunečního záření. Přeměna solární energie v pohyb Potřebné komponenty: solární motor, deska spojů, fixační piny pro uchycení vodičů a kolečko. Stejně jako solární modul má i motor použité flexibilní vodiče pro připojení do obvodu. Připojte červený i černý vodič motoru k desce spojů. Doporučujeme připojit černý vodič do spodní řady pinů a červený vodič (kladný pól) do horní řady. Pro připojení vodičů k desce použijte fixační piny, které zajišťují lepší pevnost uchycení a celkově lepší kontakt. Kolečko připojené na hřídel motoru bude přitom sloužit pro lepší vizuální kontrolu otáčení motoru a zejména směru otáčení. Do kolečka nejprve zhotovte malý otvor (například pomocí špendlíku) a poté jej otvorem nasaďte na hřídelku motoru. Celý obvod je znovu na zapojení velmi jednoduchý. V závislosti na intenzitě slunečního záření po stisku tlačítka (spínače vytvořeného z odizolovaného vodiče) bude LED vydávat velmi jasné a blikající světlo po dobu několika sekund. Jednoduchý spínač vytvořený z holého vodiče. Do středu kolečka vytvořte malý otvor pro nasunutí na hřídelku motoru. Zapojení LED a elektrolytického kondenzátoru v obvodu spínaného jednoduchým tlačítkem. Boční pohled na motor a kolečko nasazené na hřídelce.
Další komponenty: solární modul, deska spojů a motor s nasazeným kolečkem. Pro tento experiment bude zapotřebí maximálního solárního výkonu (intenzivní slunečního záření). Schéma obvodu se spínačem S1 (S - Switch). Po stisknutí tlačítka dojde ke spuštění motoru přímo díky energii elektrolytického kondenzátoru. Pakliže je kondenzátor plně nabitý, bude se kolečko na motorku točit velkou rychlostí. Celý obvod zapojte i bez tlačítka a vyzkoušejte do obvodu použít rezistory 10 Ω, 100 Ω a 1 kω a sledujte reakci motoru a rychlost otáčení. Použití rezistoru v obvodu. Kolečko je stejně tak možné k hřídelce motoru připevnit pomocí oboustranné lepicí pásky. Pakliže na solární modul dopadá dostatečné množství slunečního světla, motor se začne otáčet. V případě, že nebude dostatek slunečního světla, můžete vyzkoušet motor roztočit pomocí prstu. Motor se pak již bude dále otáčet sám po napájení ze solárního modulu. Potřebný startovací proud je pro tento motor mnohdy dvojnásobný, oproti proudu, který napájí motor již za chodu. Provozní proud je tak daleko nižší, než proud potřebný pro první roztočení motoru. Startování motoru pomocí prstu. Při zapojení rezistoru do obvodu dojde k výraznému ovlivnění rychlosti otáčení motoru. Rezistor tím, že omezuje průchodu proudu obvodem, redukuje proud do motoru a tím i jeho rychlost otáček. Zakrytí solárního modulu a efekt na jeho výkon Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, motor nebo LED a rezistor zapojovaný do série. Pro tento experiment bude zapotřebí intenzivního slunečního záření (slunečno). V tomto experimentu je jasně patrný rozdíl mezi provozními režimy solární energie a energie poskytované baterií. Proud, kterým disponuje baterie motor bez jakýchkoliv problémů ihned roztočí. Solární modul dokáže poskytovat elektrický proud pouze za dostatečného slunečního záření a v případě, že má potřebnou účinnost. V rámci tohoto experimentu k motoru připojte běžnou 1,5 V baterii a sledujte reakci motoru. Solární kinetická energie Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, motor, elektrolytický kondenzátor 4700 µf a blikající LED. Pro tento experiment bude zapotřebí intenzivního slunečního záření (jasno a slunečno). Elektrolytický kondenzátor se po připojení do obvodu nabíjí ze solárního modulu. Blikající LED a solární motor jsou pak zapojeny v sérii s kondenzátorem. LED bude blikat s narůstajícím elektrickým nábojem ukládaným do elektrolytického kondenzátoru. Za dostatečného slunečního záření dojde k vygenerování elektrické energie a díky procesům nabíjení a vybíjení kondenzátoru k proudovým pulzům pro roztočení a otáčení motoru. Zapojení motoru, LED a kondenzátoru do obvodu se spínačem. Zakrytí modulu neprůhledným kartonem. Zakrytí modulu průhlednou folií. Do obvodu můžete zapojit buď motor nebo LED. Vystavte solární modul přímému slunečnímu záření. Motor se v té chvíli začne otáčet. Pokud tento experiment provádíte venku na slunci, bude lepší použít motor coby provozní indikátor, LED indikace nebude za plného slunečního záření tolik patrná. Vyzkoušejte pak zčásti zakrýt solární modul. Vyzkoušejte modul zakrýt pomocí dlaně. Rychlost motoru bude při částečném zakrytí modulu výrazně klesat a při plném zakrytí modulu se zcela zastaví. V dalším experimentu modul zakryjte skleněnou tabulkou nebo kusem průsvitné fólie a poté kusem neprůhledného kartonu například z krabice. Zakrývejte jednotlivé články a několik článků najednou. Moderní fotovoltaické systémy jsou vybaveny účinnou ochranou proti poškození jednotlivých článků v důsledku částečného zakrytí některého z článků modulu. Schottkyho diody se v tomto případě používají coby bypass diody pro přemostění zakrytého článku (například spadaným listím). V opačném případě by došlo k extrémnímu ohřevu takového článku a jeho nevratnému zničení.
Správná poloha solárního modulu Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů a motor. Pro tento experiment bude znovu zapotřebí intenzivního slunečního záření (jasno a slunečno). Po zakrytí modulu dochází k výraznému ohřevu. Pakliže v té chvíli nemáte k dispozici teploměr, můžete tuto teplotní změnu zaznamenat i poté, co se prstem dotknete solárního modulu. Uchopte solární modul mezi palec a ukazováček a otáčejte jím ve směru k slunci tak, aby nedošlo k zakrytí fotovoltaické vrstvy modulu prsty a mohlo na modul dopadat co největší množství slunečního záření. Sledujte přitom rychlost otáčení motoru. Vyzkoušejte natočit modul přímo ke slunci a poté jím otáčejte jinam. Změna polohy a otáčení solárního modulu směrem od přímého slunečního záření. Jakmile budou sluneční paprsky dopadat přímo a svisle na solární modul, dokáže solární modul vyrobit maximální množství energie a přeměnit ji na elektrický proud potřebný pro napájení motoru. Grafické znázornění optimální polohy solárního modulu a dopadu slunečních paprsků pro získání maximálního množství energie. Na obrázku vlevo je zobrazena optimální poloha a úhel modulu pro dopad přímých slunečních paprsků. Vždy zajistěte orientaci modulu pro kolmý dopad slunečních paprsků na jeho povrch. Modul proto podepřete vhodným předmětem (například kusem dřeva) a sledujte rychlost otáčení motoru. Vyčkejte pak několik hodin a znovu se přesvědčte o tom, jakou rychlostí se motor nadále otáčí. Vzhledem k tomu, že sluneční paprsky již nedopadají kolmo na povrch solárního modulu, motor se otáčí daleko pomaleji popřípadě se již neotáčí vůbec. Slunce se po určité době na obloze přemístilo jinam (z východu dále na západ) a z toho důvodu již nedopadají jeho paprsky kolmo na solární modul. Upravte proto polohu modulu a natočte jej znovu směrem ke slunci tak, aby jeho paprsky mohly dopadat přímo a kolmo na povrch solárního modulu. Vliv teploty na celkovou účinnost solárního modulu Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, motor (alternativně LED), rezistor 100 Ω, černá folie nebo papírový karton a teploměr. Pro tento experiment bude znovu zapotřebí intenzivního slunečního záření (jasno a slunečno). V tomto experimentu bude demonstrován vliv teploty na výstupní výkon solárního modulu. Vystavte solární modul přímým dopadům slunečních paprsků. Motor se v té chvíli začne točit. Na krátký okamžik přiložte černou fólii na povrch solárního modulu. Přiložte senzor dotykového teploměru na zadní část solárního modulu. Sledujte teplotní změnu na teploměru. V případě, že tento pokus provádíte ve venkovním prostředí na přímém slunci během letních dnů, nemusíte používat černou fólii pro zakrytí modulu. Její použití by mohlo způsobit extrémní ohřev solárního modulu. Obecně jakýkoliv černý povrch absorbuje teplotu velmi rychle. Zabraňte proto extrémnímu ohřevu modulu. V opačném případě může dojít k jeho nevratnému zničení. Přitom dbejte na to, aby k modulu byl vždy zapojen motor, který bude vyrobenou sluneční energii nepřetržitě odebírat. Tmavě modrá barva na povrchu solárního modulu zajišťuje optimální absorpci světla. Světlo se navíc díky tomuto povrchu minimálně odráží. Velkou nevýhodou solárních modulů je vysoká teplota na jejich povrchu během provozu. Za dopadu přímých slunečních paprsků na modul se může na jeho povrchu teplota vyšplhat až nad +60 C. Díky tomuto experimentu zjistíte, že se stoupající teplotou modulu klesá přímo i jeho výkon. Ponechejte modul dostatečně zchladnout ve stínu nebo chladnější tmavé místnosti a zopakujte celý experiment znovu i se stejnou připojenou zátěží (motor). Zvýšení solárního výkonu pomocí zrcadlové technologie Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, zrcadlo nebo například lesklý kov, dlaždice, malé kosmetické zrcátko, lesklá folie vše alespoň ve velikosti solárního modulu. Pro tento experiment bude znovu zapotřebí intenzivního slunečního záření (jasno a slunečno). Pro tento experiment použijte stejný obvod jako v minulém experimentu. Při použití zrcadla a umístění do určité polohy můžete spatřit odraz světla například na zdi nebo na stole. Takto odražené světlo je možné použít jako i zdroj světla pro solární modul. Důležitá je v tomto případě přesná poloha zrcadla (lesklého objektu). Samotný solární modul však zrcadlem nikdy nezakrývejte. Zajistěte, aby světlo odrážené zrcadlem dopadalo přímo na povrch solárního modulu. Sledujte přitom chování motoru. a) Umístěte zrcadlo přímo pod solární modul. Změnou úhlu sklonu zrcadla a odrazu jeho světla na povrch modulu zdvojnásobíte množství světla, dopadajícího na solární články modulu.
Poznámka: Jednotka mah udává množství disponibilní energie pro připojenou zátěž na hodinu. Naproti tomu jednotka ma představuje hodnotu aktuálního proudu. Elektrolytické kondenzátory obsažené v této experimentální sadě, mohou získanou energii ukládat. Velkou výhodou těchto kondenzátorů je jejich dlouhá provozní životnost. Oproti bateriím však mají kondenzátory jen velmi malou kapacitu pro ukládání energie. Přesto však díky jejich vlastnostem je možné velmi dobře demonstrovat princip ukládání energie. Připojení elektrolytických kondenzátorů do obvodu podléhá přesné poloze a polaritě. Před samotným experimentem však krátce spojte (zkratujte) oba vývody kondenzátoru. Dojde tím k vybití zbytkového náboje uloženého uvnitř kondenzátoru. Pro tento experiment není zapotřebí plného slunečného počasí. Zrcadlo umístěné pod solárním modulem. Změnou jeho sklonu docílíte odraz slunečního světla a jeho dopad na povrch solárního modulu. b) Pomocí 2 zrcadel umístěných po stranách solárního modulu a odrazu slunečního světla, docílíte až 3. násobného množství světla, které bude solární modul absorbovat. Princip zrcadlové technologie. V zapojení jako první použijte blikající LED a elektrolytický kondenzátor 100 µf, který poté vyměňte za kondenzátor s kapacitou 4700 µf. Po výměně kondenzátorů přestane LED na chvíli blikat. Teprve až po delší chvíli bude LED znovu svítit nebo blikat. LED přitom bude po určitou dobu blikat i přesto, že zakryjete solární modul. Světlo, které se odráží od zrcadla a dopadá na povrch solárního modulu zajišťuje zvýšení výkonu modulu. Všimněte si toho, že úhel dopadu slunečních paprsků na zrcadlo je stejný jako úhel odrazu světla do solárního modulu. V případě, že je zrcadlo natočeno do správného sklonu (úhlu), dochází k výraznému zvýšení výkonu solárního modulu v místě kam odražené světlo dopadá na modul. Elektrický výkon solárního modulu tak může být díky této technologii velmi jednoduše navýšen. Ukládání solární energie Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor 100 Ω, zelená, červená a oranžová LED, blikající LED, elektrolytické kondenzátory 100 µf a 4700 µf. Tento experiment je možné provádět i za oblačné oblohy (polojasno, oblačno). Je pravdou, že i přes nízký výkon solárního modulu je možné ukládat velké množství energie? Princip elektrické energie není našimi smysly nijak viditelný a proto jej můžeme snadno vysvětlit následujícím způsobem na vodovodním kohoutku: Stejně jako z kohoutku může po dlouhou dobu odkapávat jen velmi nepatrné množství vody, může solární modul postupně ukládat i velmi malé množství získané ze sluneční energie. V delším časovém úseku je však množství vody v zásobníku (solární energie) obrovské. Vodovodní kohoutek, který uvolňuje malé množství vody v delším časovém úseku. Objem celkově nashromážděné vody za delší dobu je však obrovský. Solární modul tak může během celého dne i za menšího výkonu shromáždit poměrně velké množství energie. Uložená solární energie je pak udávána v jednotce mah (miliampérhodina). Kondenzátor s vyšší kapacitou (4700 µf) zapojený do obvodu namísto kondenzátoru 100 µf a schéma zapojení. a) Do obvodu připojte kondenzátor s kapacitou 100 µf. Dbejte přitom správné polarity kondenzátoru. LED na chvíli přestane blikat. Po nabití kondenzátoru pak bude LED znovu blikat. b) Do obvodu připojte kondenzátor s kapacitou 4700 µf. LED přestane blikat. Blikání LED začne až po delší chvíli, po které dojde k plnému nabití kondenzátoru s větší kapacitou. c) Odpojte kondenzátor z obvodu poté, co LED problikne a zhasne a zakryjte solární modul. LED přestane okamžitě blikat. Za neustále zakrytého solárního modulu připojte znovu kondenzátor do obvodu. LED bude chvíli blikat, dokud nedojde k úplnému vyčerpání (vybití) energie uložené v kondenzátoru. d) V případě, že je kondenzátor plně nabitý, bude LED blikat. Odpojte solární modul z obvodu a sledujte jak dlouho vydrží LED blikat. Čím větší je kapacita kondenzátoru, tím déle vydrží LED blikat i bez připojeného solárního modulu. Kondenzátor tak může ukládat a dodávat energii i v případě, že právě nejsou k dispozici optimální podmínky pro plný solární výkon modulu.
e) Ponechejte nabitý kondenzátor připojený do obvodu se solárním modulem po delším dobu (přes noc) bez připojené LED. Další den pomocí blikající LED ověřte, zda kondenzátor disponuje energii. Blikající LED se po připojení do obvodu vůbec nerozsvítí. Důvodem toho je, že se elektrolytický kondenzátor zpětně vybil přes solární modul. Uložená a mechanická energie Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, elektrolytický kondenzátor 4700 µf, motor a blikající LED. Tento experiment je možné provádět i za oblačné oblohy (polojasno, oblačno). Obvod s elektrolytickým kondenzátorem nebo nabíjecí baterií (akumulátorem). Pakliže připojíte motor přímo k solárnímu modulu, nebude se motor otáčet, vzhledem k tomu, že modul nedisponuje dostatečným množstvím energie ke spuštění (roztočení) motoru. LED v obvodu slouží jako provozní indikátor. Jako první připojte paralelně k solárnímu modulu kondenzátor s kapacitou 100 µf a poté kondenzátor 4700 µf. Obvod je sestaven jako velmi jednoduchý indikátor stavu nabíjení prostřednictvím průběžného měření napětí. Měření je vhodné provádět vždy pod zátěží. Zátěž přitom představuje jen velmi nepatrnou spotřebu proudu 10 % z celkové kapacity baterie. Tento test však postačí provést jen po velmi krátkou dobu po stisku tlačítka. Díky energii připojeného kondenzátoru se hřídel motoru začne otáčet. Poté co, se motor zcela roztočí není již energie kondenzátoru zapotřebí a pro další chod motoru postačí energie dodávaná pouze ze solárního modulu. Motor je paralelně připojen do stejných pinů jako elektrolytický kondenzátor. Během prvních otáček motoru nebude LED blikat a znovu začne blikat až poté, co se motor naplno roztočí. V této spouštěcí fázi motor využívá všechnu energii uloženou v kondenzátoru. Monitoring nabíjecího procesu a indikace kapacity Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, blikající a červená LED, dioda 1N4148, zelená LED, elektrolytický kondenzátor 4700 µf, rezistor 1 kω, rezistor 2,2 kω, spínač a akumulátor. Pro tento experiment je zapotřebí maximálního slunečního výkonu. Provádějte jej proto pouze za slunečného počasí. Výsledkem tohoto experimentu je zjištění stavu kapacity. K tomu je vhodné použití různých kontrolek, například takových, které se používají pro monitoring stavu paliva. Samotné nabíjení a monitoring kapacity akumulátorů je však o něco složitější proces. Současné nabíječky a indikátory však k tomuto účelu využívají moderní mikroprocesory a inteligentní software. Zátěž v obvodu (oranžová LED nebo motor) a testovací tlačítko vytvořené z kusu vodiče. Solární energie a zpětný ventil Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, elektrolytický kondenzátor, tlačítko, křemíková dioda, rezistor a červená LED. Tento experiment vyžaduje rovnoměrný světelný zdroj (například stolní lampa). Princip blokovací diody. V obvodu je pro tyto účely použita křemíková dioda 1N4148. Tento experimentální obvod představuje velmi jednoduchý indikátor úrovně nabíjení. Červená LED indikuje nabíjecí proud a ukládání energie po dobu, kdy se nabíjí elektrolytický kondenzátor. Blikající LED bude současně se zelenou LED svítit ve chvíli, kdy je elektrolytický kondenzátor (nebo akumulátor) již plně nabitý. Vzhledem k tomu, že všechny diody jsou zapojeny v sérii, LED začne blikat při napětí cca 4 V, což je napětí po dosažení maximální kapacity lithiových akumulátorů.
Při nabíjení elektrolytického kondenzátoru nebo akumulátoru dochází během noci k jejich úplnému vybití prostřednictvím solárního modulu. Proto, aby nedocházelo k vybíjení této kapacity se do obvodu používá zpětný ventil ve formě blokovací diody. Stejně jako je tomu u běžného ventilu, tato dioda umožňuje průtok proudu pouze v jednom směru. Při snaze energie o zpětný tok využívá dioda své závěrné charakteristiky a nedovolí proudu, aby se vracel zpět ke zdroji. V případě, že blokovací diodu do obvodu zapojíte obráceně, přestane LED blikat a proud z modulu nebude procházet do obvodu. Solární energie a chemický proces Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, vhodná nádoba (například miska), hydrogenuhličitan sodný (jedná soda) nebo kuchyňská sůl, červená LED a elektrolytický kondenzátor s kapacitou 4700 µf. Tento experiment můžete provádět i za oblačného počasí. Lepších výsledků však dosáhnete za slunečného počasí. Blokovací dioda chrání baterii (akumulátor) před procesem samovybíjení, ke kterému dochází prostřednictvím solárního modulu. Nabíjení akumulátorů V tomto experimentu bude sestaven obvod pro nabíjení malých akumulátorů prostřednictvím solární energie. Akumulátory jsou alternativou běžných (nenabíjecích) baterií. Používají se ve většině moderních elektronických zařízeních. Akumulátor AA (v horní části) s kapacitou 600 mah a akumulátor typu AAA s kapacitou 1300 mah. Tyto tužkové akumulátory mají jmenovité napětí 1,2 V. Potřebné komponenty: solární modul, deska spojů, rezistor, LED a akumulátor. Pro tento experiment je zapotřebí plného výkonu solárního modulu. Provádějte jej proto pouze za slunečného počasí (jasno a slunečno). Optimální nabíjení akumulátorů představuje nabíjení pomocí konstantního proudu. Během nabíjení je pak akumulátor po určitou dobu nabíjen přednastaveným proudem. Pro nabíjení akumulátoru platí, že nabíjecí proud by měl odpovídat 1/10 jeho jmenovité kapacity po dobu přibližně 14 hodin. Při použití síťových nabíječek je nabíjecí proud omezen rezistorem, který je připojen mezi zdroj napětí a akumulátor. Nabíjení akumulátoru prostřednictvím solárního modulu je však především závislé na parametrech modulu jako jsou jeho celková velikost a počet článků. Vzhledem k velikosti solárního modulu, který je součástí experimentální sady, není zapotřebí použití rezistoru. Tento modul disponuje proudem 35 ma za maximálního solárního výkonu a proto je vhodný pro bezpečné nabíjení malých akumulátorů. Větší solární články pak disponují větším výkonem a tedy i vyšším proudem. Příliš vysoká hodnota nabíjecího proudu může akumulátor nevratně zničit. Při použití vyššího nabíjecího proudu navíc hrozí exploze akumulátoru! Schéma obvodu s nádobou naplněnou vodou. Misku naplňte vodou a do vody přidejte trochu jedlé sody nebo kuchyňské soli. Samotná voda bez chemických přísad vede elektrický proud jen velmi málo. V případě přidání chemických látek do vody, dochází ke štěpení kyslíku a vody. Po přidání kuchyňské soli pak vzniká kyslík a plynný chlór. V takovém případě však vzniká dobře vodivý roztok (elektrolyt). Jako elektrody použijte 2 vodiče v délce 5 cm na jejichž koncích odstraňte základní izolaci v délce 2 cm. a) Vložte oba vodiče (elektrody) do roztoku a zajistěte, aby oba konce vodičů byly co nejdále od sebe a na misce je zajistěte pomocí prádelních kolíčků. Elektrický obvod se poté bude uzavírat prostřednictvím elektrod ponořených do chemického roztoku. V tomto případě probíhá proces elektrolýzy, při kterém dochází k reakci chemických částic v okolí elektrod. b) Po připojení solárního modulu k obvodu pak spatříte chemickou reakci v okolí obou elektrod ponořených do elektrolytu. Během toho budou patrné malé bublinky, které se tvoří u obou konců elektrod a zejména u záporné elektrody, kde je chemická reakce až dvojnásobná. c) Po připojení LED do obvodu vytvoříte provozní LED indikátor (indikace průtoku proudu). Při malém proudu pak bude LED svítit jen velmi slabě a naopak. Schéma obvodu s LED a elektrolytickým kondenzátorem. Použití kondenzátoru stabilizuje funkci celého obvodu a zejména pak LED indikaci. Nabíjecí obvod se solárním modulem. Blokovací dioda 1N4148 v obvodu brání vybíjení zpětnému akumulátoru. Recyklace Pokud si nebudete vědět rady, jak tuto experimentální sadu správně a bezpečně používat a v tomto návodu k obsluze nenaleznete všechny potřebné informace, obraťte se na naši technickou podporu, nebo požádejte o radu odborníka. Elektronické a elektrické produkty nesmějí být vhazovány do domovních odpadů. Likvidujte odpad na konci doby životnosti výrobku přiměřeně podle platných zákonných předpisů. Šetřete životní prostředí! Přispějte tak k jeho ochraně! REI/01/2017