So bauen Sie ein Modell-Solarhaus für ein Kinderprojekt

Solarenergie ist Teil einer Welle "sauberer" oder "grüner" Energiequellen des 21. die die Produkte der Kohlenstoffverbrennung nicht in nennenswerten Mengen oder bei alle. Diese Energiequellen werden auch als erneuerbare Energien bezeichnet, obwohl dies verwirrend sein kann, da Kernenergie zwar "sauber" ist, aber technisch nicht aus einer erneuerbaren Energiequelle gewonnen wird.

Solarenergie, Windkraft und ein verstärkter Schwerpunkt auf Geothermie und Wasserkraft gehören dazu einer meist konzertierten weltweiten Anstrengung zur Reduzierung des Ausstoßes von Treibhausgasen wie Kohlendioxid (CO₂) und damit die erwarteten Auswirkungen des Klimawandels auf die globale Zivilisation vor dem Ende des Jahrhunderts verringern.

Eine tolle Idee für ein Wissenschaftsprojekt für Kinder ist es, die praktische Anwendung erneuerbarer Energien anhand eines realen oder Modells zu demonstrieren Solarhaus, oder indem Sie eine Klasse 1 der funktionierenden Komponenten eines Sonnenkollektornetzes zeigen.

Der Grund für die Paneele eines Solarhauses ist die Stromerzeugung, normalerweise sowohl für Strom als auch für Warmwasser. Diese Kraft kommt irgendwie von der Sonne. Aber wie genau?

Leistung in Physik ist Energie pro Zeiteinheit, oder gleichwertig, Arbeit pro Zeiteinheit. Energie tritt in der Physik in vielen Formen auf, einschließlich thermischer, gravitativer, kinetischer, elektrischer und akustischer; die Standardeinheit ist das Joule (J), oft äquivalent als Newtonmeter (N⋅m) ausgedrückt. Andere Einheiten sind Kalorien, Ergs und Britische Wärmeeinheiten (Btu).

Wenn Energie verwendet wird, um Arbeit zu verrichten, z. B. zum Antreiben eines elektrischen Generators oder zum Aktivieren der Heizschlangen eines Warmwassererzeugers und -speichers, wird die Leistung, mit der diese Arbeit verrichtet wird, als Leistung bezeichnet. Die Standardeinheit ist die Watt (W) oder J/s. 745,7 W = 1 PS (PS).

• Wenn Sie Ihre Stromrechnung bezahlen, haben Sie vielleicht bemerkt, dass die Verbrauchseinheiten in gemessen werden Kilowattstunden (kW⋅hr). Diese unkonventionelle Einheit sieht aus wie Macht, aber da sie die Einheiten der Macht multipliziert mit der Zeit hat, handelt es sich in Wirklichkeit um Energie.

Wenn Sie so lange wie möglich aufs Ganze gehen, was ungefähr eine Minute ist, sind Sie in der Lage (je nach Ihrem Masse) mit einer Leistung von etwa 800 W oder fast 1 PS – gut genug, um einen mittelgroßen Mikrowellenherd zu halten gehen. Aber für langwierige Formen der menschlichen Bewegung, wie Gehen oder Radfahren, ist eine Leistung von 250 bis 400 typischer.

Solarenergie ist die am reichlichsten verfügbare und schadstofffreie Energiequelle und tatsächlich die ultimative Energiequelle aller biologischen Prozesse auf der Erde. Seine Hauptverwendungszwecke sind die Erzeugung von Strom, Wärme oder beides. Solarenergie wird nicht nur im Haushalt, sondern auch in immer mehr gewerblichen und industriellen Umgebungen eingesetzt.

Es gibt drei grundlegende Möglichkeiten, Sonnenenergie zu gewinnen: solares Heizen und Kühlen (SHC)-Anwendungen, konzentrierte Sonnenenergie (CSP)-Anwendungen und Photovoltaik (PV)-Zellen. Die ersten beiden werden hauptsächlich zur Wärmeerzeugung in industriellen oder größeren Umgebungen verwendet, während PV-Zellen die Hauptelemente in der charakteristische Anordnungen, die Sie auf dem Dach eines Solarhauses oder manchmal auf Feldern neben Standorten sehen, die Sonnenenergie nutzen.

Ein Sonnenkollektor, der direktem Sonnenlicht ausgesetzt ist, kann bis zu 1.000 W/m² erzeugen². Die insgesamt erzeugte Strommenge ist eine Funktion der Anzahl der PV-Zellen und der Expositionszeit sowie der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen, die in Breitengraden, die näher an der Erde liegen, im Durchschnitt direkter sind Äquator.

Photovoltaikzellen sind leicht als Teile von Sonnenkollektoren zu erkennen, aber sie sind auch in Miniatur in solarbetriebenen Taschenrechnern und anderen tragbaren Geräten zu finden. Sie nutzen die photoelektrischer Effekt, das ist die Fähigkeit von Photonen ("Lichtpakete"), Elektronen aus den Atomen zu befreien, zu denen sie gehören. Der anschließende Fluss dieser geladenen und energetisierten Elektronen kann verwendet werden, um Elektrizität zur sofortigen Verwendung oder Speicherung zu erzeugen.

Das Element Silizium eignet sich für PV-Zellen, da es wie ein Isolator wirken kann, was eine schlechte Stromleiter oder es kann wie ein Leiter fungieren, je nach den Bedürfnissen der arbeitenden Ingenieure damit. Dies macht Silizium zu einem Halbleiter und damit zu einem kritischen Bestandteil moderner PV-Zellen.

Wichtig ist die elektrischer Strom (Elektronenfluss), der durch Solarenergie und PV-Zellen erzeugt wird, ist Gleichstrom (DC). Dies steht im Gegensatz zum Wechselstrom (AC), der in den meisten modernen Häusern fließt. Also ein Gerät namens an Wandler steht Solarhausbesitzern oder Lehrern zur Verfügung, die Schülern zeigen möchten, wie Solarhäuser funktionieren.

Es macht keinen Sinn, ein Solarhaus zu bauen, wenn Sie nicht das ganze Haus auf maximale Energieeffizienz einrichten, da Solarstrom selbst in sonnigen Klimazonen schwer zu bekommen sein kann. Natürlich ist die Geographie wichtig. Die Schüler können zeigen, dass der Winkel von Sonnenkollektoren in den USA nicht gerade nach oben zeigt, sondern nach oben und nach Süden; warum sollte das so sein und wie würde sich das für ein Solarhaus beispielsweise im Süden Argentiniens ändern?

Solarhäuser sind zum Beispiel dank hoher thermischer Masse und viel Steinmauerwerk für die passive Wärmespeicherung ausgelegt. Zusätzlich zu richtig ausgerichteten Fenstern sollten dunklere Farben gewählt werden, um die vorhandene thermische Masse optimal zu nutzen.

Sie können verschiedene Stile zeigen, wie z. B. Direktgewinn, bei dem die gesammelte Energie und Leistung von Süden, z. B. von nach Süden ausgerichteten Fenstern, in den Rest fließen des Hauses) und indirekter Gewinn durch den Einsatz von Features wie Trombe-Wänden, bei denen Räume zwischen den Wänden kurzfristig als Energiespeicher genutzt werden Begriff.

All diese Konzepte können Kindern jeden Alters gezeigt werden, und die Älteren können die allgemeinen Informationen nutzen, um ihre eigenen Projekte zu starten. Der Bau einer PV-Zelle ist wahrscheinlich für die meisten zu ehrgeizig; besser wäre es, wenn die Schüler mit Hilfe des Internets und vielleicht ihrer Eltern versuchen herauszufinden, wie viele PV-Zellen in Geräten im Haushalt oder zumindest an häufig gesehenen Orten im Einsatz sind.

Es ist wichtig, dass die Studierenden die Herausforderungen erkennen, die die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie im Vergleich zu beispielsweise Daten oder dem in Kernkraftwerken verwendeten Material mit sich bringt. Wenn Batterien nahezu unendlich viel Strom aufnehmen könnten, wie könnte sich dann die Landschaft der Welt verändern? Müssen Solarhäuser an besonders sonnigen Orten stehen?

Im Jahr 2019 machte Solarstrom nur etwa 1 Prozent der US-Energie aus. Auf der anderen Seite machte die Solarenergie 2017 ein Drittel des gesamten „neuen“ Energieverbrauchs aus und ist damit eine aufstrebende Branche.

Inzwischen, Windkraft machte landesweit etwa 6 Prozent der US-Energie aus, und sollte in dieser Hinsicht bald überholt werden Wasserkraft. Schließlich, Biomasse ist ein weiterer neuer Spieler im Spiel der erneuerbaren Energien; das Verbrennen von Material von toten Tieren und Pflanzen kann Turbinen antreiben, aber ist nicht als sauber angesehen.

Es wird erwartet, dass diese Energiequellen immer beliebter werden, da der vielschichtige Fluch des Klimawandels für Menschen und Regierungen auf der ganzen Welt immer unmöglicher wird.