1. Af Thomas Geertz-Hansen og Henrik Petersen
Solvarme og solvarmeanlæg
2010
Thomas Geertz-Hansen - En natur/teknik-opgave
Henrik Petersen
Raadvad Naturskole
Forår 2010
2. Indholdsfortegnelse
Indholdsfortegnelse........................................................................................................................................... 2
Problemformulering .......................................................................................................................................... 3
Solen .................................................................................................................................................................. 3
Udnyttelse af solens energi ............................................................................................................................... 3
Vedvarende energi vs. fossil energi................................................................................................................... 4
Solvarmeanlæg .................................................................................................................................................. 5
Didaktiske overvejelser ..................................................................................................................................... 5
Undervisningsforløb .......................................................................................................................................... 6
Evaluering af undervisningsforløb..................................................................................................................... 7
Konklusion ......................................................................................................................................................... 7
Litteraturliste..................................................................................................................................................... 8
Bilag ................................................................................................................................................................... 9
Bilag 1 ............................................................................................................................................................ 9
2
3. Problemformulering
I trinmål efter 4 klasse, under ”Menneskets samspil med naturen” står der at eleverne skal kunne ”vise
eksempler på samfundets anvendelse af ressourcer og teknik, herunder hvordan vi producerer elektricitet,
varme og papir”. Vi vil lave et undervisningsforløb i en 4. klasse om solvarme og solvarmeanlæg, hvor vi
samtidigt lader dem få en begyndende forståelse af forskellen mellem vedvarende og fossil energi. Vi har
valgt følgende problemformulering:
Hvordan kan man lave et undervisningsforløb i en 4. klasse, der belyser principperne ved solvarme og
solvarmeanlæg og som samtidig introducerer forskellen mellem fossil energi og vedvarende energi?
Solen
Solen er den stjerne, som jorden og de andre planeter i vores solsystem kredser om. Solen består primært
af grundstofferne brint (H) 74 % og Helium (He) 25 %. Solens kerne er 15,6 millioner grader C° varm,
hvorimod solens overflade ”kun” er 5.500 grader C°. Varmen stammer fra en fusionsproces der foregår i
solens kerne. Her smeltes 4 brintkerne sammen til én heliumkerne. Massen på det nye atom er lidt mindre
end den samlede masse på de fire brintkerner. Masseforskellen omsættes til energi. Energien strømmer ud
fra solens kerne som gammastråling, men mister på den lange vej ud gennem stjernen så meget energi at
den forlader solen som stråleenergi i mange forskellige bølgelængder, lige fra røntgenstråling og ultraviolet
lys til infrarødt lys og radiobølger. Det er kun en meget lille del af strålespektret, der viser sig som synligt lys
for os mennesker (bilag.1)
Jo kortere bølgelængde des mere energi. Infrarødt lys kan vi ikke se, men vi kan til gengæld mærke varmen
fra det. Det har længere bølgelængde end synligt lys og indeholder ikke meget energi (dog nok til at vi kan
mærke varmen fra det). Det ultraviolette lys har korte bølgelænder og indeholder s meget energi at det kan
sætte gang i forskellige kemiske processer, f.eks. bruning af huden samt dannelse af D-vitamin i kroppen.
Selvom jorden befinder sig 150 mio. km fra solen er det den der er kilden til stort set alt energi på jorden.
Faktisk rammer solen os med så meget energi at hvis man kunne udnytte al den solenergi der rammer
jorden blot et enkelt døgn, ville det kunne dække jordens energibehov i 27 år.
Udnyttelse af solens energi
En del af den strålingsenergi Solen sender ud i verdensrummet rammer som bekendt jorden. 31 % af denne
stråling bliver kastet tilbage ud i verdensrummet. Primært når lyset rammer skydækket, men også selve
jordoverfladen tilbagekaster noget. Mængden af lys, der reflekteres, betegnes som overfladens albedo.
Albedoen varierer alt efter overfladens karakter, f.eks. har snedækkede overflader en meget høj albedo,
hvorimod landjord har en lav albedo. Fænomenet kan erfares en varm sommerdag, hvor mørke overflader
f.eks. asfalt kan opnå ganske høje temperaturer i forhold til omgivelserne. Dette skyldes at albedoen fra
mørke overflader er ganske lav, energien bliver så at sige i stoffet frem for at blive tilbagekastet. De
resterende 69 % af solindstrålingen, bliver absorberet af jorden og dens atmosfære.
3
4. Igennem milliarder af år har jordens organismer (planter, alger og cyanobakterier) udnyttet solens stråler til
at opbygge sukkerstof og derved gro ved hjælp af en proces kaldet ”fotosyntesen”. En proces der som
”biprodukt” udskiller ilt, som er livsnødvendig for organismer med et aerobt åndingssystem. Formlen for
fotosyntesen ser således ud: 6 CO2 + 6 H20-strålingsenergi- C6H12O6 + 6 O2
Ved denne proces dannes der globalt set hen ved 200 milliarder tons organisk materiale årligt. Således
stammer al organisk materiale på jorden direkte eller indirekte fra solens stråler. Man kan groft opdele
solenergi i to former. Solenergi, der i en proces omdannes til elektricitet og solenergi der omdannes til
varmeenergi (termisk energi).
Solceller omsætter lysets stråling til elektricitet, Solens stråler rammer cellens materiale, som er opbygget
af grundstoffet silicium, derved tilføres stoffets elektroner energi. Pga. cellens opbygning vil elektronerne
bevæge sig i en bestemt retning og derved opstår en elektrisk strøm.
En solfanger omdanner solens stråler til termisk energi. Det vil i praksis sige at man i en solfanger lader
solens stråler opvarme en væske eller en luftart, der derefter kan ledes hen hvor den skal bruges, typisk
brugsvandet, for der at afgive den opsparede varme. I solfangeren udnyttes albedofænomenet, forstået på
den måde at man fremstiller solfangere mørke/sorte, således at de har den lavest mulige tilbagestråling af
solens strålingsenergi.
Da solen har en forventet levetid på ca. 5 mia. år endnu betragter man sollys som en vedvarende
energikilde.
Vedvarende energi vs. fossil energi
Langt den største del af jordens energiforsyning stammer i dag fra fossile brændstoffer. Fossile
brændstoffer dannes ved at organisk materiale lagres under jorden under tryk gennem millioner af år. Man
kan sige at fossil energi er solenergi der ligger oplagret i jorden. Problemet med den type energi er at vi
forbruger den langt hurtigere end den har været om at blive opbygget. Forbrændingen af disse stoffer har
dog en del negative konsekvenser for det globale miljø. Bl.a. dannes frit CO2, der er med til at opvarme
planeten med deraf følgende enorme miljøproblemer.
Ligeledes frigives der andre stoffer med negative miljøpåvirkninger. Sidst, men ikke mindst vil fossile
brændstoffer på et givet tidspunkt slippe op med formodentlig store politiske og menneskelige
omkostninger.
Som konsekvens af ovenstående, forskes der i andre alternative energiformer. Atomkraft som energikilde
har været kendt og brugt siden 40’erne. Den er forbundet med visse risikomomenter både hvad angår
udslip (3 mile Island) , nedsmeltning (Tjernobyl) samt bortskaffelse af voldsomt forurenet affald. Ligeledes
er den politiske side af sagen problematisk, da man kan frygte at atomkraft i et givent land, sideløbende
med energiproduktionen bruges til at fremstille egentlige atombomber.
Man forsker derfor i andre mindre risikofyldte energikilder, så som bølgeenergi, vandkraft, vindenergi og
andre mere eller mindre vidtløftige systemer, som alle har den fordel af de kun forurener i
fremstillingsprocessen.
4
5. Solvarmeanlæg
Et solvarmeanlæg omdanner solens strålingsenergi til termisk energi. De mest anvendte solvarmeanlæg
består af solvarmepaneler, der er fyldt med en varme- og frostsikker væske. Denne væske opvarmes af
solens stråler og en pumpe fører, i et lukket kredsløb, væsken igennem en varmvandsbeholder, hvor den
afgiver varmen til brugsvandet. Da solen som bekendt ikke lyser døgnet rundt og derved ikke afgiver den
nødvendige energi til anlægget, er varmtvandsbeholderen oftest tilsluttet et ”almindeligt”
centralvarmeanlæg, der således kan supplerer opvarmningen.
I andre tilfælde bruges væsken til opvarmning af boligen efter samme
princip. Dog er der oplagte problemer ved opvarmning af boligen ved hjælp
af et solvarmeanlæg. Man får størst og mest stabilt udbytte ud af anlægget,
når det er sommer hvor boligen stort set ikke har brug for opvarmning.
Derfor er det først og fremmest til opvarmning af brugsvandet, at et sådan
anlæg har sin berettigelse.
Man kan spare et sted imellem 250 og 400 liter olie om året i et almindeligt
4 families parcelhus ved hjælp af solvarme. Et moderne solvarmeanlæg kan
også producere varme om vinteren og i overskyet vejr, men effektiviteten
er i sagens natur forringet. Derfor betragtes solvarmeanlæg også med den
nuværende teknologi som et supplement, snarere end en egentlig primær
energikilde.
Didaktiske overvejelser
Når man skal arbejde med et emne som solvarme, må man overveje hvor
man skal tage sit udgangspunkt. Eleverne vil typisk have arbejdet med
temperatur, temperatursvingninger, årstider og måske andre emner, der
har berøringsflader med dette emne tidligere i skoleforløbet. Samtidigt fylder energi/klima mere og mere i
medierne og bl.a. derfor også i elevernes dagligdag.
Vi vælger at tage udgangspunkt i det der er kilden til det hele, nemlig Solen. En Power Point-præsentation
der bygger mere på den gode historie end slides fyldt med store mængder af fakta, samt et par simple
forsøg, skal vække eller måske styrke elevernes interesse for emnet.
Vi har valgt at bygge størstedelen af vores forløb op omkring praktiske forsøg, for at styrke elevernes
empirikompetence. Ved at gøre dette tilgodeser vi også de trinmål der er efter 4 klasse under
Arbejdsmåder og tankegange (Se skema). Eleverne fører logbog under hele forløbet, for at kunne beskrive
og reflektere over de forskellige forsøg.
5
6. Undervisningsforløb
Plan Trinmål Begreber Arbejdsmåder og Praktisk arbejde
tankegange
1. Give eksempler på Sol, Gennemføre og beskrive Vi stiller et glas vand samt en hvid og en sort
modul samfundets strålingsenergi, enkle undersøgelser plade i vinduet og måler/føler temperaturen
anvendelse af termisk energi, og eksperimenter flere gange i løbet af modulet. Vi snakker om
ressourcer og teknik,
astronomiske hvad der sker med temperaturen.
herunder hvordan vi Arbejde hensigtsmæssigt
producerer afstande, albedo. Power Point med teoretisk oplæg om sol og
med forskellige
elektricitet, varme og undersøgelses- metoder og varme.
papir udstyr indendørs og Eleverne udstyres med termometre og bliver
udendørs sendt udenfor med opgaven: Hvor kan du
finde den varmeste temperatur og hvor kan
du finde den laveste?
2. Give eksempler på Strålingsenergi, Formulere spørgsmål og I starten af timen stilles tre plastflasker med
modul samfundets termisk energi og fremsætte hypoteser på vand i vinduet. Den ene er klar, den anden
anvendelse af albedo. baggrund af iagttagelser, hvid og den sidste sort. Flaskerne bruges til
ressourcer og teknik, oplevelser og mindre
illustration af varmeoptagelse. Eleverne får et
herunder hvordan vi undersøgelser.
producerer Gennemføre og beskrive skema de skal udfylde, hvor de skal opstille
elektricitet, varme og enkle undersøgelser hypoteser.
papir og eksperimenter Mens flaskeforsøget kører fremstiller eleverne
modeller af ”udestuer” i pap og køkkenfilm.
3. Give eksempler på Strålingsenergi, Gennemføre og beskrive Udestuen som er fremstillet i andet modul
modul samfundets termisk energi og enkle undersøgelser skal nu i spil. Et termometer sættes op på den
anvendelse af albedo. og eksperimenter ene væg uden direkte sollys. Et skema med
ressourcer og teknik, temperatur udfyldes efter målinger hvert
herunder hvordan vi andet minut. Derefter produceres et
producerer koordinatsystem over målingerne (her kan
elektricitet, varme og f.eks. bruges regneark). Eksperimenter med
papir forskellig bagvæg i udestuen, f.eks.: Sort
karton, hvidt papir, sølvpapir, etc.
Ligeledes kan man eksperimentere med hvad
der sker når solen forsvinder og hvad man kan
gøre for at holde på varmen.
4. Give eksempler på Energikilder, Sammenligne resultater og Power Point med teoretisk oplæg om
modul samfundets fossile data af både praktiske solvarmeanlæg. Præsentationen bygger på de
anvendelse af brændstoffer, og mere teoretiske forsøg eleverne har lavet. Da solvarme i dag
undersøgelser gennem
ressourcer og teknik, CO2, forurening kun sjældent er den primære energikilde, vil vi
tegninger, diagrammer,
herunder hvordan vi tabeller, digitale billeder her også komme ind på hvor vores energi
producerer eller lydoptagelser ellers kommer fra.
elektricitet, varme og Eleverne laver et begrebskort over hvor
papir. energien til vores husstande kommer fra.
6
7. Evaluering af undervisningsforløb
Undervejs og efter hvert undervisningsforløb i natur/teknik er det vigtigt at evaluere med eleverne så de
bliver gjort opmærksomme på at:
1. De ved noget, som de ikke vidste før.
2. De er blevet bedre til at kunne gøre noget.
3. De har prøvet noget for første gang.
Dette kan bl.a. synliggøres for eleverne (og underviseren) ved brug af begrebskort og evt. tests/spørgeark,
udarbejdet til emnet på baggrund af punkterne under ”begreber” i skemaet for undervisningsforløbet.
Endvidere ville mundtlig fremstilling ved foredrag være med til at skabe opmærksomhed for ovenstående
punkter for den enkelte elev såvel som for hele klassen.
I vores forløb vil vi vælge at evaluere på følgende måde: Efter/under hvert modul skal eleverne føre logbog,
som skal vise elevernes egen refleksion over læring og fagligt udbytte. Samtidigt skal også læreren føre
logbog med egne iagttagelser og refleksion. I en fragmenteret hverdag kan det være en stor hjælp både i
forhold til undervisningen her og nu men også for at opkvalificere sin undervisning på længere sigt.
Vi vælger at slutte forløbet af med at eleverne laver et begrebskort over emnet. Begrebskortet er et godt
evalueringsværktøj, da det viser om eleverne forstår sammenhængen mellem de forskellige begreber.
Vi antager at logbog og begrebskort er gennemgående evalueringsværktøjer og derfor ikke noget der
kræver særlig introduktion for eleverne.
Konklusion
Når eleverne har været igennem et forløb af denne type, har de tilegnet sig viden om begreber som nævnt i
skemaet med undervisningsforløbet. Samtidigt har de undersøgt og eksperimenteret sig frem til større
viden inden for emnet. Samtidigt er det et emne som eleverne kan forholde sig til, da de konstant bliver
konfronteret med problematikkerne i det i bl.a. medierne.
7