Jak postavit modelový solární dům pro dětský projekt

Solární energie je součástí vlny „čistých“ nebo „zelených“ energetických zdrojů 21. století, tedy těch které nevypouštějí produkty spalování uhlíku do životního prostředí ve významných množstvích nebo při Všechno. Tyto zdroje energie se také nazývají obnovitelné zdroje, i když to může být matoucí, protože jaderná energie, i když je „čistá“, není technicky odvozena z obnovitelného zdroje energie.

Solární energie, větrná energie a zvýšený důraz na geotermální energii a vodní energii jsou součástí celosvětově soustředěného úsilí o snížení emisí skleníkových plynů, jako je oxid uhličitý (CO.)₂) a tím snížit očekávaný dopad změny klimatu na globální civilizaci před koncem století.

Skvělým nápadem pro dětský vědecký projekt je demonstrace praktické aplikace obnovitelné energie pomocí reálného modelu solární dům, nebo zobrazením třídy jedné z pracovních součástí solární sběrné mřížky.

Důvodem pro panely na solárním domě je výroba energie, obvykle jak pro elektřinu, tak pro teplou vodu. Tato síla nějak pochází ze slunce. Ale jak přesně?

Napájení ve fyzice je energie za jednotku časunebo ekvivalentně pracovat za jednotku času. Energie objevuje se ve fyzice v mnoha formách, včetně tepelné, gravitační, kinetické, elektrické a zvukové; standardní jednotka je joule (J), často vyjádřený ekvivalentně jako newtonmetr (N⋅m). Dalšími jednotkami jsou kalorie, ergy a britské tepelné jednotky (Btu).

Když se k práci používá energie, jako je napájení elektrického generátoru nebo aktivace topných spirál výrobce a zásobníku teplé vody, rychlost, kterou se tato práce provádí, se nazývá výkon. Standardní jednotkou je watt (W) nebo J / s. 745,7 W = 1 koňská síla (hp).

• Když platíte účet za služby, možná jste si všimli, že se měří jednotky spotřeby kilowatthodin (kW⋅hr). Tato nekonvenční jednotka vypadá jako síla, ale protože má jednotky síly vynásobené časem, ve skutečnosti je to energie.

Když vyčerpáte all-out tak dlouho, jak můžete, což je asi minuta, jste schopni (v závislosti na vašem hmotnost) o výkonu asi 800 W nebo téměř 1 hp - dost dobré na to, aby udrželo středně velkou mikrovlnnou troubu jít. Ale pro zdlouhavé formy lidského cvičení, jako je chůze nebo jízda na kole, je typičtější výstup 250 až 400.

Solární energie je nejhojnějším dostupným zdrojem energie bez znečištění a ve skutečnosti je hlavním zdrojem energie všech biologických procesů na Zemi. Jeho primární použití je pro výrobu elektřiny, výrobu tepla nebo obojí. Solární energie se využívá nejen v domácnosti, ale také v rostoucím počtu komerčních a průmyslových prostředí.

Existují tři základní způsoby, jak zachytit sluneční energii: solární vytápění a chlazení (SHC) aplikace, soustředění solární energie (CSP) aplikace a fotovoltaické (PV) buňky. První dva se používají hlavně k výrobě tepla v průmyslovém nebo větším prostředí, zatímco FV články jsou hlavními prvky v charakteristická pole, která vidíte na střeše solárního domu nebo někdy na polích vedle webů využívajících sluneční energii.

Solární panel vystavený přímému slunečnímu záření může generovat až 1 000 w / m². Celkové množství generované energie je funkcí počtu FV článků a doby expozice a také úhel dopadu slunečních paprsků, které jsou v průměru přímější v zeměpisných šířkách blíže zemským rovník.

Fotovoltaické články lze snadno identifikovat jako součást solárních panelů, ale miniaturně se také nacházejí v solárních kalkulačkách a jiných přenosných zařízeních. Využívají fotoelektrický efekt, což je schopnost fotonů („paketů“ světla) klepat elektrony bez atomů, ke kterým patří. Následný tok těchto nabitých a energizovaných elektronů lze použít k výrobě elektřiny pro okamžité použití nebo skladování.

Prvek křemík je vhodný pro FV články, protože je možné ho chovat jako izolátor, který je špatný dirigent elektřiny, nebo to může být dáno chovat se jako dirigent, v závislosti na potřebách pracujících inženýrů s tím. Díky tomu je křemík polovodič, a tedy kritická součást současných FV článků.

Důležité je, že elektrický proud (tok elektronů) vytvořený solární energií a FV články je stejnosměrný proud (DC). To je v opozici vůči střídavému proudu (AC), který vede do většiny moderních domů. Zařízení zvané an střídač je k dispozici majitelům solárních domů nebo učitelům, kteří chtějí studentům ukázat, jak solární domy fungují.

Nemá smysl stavět solární dům, pokud nenastavíte celý dům tak, aby maximalizoval energetickou účinnost, protože solární energie může být stále těžko dostupná, dokonce i ve slunném podnebí. Zeměpis je zjevně důležitý. Studenti mohou ukázat, jak úhel solárních panelů nečelí přímo v USA, ale spíše nahoře a na jih; proč by to tak bylo a jak by se to změnilo pro solární dům, řekněme, v jižní Argentině?

Solární domy jsou navrženy tak, aby pasivně ukládaly teplo, například díky vysoké tepelné hmotě a spoustě kamenného zdiva. Kromě správně zarovnaných oken je třeba zvolit tmavší barvy, aby se co nejvíce využila tepelná hmota.

Můžete zobrazit různé styly, například přímý zisk, při kterém nasbíraná energie a energie proudí z jihu, například z oken orientovaných na jih, do zbytku domu) a nepřímý zisk pomocí funkcí, jako jsou Trombeho stěny, ve kterých se mezery mezi stěnami používají k ukládání energie období.

Všechny tyto koncepty lze ukázat dětem většiny věků a starší mohou použít obecné informace k zahájení svých vlastních projektů. Stavba FV článku je pro většinu pravděpodobně příliš ambiciózní; lepším nápadem by bylo, kdyby se studenti pokusili pomocí internetu a možná i jejich rodičů zjistit, kolik FV článků se používá v domácích zařízeních nebo alespoň na často viditelných místech.

Je důležité, aby studenti rozpoznali výzvy spojené s ukládáním velkého množství elektrické energie ve srovnání s údaji nebo materiálem používaným v jaderných elektrárnách. Pokud by baterie mohly pojmout téměř nekonečné množství elektřiny, jak by se mohla změnit světová krajina? Musí být solární domy na obzvláště slunečných místech?

Od roku 2019 představovala solární energie pouze přibližně 1 procento americké energie. Na druhou stranu v roce 2017 činila solární energie třetinu veškeré „nové“ spotřeby energie, což z ní dělá průmysl na vzestupu.

Mezitím, větrná energie představovala přibližně 6 procent americké energie na celostátní úrovniOčekávalo se, že bude v tomto ohledu brzy předjet vodní energie. Konečně, biomasa je další novější hráč ve hře obnovitelných zdrojů; spalování materiálu z mrtvých zvířat a rostlin může pohánět turbíny, ale je ne považováno za čisté.

Očekává se, že tyto zdroje energie budou stále populárnější, protože lidé a vlády na celém světě budou moci odmítnout mnohonásobné omezení klimatických změn.