Πώς να φτιάξετε ένα μοντέλο Solar House για ένα παιδικό έργο

Η ηλιακή ενέργεια είναι μέρος ενός κύματος «καθαρών» ή «πράσινων» πηγών ενέργειας του 21ου αιώνα, δηλαδή αυτών που δεν εκπέμπουν προϊόντα καύσης άνθρακα στο περιβάλλον σε σημαντικές ποσότητες ή σε όλα. Αυτές οι πηγές ενέργειας ονομάζονται επίσης ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αν και αυτό μπορεί να προκαλέσει σύγχυση επειδή η πυρηνική ενέργεια, ενώ «καθαρή», δεν προέρχεται τεχνικά από ανανεώσιμη πηγή ενέργειας.

Η ηλιακή ενέργεια, η αιολική ενέργεια και η αυξημένη έμφαση στη γεωθερμική ισχύ και η υδροηλεκτρική ενέργεια αποτελούν μέρος μιας κυρίως συντονισμένης παγκόσμιας προσπάθειας για τη μείωση των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου όπως το διοξείδιο του άνθρακα (CO₂) και συνεπώς να μειώσει τον αναμενόμενο αντίκτυπο της κλιματικής αλλαγής στον παγκόσμιο πολιτισμό πριν από το τέλος του αιώνα.

Μια εξαιρετική ιδέα για ένα παιδικό επιστημονικό έργο είναι η επίδειξη της πρακτικής εφαρμογής των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χρησιμοποιώντας ένα πραγματικό ή μοντέλο ηλιακό σπίτι, ή δείχνοντας μια κλάση ένα από τα λειτουργικά στοιχεία ενός πλέγματος ηλιακής συλλογής.

Ο λόγος για τα πάνελ ενός ηλιακού σπιτιού είναι η παραγωγή ενέργειας, συνήθως τόσο για ηλεκτρικό ρεύμα όσο και για ζεστό νερό. Αυτή η δύναμη προέρχεται κάπως από τον ήλιο. Αλλά πώς ακριβώς;

Εξουσία στη φυσική είναι ενέργεια ανά μονάδα χρόνου, ή ισοδύναμα, εργασία ανά μονάδα χρόνου. Ενέργεια εμφανίζεται στη φυσική σε πολλές μορφές, συμπεριλαμβανομένων των θερμικών, βαρυτικών δυνατοτήτων, κινητική, ηλεκτρική και ηχητική. η τυπική μονάδα είναι το joule (J), που συχνά εκφράζεται ισοδύναμα με το Newton-meter (N⋅m). Άλλες μονάδες είναι θερμίδες, εργοστάσια και βρετανικές θερμικές μονάδες (Btu).

Όταν χρησιμοποιείται ενέργεια για την εργασία, όπως η τροφοδοσία μιας ηλεκτρικής γεννήτριας ή η ενεργοποίηση των θερμαντικών πηνίων ενός παραγωγού και δεξαμενής ζεστού νερού, ο ρυθμός με τον οποίο γίνεται αυτή η εργασία ονομάζεται ισχύς. Η τυπική μονάδα είναι η βάτ (W) ή J / s. 745,7 W = 1 ιπποδύναμη (hp).

• Όταν πληρώνετε το λογαριασμό κοινής ωφέλειας, μπορεί να έχετε παρατηρήσει ότι οι μονάδες κατανάλωσης μετρώνται σε κιλοβατώρες (kW⋅hr). Αυτή η μη συμβατική μονάδα μοιάζει με δύναμη, αλλά επειδή έχει μονάδες ισχύος πολλαπλασιασμένες με το χρόνο, είναι στην πραγματικότητα ενέργεια.

Όταν τρέχετε όλα για όσο περισσότερο μπορείτε, δηλαδή περίπου ένα λεπτό, είστε ικανοί (ανάλογα με το δικό σας μάζα) που παράγει περίπου 800 W ισχύος ή κοντά σε 1 hp - αρκετά καλό για να διατηρήσει έναν φούρνο μικροκυμάτων μεσαίου μεγέθους μετάβαση. Αλλά για παρατεταμένες μορφές ανθρώπινης άσκησης, όπως το περπάτημα ή η ποδηλασία, η απόδοση 250 έως 400 είναι πιο χαρακτηριστική.

Η ηλιακή ενέργεια είναι η πιο πλούσια και απαλλαγμένη από ρύπανση πηγή ενέργειας, και στην πραγματικότητα είναι η απόλυτη πηγή ενέργειας όλων των βιολογικών διεργασιών στη Γη. Οι κύριες χρήσεις του είναι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, την παραγωγή θερμότητας ή και τα δύο. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιεί όχι μόνο στο σπίτι αλλά και σε αυξανόμενο αριθμό εμπορικών και βιομηχανικών εγκαταστάσεων.

Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι λήψης ηλιακής ενέργειας: ηλιακή θέρμανση και ψύξη (SHC) εφαρμογές, συγκέντρωση ηλιακής ενέργειας (CSP) εφαρμογές και φωτοβολταϊκά (PV) κύτταρα. Οι δύο πρώτες χρησιμοποιούνται κυρίως για την παραγωγή θερμότητας σε βιομηχανικές ή μεγαλύτερες ρυθμίσεις, ενώ τα φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι τα κύρια στοιχεία στο χαρακτηριστικές συστοιχίες που βλέπετε στην οροφή ενός ηλιακού σπιτιού ή μερικές φορές σε χωράφια δίπλα σε τοποθεσίες που κάνουν χρήση της ηλιακής ενέργειας.

Ένα ηλιακό πάνελ που εκτίθεται σε άμεσο ηλιακό φως μπορεί να παράγει έως 1.000 w / m². Η συνολική ποσότητα ισχύος που παράγεται είναι συνάρτηση του αριθμού των φωτοβολταϊκών κυψελών και του χρόνου έκθεσης η γωνία πρόσπτωσης των ακτίνων του ήλιου, οι οποίες κατά μέσο όρο είναι πιο άμεσες σε γεωγραφικά πλάτη πιο κοντά στη Γη ισημερινός.

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα αναγνωρίζονται εύκολα ως μέρη των ηλιακών συλλεκτών, αλλά βρίσκονται επίσης σε μικρογραφία σε υπολογιστές με ηλιακή ενέργεια και σε άλλες φορητές συσκευές. Κάνουν χρήση του φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η οποία είναι η ικανότητα των φωτονίων ("πακέτα" φωτός) να χτυπούν ηλεκτρόνια απαλλαγμένα από τα άτομα στα οποία ανήκουν. Η επακόλουθη ροή αυτών των φορτισμένων και ενεργοποιημένων ηλεκτρονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρισμού για άμεση χρήση ή αποθήκευση.

Το στοιχείο πυρίτιο προσφέρεται για φωτοβολταϊκές κυψέλες, γιατί μπορεί να λειτουργήσει σαν μονωτής, ο οποίος είναι φτωχός αγωγός ηλεκτρικής ενέργειας, ή μπορεί να γίνει για να ενεργεί σαν αγωγός, ανάλογα με τις ανάγκες των μηχανικών που εργάζονται Με αυτό. Αυτό καθιστά το πυρίτιο έναν ημιαγωγό και επομένως ένα κρίσιμο συστατικό των σύγχρονων φωτοβολταϊκών κυττάρων.

Το σημαντικό είναι ότι το ηλεκτρικό ρεύμα (ροή ηλεκτρονίων) που δημιουργείται από ηλιακή ενέργεια και φωτοβολταϊκά στοιχεία είναι συνεχές ρεύμα (DC). Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το εναλλασσόμενο ρεύμα που τρέχει στα περισσότερα σύγχρονα σπίτια. Έτσι, μια συσκευή που ονομάζεται αντιστροφέας είναι διαθέσιμο σε ιδιοκτήτες ηλιακών σπιτιών ή εκπαιδευτικούς που επιδιώκουν να δείξουν στους μαθητές πώς λειτουργούν τα ηλιακά σπίτια.

Δεν έχει νόημα να χτίσετε ένα ηλιακό σπίτι εάν δεν ρυθμίσετε ολόκληρο το σπίτι για να μεγιστοποιήσετε την ενεργειακή απόδοση, καθώς η ηλιακή ενέργεια μπορεί να είναι δύσκολο να έρθει συνεχώς ακόμη και σε ηλιόλουστα κλίματα. Είναι σαφές ότι η γεωγραφία είναι σημαντική. Οι μαθητές μπορούν να δείξουν πώς η γωνία των ηλιακών συλλεκτών δεν βλέπει προς τα πάνω στις ΗΠΑ αλλά μάλλον προς τα πάνω και προς το νότο. γιατί θα ήταν αυτό, και πώς θα άλλαζε αυτό για ένα ηλιακό σπίτι, ας πούμε, στη νότια Αργεντινή;

Τα ηλιακά σπίτια έχουν σχεδιαστεί για να αποθηκεύουν παθητικά τη θερμότητα χάρη στην υψηλή θερμική μάζα, για παράδειγμα, και πολλές πέτρινες τοιχοποιίες. Εκτός από τα σωστά ευθυγραμμισμένα παράθυρα, πρέπει να επιλέγονται πιο σκούρα χρώματα για να αξιοποιείται στο έπακρο η θερμική μάζα.

Μπορείτε να δείξετε διαφορετικά στυλ, όπως άμεσο κέρδος, στο οποίο η συλλεγόμενη ενέργεια και η ισχύς ρέουν από το νότο, όπως από τα παράθυρα με νότιο προσανατολισμό, προς τα υπόλοιπα του σπιτιού) και έμμεσο κέρδος μέσω της χρήσης χαρακτηριστικών όπως τα τείχη Trombe, στα οποία οι χώροι μεταξύ των τοίχων χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση ενέργειας σύντομα όρος.

Όλες αυτές οι έννοιες μπορούν να προβληθούν σε παιδιά των περισσότερων ηλικιών και οι μεγαλύτεροι μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις γενικές πληροφορίες για να ξεκινήσουν τα δικά τους έργα. Η κατασκευή μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης είναι πιθανώς πολύ φιλόδοξη για τους περισσότερους. μια καλύτερη ιδέα θα ήταν να προσπαθήσουν οι μαθητές να βρουν, με τη βοήθεια του Διαδικτύου και ίσως των γονέων τους, πόσες φωτοβολταϊκές κυψέλες χρησιμοποιούνται σε συσκευές στο σπίτι ή τουλάχιστον σε συχνά παρατηρούμενα μέρη.

Είναι σημαντικό για τους μαθητές να αναγνωρίσουν τις προκλήσεις που ενέχει η αποθήκευση μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας, σε σύγκριση με, για παράδειγμα, δεδομένα ή το υλικό που χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς σταθμούς. Εάν οι μπαταρίες θα μπορούσαν να συγκρατήσουν σχεδόν απεριόριστες ποσότητες ηλεκτρικής ενέργειας, πώς μπορεί να αλλάξει το τοπίο του κόσμου; Τα ηλιακά σπίτια πρέπει να βρίσκονται σε ιδιαίτερα ηλιόλουστα μέρη;

Από το 2019, η ηλιακή ενέργεια αντιπροσώπευε μόνο το 1% περίπου της ενέργειας των ΗΠΑ. Από την άλλη πλευρά, το 2017, η ηλιακή ενέργεια ανήλθε στο ένα τρίτο της "νέας" κατανάλωσης ενέργειας, καθιστώντας την μια βιομηχανία σε άνοδο.

Εν τω μεταξύ, Η αιολική ενέργεια αντιπροσώπευε περίπου το 6% της ενέργειας των ΗΠΑ σε εθνικό επίπεδο, και αναμενόταν να ξεπεραστεί σε αυτό το θέμα σύντομα από υδροηλεκτρική ενέργεια. Τελικά, βιομάζα είναι ένας άλλος νεότερος παίκτης στο παιχνίδι ανανεώσιμων πηγών? η καύση υλικού από νεκρά ζώα και φυτά μπορεί να τροφοδοτήσει τους στροβίλους, αλλά είναι δεν θεωρείται καθαρό.

Αυτές οι πηγές ενέργειας αναμένεται να γίνουν ολοένα και πιο δημοφιλείς, καθώς ο πολυσχιδής όγκος της κλιματικής αλλαγής καθίσταται όλο και πιο αδύνατος για τους ανθρώπους και τις κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο.