Cómo construir una casa solar modelo para un proyecto infantil

La energía solar es parte de una ola del siglo XXI de fuentes de energía "limpias" o "verdes", es decir, aquellas que no emiten los productos de la combustión de carbono al medio ambiente en cantidades significativas o en todas. Estas fuentes de energía también se denominan renovables, aunque esto puede resultar confuso porque la energía nuclear, aunque "limpia", no se deriva técnicamente de una fuente de energía renovable.

La energía solar, la energía eólica y un mayor énfasis en la energía geotérmica y la energía hidroeléctrica son parte de un esfuerzo mundial en su mayoría concertado para reducir la emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono (CO₂) y así reducir el impacto esperado del cambio climático en la civilización global antes de fin de siglo.

Una gran idea para un proyecto de ciencia para niños es demostrar la aplicación práctica de la energía renovable utilizando un modelo o un modelo real. casa solar, o mostrando una clase uno de los componentes de trabajo de una rejilla de captación solar.

La razón de los paneles en una casa solar es generar energía, generalmente tanto para electricidad como para agua caliente. Este poder de alguna manera proviene del sol. ¿Pero cómo exactamente?

Energía en física es energía por unidad de tiempo, o equivalentemente, trabajo por unidad de tiempo. Energía aparece en física en muchas formas, incluyendo térmica, potencial gravitacional, cinética, eléctrica y sónica; la unidad estándar es el joule (J), que a menudo se expresa de forma equivalente como newton-metro (N⋅m). Otras unidades son calorías, ergios y unidades térmicas británicas (Btu).

Cuando se utiliza energía para realizar un trabajo, como alimentar un generador eléctrico o activar los serpentines de calentamiento de un productor de agua caliente y un depósito, la velocidad a la que se realiza ese trabajo se denomina potencia. La unidad estándar es la vatio (W) o J / s. 745,7 W = 1 caballo de fuerza (hp).

• Cuando pague su factura de servicios públicos, es posible que haya notado que las unidades de consumo se miden en kilovatios-hora (kW⋅hr). Esta unidad poco convencional parece poder, pero como tiene unidades de poder multiplicadas por el tiempo, de hecho es energía.

Cuando corres todo el tiempo que puedas, que es aproximadamente un minuto, eres capaz (dependiendo de tu masa) de generar aproximadamente 800 W de potencia, o cerca de 1 hp, lo suficientemente bueno para mantener un horno de microondas de tamaño mediano yendo. Pero para las formas prolongadas de ejercicio humano, como caminar o andar en bicicleta, una producción de 250 a 400 es más típica.

La energía solar es la fuente de energía más abundante y libre de contaminación disponible y, de hecho, es la principal fuente de energía de todos los procesos biológicos de la Tierra. Sus usos principales son para generar electricidad, generar calor o ambos. La energía solar tiene usos no solo en el hogar, sino también en un número creciente de entornos comerciales e industriales.

Hay tres formas básicas de capturar energía solar: calefacción y refrigeración solar (SHC) aplicaciones, concentración de energía solar (CSP) y aplicaciones fotovoltaica (PV) células. Los dos primeros se utilizan principalmente para generar calor en entornos industriales o más grandes, mientras que las células fotovoltaicas son los elementos principales en el matrices características que se ven en el techo de una casa solar o, a veces, en campos junto a sitios que utilizan energía solar.

Un panel solar expuesto a la luz solar directa puede generar hasta 1000 w / m². La cantidad total de energía generada es una función del número de células fotovoltaicas y el tiempo de exposición, así como el ángulo de incidencia de los rayos del sol, que en promedio son más directos en latitudes más cercanas a la de la Tierra ecuador.

Las células fotovoltaicas se pueden identificar fácilmente como partes de paneles solares, pero también se encuentran en miniatura en calculadoras que funcionan con energía solar y otros dispositivos portátiles. Hacen uso de la efecto fotoeléctrico, que es la capacidad de los fotones ("paquetes" de luz) para liberar a los electrones de los átomos a los que pertenecen. El flujo posterior de estos electrones cargados y energizados se puede utilizar para generar electricidad para uso o almacenamiento inmediato.

El elemento silicio se presta a las células fotovoltaicas porque se puede hacer que actúe como un aislante, lo cual es un mal conductor de electricidad, o se puede hacer que actúe como un conductor, dependiendo de las necesidades de los ingenieros que trabajan con eso. Esto hace que el silicio sea un semiconductor y, por lo tanto, un componente crítico de las células fotovoltaicas contemporáneas.

Es importante destacar que corriente eléctrica (flujo de electrones) creado por la energía solar y las células fotovoltaicas es corriente continua (CC). Esto está en oposición a la corriente alterna (CA) que entra en la mayoría de los hogares modernos. Así, un dispositivo llamado inversor está disponible para los propietarios de casas solares o los profesores que deseen mostrar a los estudiantes cómo funcionan las casas solares.

No tiene sentido construir una casa solar si no configura toda la casa para maximizar la eficiencia energética, ya que la energía solar puede ser difícil de conseguir todo el tiempo, incluso en climas soleados. Claramente, la geografía es importante. Los estudiantes pueden mostrar cómo el ángulo de los paneles solares no mira hacia arriba en los EE. UU., Sino hacia arriba y hacia el sur; ¿Por qué sería esto y cómo cambiaría esto para una casa solar en, digamos, el sur de Argentina?

Las viviendas solares están diseñadas para almacenar calor de forma pasiva gracias a tener una alta masa térmica, por ejemplo, y mucha mampostería de piedra. Además de las ventanas correctamente alineadas, se deben elegir colores más oscuros para aprovechar al máximo la masa térmica presente.

Puede mostrar diferentes estilos, como la ganancia directa, en la que la energía y la potencia recolectadas fluyen desde el sur, como desde las ventanas orientadas al sur, hacia el resto. de la casa) y la ganancia indirecta mediante el uso de elementos como los muros de Trombe, en los que los espacios entre los muros se utilizan para almacenar energía en el corto término.

Todos estos conceptos se pueden mostrar a los niños de la mayoría de las edades, y los mayores pueden usar la información general para embarcarse en sus propios proyectos. La construcción de una celda fotovoltaica probablemente sea demasiado ambiciosa para la mayoría; una mejor idea sería que los estudiantes intentaran encontrar, con la ayuda de Internet y tal vez de sus padres, cuántas células fotovoltaicas están en uso en dispositivos en el hogar o al menos en lugares vistos con frecuencia.

Es importante que los estudiantes reconozcan los desafíos inherentes al almacenamiento de grandes cantidades de energía eléctrica, en comparación con, digamos, los datos o el material utilizado en las plantas de energía nuclear. Si las baterías pudieran contener cantidades casi infinitas de electricidad, ¿cómo podría cambiar el paisaje del mundo? ¿Las casas solares tendrían que estar en lugares especialmente soleados?

A partir de 2019, la energía solar representaba solo el 1 por ciento aproximadamente de la energía de los EE. UU. Por otro lado, en 2017, la energía solar representó un tercio de todo el consumo de energía "nueva", lo que la convierte en una industria en alza.

Entretanto, La energía eólica representó alrededor del 6 por ciento de la energía de EE. UU. en todo el país., y se esperaba que pronto fuera superado en este sentido por energía hidroeléctrica. Finalmente, biomasa es otro jugador más nuevo en el juego de las energías renovables; la quema de material de animales y plantas muertos puede impulsar turbinas, pero es no considerado limpio.

Se espera que estas fuentes de energía se vuelvan cada vez más populares a medida que las personas y los gobiernos de todo el mundo se vuelven cada vez más imposibles de negar por las múltiples consecuencias del cambio climático.