كيفية بناء منزل شمسي نموذجي لمشروع طفل

الطاقة الشمسية هي جزء من موجة القرن الحادي والعشرين من مصادر الطاقة "النظيفة" أو "الخضراء" ، أي تلك لا تنبعث منها نواتج احتراق الكربون في البيئة بكميات كبيرة أو في الكل. وتسمى مصادر الطاقة هذه أيضًا مصادر الطاقة المتجددة ، على الرغم من أن هذا يمكن أن يكون مربكًا لأن الطاقة النووية ، على الرغم من كونها "نظيفة" ، لا يتم اشتقاقها تقنيًا من مصدر طاقة متجددة.

تُعد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والتركيز المتزايد على الطاقة الحرارية الأرضية والطاقة الكهرومائية جزءًا منها لجهد عالمي منسق في الغالب للحد من انبعاث غازات الدفيئة مثل ثاني أكسيد الكربون (كو₂) وبالتالي تقليل التأثير المتوقع لتغير المناخ على الحضارة العالمية قبل نهاية القرن.

تتمثل إحدى الأفكار الرائعة لمشروع علمي للأطفال في إظهار التطبيق العملي للطاقة المتجددة باستخدام نموذج حقيقي أو نموذج منزل شمسي، أو من خلال إظهار فئة واحدة من مكونات العمل لشبكة تجميع الطاقة الشمسية.

سبب الألواح الموجودة في المنزل الشمسي هو توليد الطاقة ، عادة لكل من الكهرباء والماء الساخن. تأتي هذه القوة بطريقة ما من الشمس. لكن كيف بالضبط؟

قوة في الفيزياء

عندما يتم استخدام الطاقة للقيام بعمل ، مثل تشغيل مولد كهربائي أو تنشيط ملفات التسخين لمنتج وخزان الماء الساخن ، فإن المعدل الذي يتم به إنجاز هذا العمل يسمى الطاقة. الوحدة القياسية هي واط (W) أو J / s. 745.7 واط = 1 حصان.

• عندما تدفع فاتورة المرافق ، ربما لاحظت أنه يتم قياس وحدات الاستهلاك كيلوواط / ساعة (كيلوواط ساعة). تبدو هذه الوحدة غير التقليدية مثل الطاقة ، ولكن بما أنها تحتوي على وحدات طاقة مضروبة في الوقت ، فهي في الواقع طاقة.

عندما تنفد بالكامل لأطول فترة ممكنة ، أي حوالي دقيقة ، فأنت قادر (اعتمادًا على كتلة) لتوليد حوالي 800 واط من الطاقة ، أو ما يقرب من 1 حصان - جيدة بما يكفي للاحتفاظ بفرن ميكروويف متوسط ​​الحجم ذاهب. ولكن بالنسبة للأشكال المطولة من التمرينات البشرية ، مثل المشي أو ركوب الدراجات ، فإن الناتج من 250 إلى 400 هو الأكثر شيوعًا.

الطاقة الشمسية هي أكثر مصادر الطاقة المتاحة وفرة وخالية من التلوث ، وهي في الواقع المصدر النهائي للطاقة لجميع العمليات البيولوجية على الأرض. استخداماته الأساسية هي توليد الكهرباء أو توليد الحرارة أو كليهما. تستخدم الطاقة الشمسية ليس فقط في المنزل ولكن أيضًا في عدد متزايد من الأماكن التجارية والصناعية.

هناك ثلاث طرق أساسية لالتقاط الطاقة الشمسية: التدفئة والتبريد بالطاقة الشمسية تطبيقات (SHC) ، تركيز الطاقة الشمسية (CSP) و الكهروضوئية (PV) الخلايا. يتم استخدام النوعين السابقين بشكل أساسي لتوليد الحرارة في الإعدادات الصناعية أو الأكبر ، في حين أن الخلايا الكهروضوئية هي العناصر الرئيسية في المصفوفات المميزة التي تراها على سطح منزل شمسي ، أو أحيانًا في حقول بجانب المواقع التي تستخدم الطاقة الشمسية.

يمكن أن تولد الألواح الشمسية المعرضة لأشعة الشمس المباشرة ما يصل إلى 1000 واط / م². المقدار الإجمالي للطاقة المولدة هو دالة على عدد الخلايا الكهروضوئية ووقت التعرض كذلك زاوية حدوث أشعة الشمس ، والتي تكون في المتوسط ​​أكثر مباشرة عند خطوط العرض الأقرب إلى الأرض خط الاستواء.

يمكن التعرف بسهولة على الخلايا الكهروضوئية كأجزاء من الألواح الشمسية ، ولكنها توجد أيضًا في صورة مصغرة في الآلات الحاسبة التي تعمل بالطاقة الشمسية والأجهزة المحمولة الأخرى. إنهم يستفيدون من التأثير الكهروضوئي، وهي قدرة الفوتونات ("حزم" الضوء) على تحرير الإلكترونات من الذرات التي تنتمي إليها. يمكن استخدام التدفق اللاحق لهذه الإلكترونات المشحونة والمنشطة لتوليد الكهرباء للاستخدام أو التخزين الفوري.

يفسح عنصر السيليكون نفسه للخلايا الكهروضوئية لأنه يمكن جعله يعمل كعامل فقير موصل للكهرباء ، أو يمكن جعله يعمل كموصل ، حسب احتياجات المهندسين العاملين معها. هذا يجعل السيليكون أشباه موصلات وبالتالي عنصر حاسم في الخلايا الكهروضوئية المعاصرة.

الأهم من ذلك ، أن التيار الكهربائي (تدفق الإلكترونات) الناتج عن الطاقة الشمسية والخلايا الكهروضوئية هو تيار مباشر (DC). هذا يتعارض مع التيار المتردد (AC) الذي يصل إلى معظم المنازل الحديثة. وهكذا فإن جهاز يسمى العاكس متاح لأصحاب المنازل الشمسية أو المعلمين الذين يسعون لتوضيح كيفية عمل المنازل التي تعمل بالطاقة الشمسية.

ليس من المنطقي بناء منزل شمسي إذا لم تقم بإعداد المنزل بالكامل لزيادة كفاءة الطاقة ، حيث قد يكون من الصعب الحصول على الطاقة الشمسية طوال الوقت حتى في المناخات المشمسة. من الواضح أن الجغرافيا مهمة. يمكن للطلاب إظهار كيف أن زاوية الألواح الشمسية لا تتجه للأعلى في الولايات المتحدة بل للأعلى وللجنوب ؛ لماذا يكون هذا ، وكيف سيتغير هذا لمنزل يعمل بالطاقة الشمسية في ، على سبيل المثال ، جنوب الأرجنتين؟

تم تصميم المنازل الشمسية لتخزين الحرارة بشكل سلبي بفضل وجود كتلة حرارية عالية ، على سبيل المثال ، والكثير من أعمال البناء الحجرية. بالإضافة إلى النوافذ المحاذاة بشكل صحيح ، يجب اختيار الألوان الداكنة لتحقيق أقصى استفادة من الكتلة الحرارية.

قد تُظهر أنماطًا مختلفة ، مثل الكسب المباشر ، حيث تتدفق الطاقة والطاقة المجمعة من الجنوب ، مثل النوافذ المواجهة للجنوب ، إلى الباقي من المنزل) وكسب غير مباشر من خلال استخدام ميزات مثل جدران Trombe ، حيث تُستخدم المسافات بين الجدران لتخزين الطاقة في وقت قصير مصطلح.

يمكن عرض كل هذه المفاهيم للأطفال في معظم الأعمار ، ويمكن للأطفال الأكبر سنًا استخدام المعلومات العامة للشروع في مشاريعهم الخاصة. ربما يكون بناء خلية كهروضوئية طموحًا للغاية بالنسبة لمعظم الناس ؛ تتمثل الفكرة الأفضل في جعل الطلاب يحاولون ، بمساعدة الإنترنت وربما آبائهم ، العثور على عدد الخلايا الكهروضوئية المستخدمة في الأجهزة في المنزل أو على الأقل في الأماكن التي يتم مشاهدتها بشكل متكرر.

من المهم للطلاب التعرف على التحديات الكامنة في تخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية ، مقارنةً ، على سبيل المثال ، بالبيانات أو المواد المستخدمة في محطات الطاقة النووية. إذا كانت البطاريات قادرة على استيعاب كميات لا حصر لها من الكهرباء ، فكيف يمكن أن يتغير المشهد في العالم؟ هل يجب أن تكون البيوت الشمسية في أماكن مشمسة بشكل خاص؟

اعتبارًا من عام 2019 ، شكلت الطاقة الشمسية 1٪ فقط أو نحو ذلك من الطاقة الأمريكية. من ناحية أخرى ، في عام 2017 ، شكلت الطاقة الشمسية ثلث إجمالي استهلاك الطاقة "الجديد" ، مما جعلها صناعة آخذة في الارتفاع.

وفى الوقت نفسه، شكلت طاقة الرياح حوالي 6 في المائة من الطاقة في الولايات المتحدة على الصعيد الوطني، وكان من المتوقع أن يتم تجاوزه في هذا الصدد قريبًا طاقة هيدروالكترونية. أخيرا، الكتلة الحيوية هو لاعب آخر جديد في لعبة الطاقة المتجددة ؛ يمكن أن يؤدي حرق المواد من الحيوانات والنباتات النافقة إلى تشغيل التوربينات ، ولكن هو ليس تعتبر نظيفة.

من المتوقع أن تزداد شعبية مصادر الطاقة هذه ، حيث تصبح لعنة تغير المناخ متعددة الجوانب على نحو متزايد مستحيلة على الناس والحكومات في جميع أنحاء العالم إنكارها.