Как да изградим модел слънчева къща за детски проект

Слънчевата енергия е част от вълната на „чисти“ или „зелени“ енергийни източници от 21-ви век, т.е. които не отделят продуктите от изгарянето на въглерод в околната среда в значителни количества или при всичко. Тези енергийни източници също се наричат ​​възобновяеми енергийни източници, въпреки че това може да обърка, тъй като ядрената енергия, макар и „чиста“, не е технически получена от възобновяем енергиен източник.

Слънчевата енергия, вятърната енергия и увеличеният акцент върху геотермалната енергия и водноелектрическата енергия са част от тях на предимно съгласувани усилия в световен мащаб за намаляване на емисиите на парникови газове като въглероден диоксид (CO₂) и по този начин да се намали очакваното въздействие на изменението на климата върху глобалната цивилизация преди края на века.

Страхотна идея за научен проект за деца е демонстрирането на практическото приложение на възобновяемата енергия с помощта на реалност или модел слънчева къща, или чрез показване на клас един от работещите компоненти на слънчева колекторна мрежа.

Причината за панелите в слънчева къща е да генерират енергия, обикновено както за електричество, така и за топла вода. Тази сила някак идва от слънцето. Но как точно?

Мощност във физиката е енергия за единица време, или еквивалентно, работа за единица време. Енергия се появява във физиката в много форми, включително топлинна, гравитационно-потенциална, кинетична, електрическа и звукова; стандартната единица е джаул (J), често изразен еквивалентно като нютонметър (N⋅m). Други единици са калории, ерги и британски термични единици (Btu).

Когато енергията се използва за извършване на работа, като захранване на електрически генератор или активиране на нагревателните бобини на производител на гореща вода и резервоар, скоростта, с която се извършва тази работа, се нарича мощност. Стандартната единица е вата (W) или J / s. 745,7 W = 1 конски сили (к.с.).

• Когато плащате сметката си за комунални услуги, може да сте забелязали, че мерните единици се измерват в киловатчас (kW⋅hr). Тази нетрадиционна единица изглежда като мощност, но тъй като има единици мощност, умножена по време, всъщност това е енергия.

Когато изпълнявате изцяло толкова дълго, колкото можете, което е около минута, вие сте способни (в зависимост от вашия маса), генерираща около 800 W мощност или близо 1 к.с. - достатъчно добра, за да поддържа средно голяма микровълнова фурна върви. Но за продължителни форми на човешки упражнения, като ходене пеша или колоездене, по-типичен е резултатът от 250 до 400.

Слънчевата енергия е най-разпространеният и без замърсяване източник на енергия и всъщност е крайният източник на енергия от всички биологични процеси на Земята. Основните му приложения са за производство на електричество, производство на топлина или и двете. Слънчевата енергия се използва не само в дома, но и във все по-голям брой търговски и индустриални условия.

Има три основни начина за улавяне на слънчевата енергия: слънчево отопление и охлаждане (SHC) приложения, концентриране на слънчева енергия (CSP) приложения и фотоволтаични (PV) клетки. Първите две се използват главно за генериране на топлина в индустриални или по-големи настройки, докато PV клетките са основните елементи в характерни масиви, които виждате на покрива на слънчева къща или понякога в полета до обекти, които използват слънчева енергия.

Слънчевият панел, изложен на пряка слънчева светлина, може да генерира до 1000 w / m². Общото количество генерирана мощност е функция от броя на фотоволтаичните клетки и времето на експозиция, както и ъгълът на падане на слънчевите лъчи, които средно са по-директни в географски ширини, по-близки до земните екватор.

Фотоволтаичните клетки могат лесно да бъдат идентифицирани като части от слънчеви панели, но те също се намират в миниатюри в калкулатори със слънчева енергия и други преносими устройства. Те се възползват от фотоелектричен ефект, което е способността на фотоните („пакети“ от светлина) да чукат електрони, освободени от атомите, към които принадлежат. Последващият поток от тези заредени и енергизирани електрони може да се използва за генериране на електричество за незабавна употреба или съхранение.

Елементът силиций се поддава на фотоволтаични клетки, защото може да бъде накаран да действа като изолатор, което е лошо проводник на електричество, или може да се накара да действа като проводник, в зависимост от нуждите на работещите инженери с него. Това прави силиция полупроводник и по този начин критичен компонент на съвременните фотоволтаични клетки.

Важното е, че електрически ток (поток от електрони), създаден от слънчева енергия и PV клетки е постоянен ток (DC). Това е в противовес на променливия ток (AC), който влиза в повечето съвременни домове. По този начин устройство, наречено инвертор е достъпна за собствениците на слънчеви къщи или учители, които искат да покажат на учениците как работят слънчевите домове.

Няма смисъл да изграждате слънчев дом, ако не сте настроили цялата къща, за да увеличите максимално енергийната ефективност, тъй като слънчевата енергия може да бъде трудно достъпна през цялото време дори при слънчев климат. Ясно е, че географията е важна. Студентите могат да покажат как ъгълът на слънчевите панели не е насочен право нагоре в САЩ, а по-скоро нагоре и на юг; защо би било това и как това би се променило за слънчев дом в, да речем, южна Аржентина?

Слънчевите домове са проектирани да съхраняват пасивно топлината благодарение на това, че имат висока топлинна маса например и много каменна зидария. В допълнение към правилно подравнените прозорци, трябва да се изберат по-тъмни цветове, за да се използва максимално топлинната маса.

Може да покажете различни стилове, като директна печалба, при която събраната енергия и мощност текат от юг, например от прозорци с южно изложение, към останалите на къщата) и непряка печалба чрез използване на функции като стени на Trombe, при които пространствата между стените се използват за съхранение на енергия в краткосрочен план срок.

Всички тези концепции могат да бъдат показани на деца от повечето възрасти, а по-големите могат да използват общата информация, за да се впуснат в собствените си проекти. Изграждането на фотоволтаична клетка вероятно е твърде амбициозно за повечето; по-добра идея би била учениците да се опитат да намерят с помощта на интернет и може би родителите си колко фотоволтаични клетки се използват в устройства в дома или поне на често срещани места.

Важно е учениците да разпознаят предизвикателствата, присъщи на съхранението на големи количества електрическа енергия, в сравнение с, да речем, данни или материалите, използвани в атомните електроцентрали. Ако батериите биха могли да държат почти безкрайно количество електроенергия, как може да се промени пейзажът на света? Ще трябва ли слънчевите къщи да са на особено слънчеви места?

Към 2019 г. слънчевата енергия представлява само около 1% от енергията в САЩ. От друга страна, през 2017 г. слънчевата енергия представлява една трета от цялото „ново“ потребление на енергия, което я прави индустрия във възход.

Междувременно, вятърната енергия представлява около 6% от енергията на САЩ в цялата страна, и се очакваше да бъде изпреварен в това отношение скоро от водноелектрическа енергия. И накрая, биомаса е друг по-нов играч в играта за възобновяеми източници; изгарянето на материал от мъртви животни и растения може да задвижва турбини, но е не счита се за чист.

Очаква се тези източници на енергия да станат все по-популярни, тъй като многобройните климатични промени стават все по-невъзможни за отричане от хората и правителствата по света.