Comment construire une maison solaire modèle pour un projet d'enfant

L'énergie solaire fait partie d'une vague d'énergies « propres » ou « vertes » du XXIe siècle, c'est-à-dire celles qui n'émettent pas les produits de la combustion du carbone dans l'environnement en quantités significatives ou à tout. Ces sources d'énergie sont également appelées énergies renouvelables, bien que cela puisse prêter à confusion car l'énergie nucléaire, bien que «propre», n'est pas techniquement dérivée d'une source d'énergie renouvelable.

L'énergie solaire, l'énergie éolienne et un accent accru sur l'énergie géothermique et l'énergie hydroélectrique font tous partie d'un effort mondial essentiellement concerté pour réduire les émissions de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO₂) et ainsi réduire l'impact attendu du changement climatique sur la civilisation mondiale avant la fin du siècle.

Une excellente idée pour un projet scientifique pour enfants est de démontrer l'application pratique de l'énergie renouvelable à l'aide d'un réel ou d'un modèle maison solaire

La raison pour laquelle les panneaux d'une maison solaire sont destinés à produire de l'électricité, généralement à la fois pour l'électricité et l'eau chaude. Ce pouvoir vient en quelque sorte du soleil. Mais comment, exactement ?

Pouvoir en physique est énergie par unité de temps, ou de manière équivalente, travail par unité de temps. Énergie apparaît en physique sous de nombreuses formes, notamment thermique, gravitationnelle, cinétique, électrique et sonore; l'unité standard est le joule (J), souvent exprimé de manière équivalente en newton-mètre (N⋅m). Les autres unités sont les calories, les ergs et les unités thermales britanniques (Btu).

Lorsque l'énergie est utilisée pour effectuer un travail, comme alimenter un générateur électrique ou activer les serpentins de chauffage d'un producteur d'eau chaude et d'un réservoir, la vitesse à laquelle ce travail est effectué est appelée puissance. L'unité standard est le watt (W) ou J/s. 745,7 W = 1 chevaux (ch).

• Lorsque vous payez votre facture de services publics, vous avez peut-être remarqué que les unités de consommation sont mesurées en kilowattheures (kW⋅hr). Cette unité non conventionnelle ressemble à de la puissance, mais puisqu'elle a des unités de puissance multipliées par le temps, il s'agit en fait d'énergie.

Lorsque vous courez à fond le plus longtemps possible, c'est-à-dire environ une minute, vous êtes capable (selon votre masse) de générer environ 800 W de puissance, soit près de 1 hp - assez bon pour garder un four à micro-ondes de taille moyenne Aller. Mais pour les formes prolongées d'exercice humain, telles que la marche ou le vélo, une sortie de 250 à 400 est plus typique.

L'énergie solaire est la source d'énergie la plus abondante et la plus non polluante disponible, et est en fait la source d'énergie ultime de tous les processus biologiques sur Terre. Ses principales utilisations sont la production d'électricité, la production de chaleur ou les deux. L'énergie solaire a des utilisations non seulement à la maison, mais aussi dans un nombre croissant de milieux commerciaux et industriels.

Il existe trois méthodes de base pour capter l’énergie solaire: chauffage et refroidissement solaires candidatures (SHC), l'énergie solaire à concentration (CSP) applications et photovoltaïque (PV) cellules. Les deux premiers sont principalement utilisés pour générer de la chaleur dans des environnements industriels ou plus grands, tandis que les cellules photovoltaïques sont les principaux éléments dans le des panneaux caractéristiques que vous voyez sur le toit d'une maison solaire, ou parfois dans des champs à côté de sites utilisant l'énergie solaire.

Un panneau solaire exposé à la lumière directe du soleil peut générer jusqu'à 1 000 w/m². La quantité totale de puissance générée est fonction du nombre de cellules PV et du temps d'exposition ainsi que l'angle d'incidence des rayons du soleil, qui sont en moyenne plus directs à des latitudes plus proches de la Terre équateur.

Les cellules photovoltaïques sont facilement identifiables en tant que parties de panneaux solaires, mais elles se trouvent également en miniature dans les calculatrices solaires et autres appareils portables. Ils utilisent le effet photoélectrique, qui est la capacité des photons ("paquets" de lumière) à libérer les électrons des atomes auxquels ils appartiennent. Le flux ultérieur de ces électrons chargés et excités peut être utilisé pour générer de l'électricité pour une utilisation ou un stockage immédiat.

L'élément silicium se prête aux cellules photovoltaïques car il peut être amené à agir comme un isolant, ce qui est un mauvais conducteur d'électricité, ou il peut être amené à agir comme un conducteur, selon les besoins des ingénieurs travaillant avec ça. Cela fait du silicium un semi-conducteur et donc un composant essentiel des cellules photovoltaïques contemporaines.

Surtout, le courant électrique (flux d'électrons) créé par l'énergie solaire et les cellules photovoltaïques est un courant continu (DC). Ceci est en opposition avec le courant alternatif (AC) courant dans la plupart des maisons modernes. Ainsi, un appareil appelé onduleur est disponible pour les propriétaires de maisons solaires ou les enseignants qui cherchent à montrer aux étudiants comment fonctionnent les maisons solaires.

Cela n'a aucun sens de construire une maison solaire si vous ne configurez pas toute la maison pour maximiser l'efficacité énergétique, car l'énergie solaire peut être difficile à obtenir tout le temps, même dans les climats ensoleillés. De toute évidence, la géographie est importante. Les élèves peuvent montrer comment l'angle des panneaux solaires n'est pas orienté vers le haut aux États-Unis, mais plutôt vers le haut et vers le sud; pourquoi cela serait-il et comment cela changerait-il pour une maison solaire dans, disons, le sud de l'Argentine ?

Les maisons solaires sont conçues pour stocker passivement la chaleur grâce à une masse thermique élevée, par exemple, et beaucoup de maçonnerie en pierre. En plus des fenêtres correctement alignées, des couleurs plus foncées doivent être choisies pour tirer le meilleur parti de la masse thermique présente.

Vous pouvez afficher différents styles, tels que le gain direct, dans lequel l'énergie et la puissance collectées circulent du sud, comme des fenêtres orientées au sud, vers le reste de la maison) et un gain indirect grâce à l'utilisation de fonctionnalités telles que les murs Trombe, dans lesquels les espaces entre les murs sont utilisés pour stocker de l'énergie dans le court terme.

Tous ces concepts peuvent être montrés aux enfants de la plupart des âges, et les plus grands peuvent utiliser les informations générales pour se lancer dans leurs propres projets. Construire une cellule photovoltaïque est probablement trop ambitieux pour la plupart; une meilleure idée serait de demander aux élèves d'essayer de trouver, avec l'aide d'Internet et peut-être de leurs parents, combien de cellules photovoltaïques sont utilisées dans les appareils de la maison ou du moins dans des endroits fréquemment vus.

Il est important que les élèves reconnaissent les défis inhérents au stockage de grandes quantités d'énergie électrique, par rapport, par exemple, aux données ou au matériau utilisé dans les centrales nucléaires. Si les batteries pouvaient contenir des quantités presque infinies d'électricité, comment le paysage du monde pourrait-il changer? Les maisons solaires devraient-elles être situées dans des endroits particulièrement ensoleillés ?

En 2019, l'énergie solaire ne représentait qu'environ 1% de l'énergie américaine. D'autre part, en 2017, l'énergie solaire représentait un tiers de toutes les consommations d'énergie « nouvelles », ce qui en fait une industrie en plein essor.

Pendant ce temps, l'énergie éolienne représentait environ 6 pour cent de l'énergie des États-Unis à l'échelle nationale, et on s'attendait à ce qu'elle soit bientôt dépassée à cet égard par énergie hydroélectrique. Pour terminer, biomasse est un autre acteur plus récent dans le jeu des énergies renouvelables; la combustion de matières provenant d'animaux et de plantes morts peut alimenter des turbines, mais est ne pas considéré comme propre.

Ces sources d'énergie devraient devenir de plus en plus populaires à mesure que le fléau à plusieurs volets du changement climatique devient de plus en plus impossible à nier pour les personnes et les gouvernements du monde entier.