Päikeseenergia on osa 21. sajandi "puhaste" või "roheliste" energiaallikate lainest, see tähendab mis ei eralda süsiniku põlemisprodukte keskkonda märkimisväärses koguses ega kõik. Neid energiaallikaid nimetatakse ka taastuvateks energiaallikateks, ehkki see võib tekitada segadust, sest kuigi puhas tuumaenergia pole tehniliselt saadud taastuvast energiaallikast.
Päikeseenergia, tuuleenergia ning suurem rõhk geotermilisel ja hüdroelektrijaamal on kõik osa kasvuhoonegaaside, näiteks süsinikdioksiidi, heitkoguste vähendamiseks tehtud kooskõlastatud jõupingutused (CO2) ja seeläbi vähendada kliimamuutuste eeldatavat mõju globaalsele tsivilisatsioonile enne sajandi lõppu.
Laste teadusprojekti suurepärane idee on tõestada taastuvenergia praktilist rakendamist reaalse või mudeli abil päikesemajavõi näidates klassile ühte päikesekogumisvõrgu töötavat komponenti.
Mis on füüsikas "võim"?
Päikesemaja paneelide põhjus on elektrienergia tootmine, tavaliselt nii elektri kui ka sooja vee jaoks. See jõud tuleb kuidagi päikesest. Aga kuidas täpselt?
Võimsus füüsikas on energia ajaühiku kohtavõi samaväärselt töö ajaühikus. Energia ilmub füüsikas mitmel kujul, sealhulgas termiline, gravitatsioonipotentsiaal, kineetiline, elektriline ja heliline; standardühik on džaul (J), mida väljendatakse sageli samaväärselt kui njuutonmeetrit (N⋅m). Muud ühikud on kalorid, ergid ja Briti soojusühikud (Btu).
Kui energiat kasutatakse töö tegemiseks, näiteks elektrigeneraatori toiteks või kuuma vee tootja ja reservuaari küttepoolide aktiveerimiseks, nimetatakse selle töö kiirust võimsuseks. Standardühik on vatt (W) või J / s. 745,7 W = 1 hobujõud (hj).
- Kommunaalmaksu tasumisel võite olla märganud, et tarbimise ühikud on mõõdetud kilovatt-tundi (kW⋅hr). See ebatraditsiooniline üksus näeb välja nagu võimsus, kuid kuna selle võimsuse ühikud korrutatakse ajaga, on see tegelikult energia.
Kui jooksete kõik välja nii kaua kui võimalik, see on umbes minut, olete võimeline (sõltuvalt teie mass) tekitades umbes 800 W võimsust ehk ligilähedaselt 1 hj - piisavalt hea keskmise suurusega mikrolaineahju hoidmiseks minek. Inimeste pikaleveninud vormide, näiteks kõndimise või rattasõidu puhul on tüüpilisem väljund 250 kuni 400.
Ülevaade päikeseenergiast
Päikeseenergia on kõige kättesaadavam ja saastevaba energiaallikas ning tegelikult on kõigi Maa bioloogiliste protsesside ülim energiaallikas. Selle peamised kasutusalad on elektrienergia tootmine, soojuse või mõlema tootmine. Päikeseenergiat kasutatakse mitte ainult kodus, vaid ka üha enamates kaubandus- ja tööstuskeskkondades.
Päikeseenergia hõivamiseks on kolm peamist viisi: päikese soojendamine ja jahutamine (SHC) rakendused, kontsentreerides päikeseenergiat (CSP) rakendused ja fotogalvaaniline (PV) rakud. Kahte esimest kasutatakse peamiselt soojuse tootmiseks tööstuslikes või suuremates seadmetes, samas kui PV-elemendid on seadme peamised elemendid iseloomulikud massiivid, mida näete päikesemaja katusel või mõnikord päikeseenergiat kasutavate saitide kõrval asuvates põldudel.
Otsese päikesevalguse käes olev päikesepaneel võib tekitada kuni 1000 w / m2. Toodetud elektrienergia kogus sõltub nii PV-elementide arvust kui ka kokkupuute ajast päikesekiirte langemisnurk, mis on keskmiselt otsesemad Maa laiustele laiustel ekvaator.
Fotogalvaaniline (PV) element
Fotogalvaanilised elemendid on hõlpsasti tuvastatavad päikesepaneelide osadena, kuid neid leidub miniatuurselt ka päikeseenergial töötavatest kalkulaatoritest ja muudest kaasaskantavatest seadmetest. Nad kasutavad fotoelektriline efekt, mis on footonite (valguse "pakettide") võime koputada elektronid vabaks aatomitest, kuhu nad kuuluvad. Nende laetud ja pingestatud elektronide järgnevat voogu saab kasutada elektri tootmiseks koheseks kasutamiseks või säilitamiseks.
Element räni sobib PV-elementidele, kuna seda saab panna käituma nagu isolaator, mis on halb elektrijuht või võib see toimida dirigendina, sõltuvalt töötavate inseneride vajadustest sellega. See muudab räni pooljuhiks ja seega kaasaegsete PV-elementide kriitiliseks komponendiks.
Oluline on, et elektrivool (elektronide voog), mis on loodud päikeseenergia ja PV-elementide poolt, on alalisvool (DC). See on vastuolus sellega, et vahelduvvool (AC) jookseb enamusesse moodsatesse kodudesse. Seega seade nimega inverter on kättesaadav päikesemajaomanikele või õpetajatele, kes soovivad õpilastele näidata, kuidas päikesekodud töötavad.
Passiivne päikesemaja
Pole mõtet ehitada päikeseenergia kodu, kui te ei sätesta kogu maja energiatõhususe maksimeerimiseks, kuna päikeseelektrijaam võib olla isegi päikesepaistelises kliimas alati keeruline. On selge, et geograafia on oluline. Õpilased saavad näidata, kuidas päikesepaneelide nurk ei asu USA-s otse ülespoole, vaid pigem üles ja lõunasse; miks see nii oleks ja kuidas see muutuks päikesekodu jaoks näiteks Lõuna-Argentinas?
Päikesekodud on loodud soojuse passiivseks salvestamiseks tänu näiteks suurele soojusmassile ja rohkele kivimüürile. Lisaks korralikult joondatud akendele tuleks olemasoleva termilise massi maksimaalseks kasutamiseks valida tumedamad värvid.
Võite näidata erinevaid stiile, näiteks otsest võimendust, mille korral kogutud energia ja võimsus voolavad lõunast, näiteks lõunapoolsetest akendest, ülejäänud maja) ja kaudne kasu selliste funktsioonide abil nagu Trombe seinad, kus seinte vahelisi ruume kasutatakse energia säästmiseks lühikese aja jooksul tähtaeg.
Päikeseenergia demonstratsioonid lastele
Kõiki neid mõisteid saab näidata enamikus vanuses lastele ja vanemad saavad üldteavet kasutada oma projektide alustamiseks. PV-elemendi ehitamine on ilmselt enamiku jaoks liiga ambitsioonikas; parem idee oleks see, kui õpilased prooviksid Interneti ja võib-olla oma vanemate abil leida, kui palju PV-elemente on kodus või vähemalt sageli nähtud kohtades seadmetes kasutusel.
Õpilaste jaoks on oluline teadvustada väljakutseid, mis on seotud suure hulga elektrienergia salvestamisega, võrreldes näiteks andmete või tuumajaamades kasutatava materjaliga. Kui patareid mahutaksid peaaegu lõpmatu koguse elektrit, siis kuidas võiks maailmamaastik muutuda? Kas päikesemajad peaksid olema eriti päikselistes kohtades?
Päikese- ja taastuvenergia 21. sajandil
Alates 2019. aastast moodustas päikeseenergia vaid umbes ühe protsendi USA energiast. Teiselt poolt moodustas päikeseenergia 2017. aastal kolmandiku kogu uuest energiatarbimisest, muutes selle kasvavaks tööstusharuks.
Vahepeal tuuleenergia moodustas kogu riigis umbes 6 protsenti USA energiast, ja eeldatavasti möödus selles osas peagi sellest hüdroenergia. Lõpuks biomass on taastuvate energiaallikate mängus veel üks uuem mängija; surnud loomade ja taimede materjali põletamine võib käivitada turbiinid, kuid on mitte peetakse puhtaks.
Eeldatakse, et need energiaallikad muutuvad üha populaarsemaks, kuna kliimamuutuste paljusõnaline häda muutub inimeste ja valitsuste kogu maailmas eitamiseks üha võimatumaks.