Come costruire un modello di casa solare per il progetto di un bambino

L'energia solare fa parte di un'ondata del 21° secolo di fonti energetiche "pulite" o "verdi", cioè quelle che non emettono i prodotti della combustione del carbonio nell'ambiente in quantità significative o a tutti. Queste fonti di energia sono anche chiamate rinnovabili, anche se questo può creare confusione perché l'energia nucleare, sebbene "pulita", non è tecnicamente derivata da una fonte di energia rinnovabile.

L'energia solare, l'energia eolica e una maggiore enfasi sull'energia geotermica e l'energia idroelettrica fanno tutti parte di uno sforzo mondiale per lo più concertato per ridurre le emissioni di gas serra come l'anidride carbonica (CO₂) e ridurre così l'impatto previsto dei cambiamenti climatici sulla civiltà globale entro la fine del secolo.

Un'ottima idea per un progetto scientifico per bambini è dimostrare l'applicazione pratica dell'energia rinnovabile utilizzando un modello reale o un modello casa solare, o mostrando una classe uno dei componenti funzionanti di una griglia di raccolta solare.

Il motivo per cui i pannelli di una casa solare è quello di generare energia, di solito sia per l'elettricità che per l'acqua calda. Questo potere in qualche modo viene dal sole. Ma come, esattamente?

Energia in fisica è energia per unità di tempo, o equivalente, lavoro per unità di tempo. Energia appare in fisica in molte forme, tra cui termica, potenziale gravitazionale, cinetica, elettrica e sonora; l'unità standard è il joule (J), spesso espresso in modo equivalente come newton-metro (N⋅m). Altre unità sono calorie, erg e unità termiche britanniche (Btu).

Quando l'energia viene utilizzata per svolgere un lavoro, come alimentare un generatore elettrico o attivare le serpentine di riscaldamento di un produttore e di un serbatoio di acqua calda, la velocità con cui tale lavoro viene svolto è chiamata potenza. L'unità standard è il watt (W) o J/s. 745,7 W = 1 potenza (CV).

• Quando paghi la bolletta, potresti aver notato che le unità di consumo sono misurate in chilowattora (kW⋅hr). Questa unità non convenzionale sembra potere, ma poiché ha unità di potenza moltiplicate per il tempo, è in realtà energia.

Quando corri il più a lungo possibile, che è circa un minuto, sei in grado (a seconda del tuo massa) di generare circa 800 W di potenza, o vicino a 1 hp - abbastanza buono per mantenere un forno a microonde di medie dimensioni andando. Ma per le forme prolungate di esercizio umano, come camminare o andare in bicicletta, una produzione da 250 a 400 è più tipica.

L'energia solare è la fonte di energia più abbondante e non inquinante disponibile, e infatti è l'ultima fonte di energia di tutti i processi biologici sulla Terra. I suoi usi principali sono per la generazione di elettricità, la generazione di calore o entrambi. L'energia solare ha usi non solo in casa, ma anche in un numero crescente di ambienti commerciali e industriali.

Ci sono tre modi fondamentali per catturare l'energia solare: riscaldamento e raffrescamento solare (SHC) applicazioni, energia solare a concentrazione (CSP) applicazioni e fotovoltaico (PV) cellule. I primi due sono utilizzati principalmente per generare calore in ambienti industriali o più grandi, mentre le celle fotovoltaiche sono gli elementi principali nel caratteristici array che vedi sul tetto di una casa solare, o talvolta nei campi accanto a siti che utilizzano l'energia solare.

Un pannello solare esposto alla luce solare diretta può generare fino a 1.000 w/m². La quantità totale di energia generata è una funzione del numero di celle fotovoltaiche e del tempo di esposizione, nonché l'angolo di incidenza dei raggi solari, che mediamente sono più diretti alle latitudini più vicine a quella terrestre equatore.

Le celle fotovoltaiche sono facilmente identificabili come parti di pannelli solari, ma si trovano anche in miniatura nei calcolatori a energia solare e in altri dispositivi portatili. Fanno uso del effetto fotoelettrico, che è la capacità dei fotoni ("pacchetti" di luce) di liberare gli elettroni dagli atomi a cui appartengono. Il flusso successivo di questi elettroni carichi ed energizzati può essere utilizzato per generare elettricità per l'uso o lo stoccaggio immediati.

L'elemento silicio si presta alle celle fotovoltaiche perché può essere fatto agire come un isolante, il che è un pessimo conduttore di elettricità, oppure può essere fatto agire come un conduttore, a seconda delle esigenze degli ingegneri che lavorano con esso. Questo rende il silicio un semiconduttore e quindi un componente critico delle celle fotovoltaiche contemporanee.

È importante sottolineare che corrente elettrica (flusso di elettroni) creato dall'energia solare e dalle celle fotovoltaiche è in corrente continua (CC). Questo è in opposizione alla corrente alternata (AC) che scorre nella maggior parte delle case moderne. Quindi un dispositivo chiamato an inverter è disponibile per i proprietari di case solari o gli insegnanti che desiderano mostrare agli studenti come funzionano le case solari.

Non ha senso costruire una casa solare se non si imposta l'intera casa per massimizzare l'efficienza energetica, poiché l'energia solare può essere difficile da ottenere tutto il tempo anche in climi soleggiati. Chiaramente, la geografia è importante. Gli studenti possono mostrare come l'angolo dei pannelli solari non sia rivolto verso l'alto negli Stati Uniti, ma piuttosto verso l'alto e verso sud; perché dovrebbe essere e come cambierebbe questo per una casa solare, diciamo, nel sud dell'Argentina?

Le case solari sono progettate per immagazzinare passivamente il calore grazie ad un'elevata massa termica, ad esempio, e molta muratura in pietra. Oltre alle finestre correttamente allineate, andrebbero scelti colori più scuri per sfruttare al meglio la massa termica presente.

Puoi mostrare stili diversi, come il guadagno diretto, in cui l'energia e la potenza raccolte fluiscono da sud, ad esempio dalle finestre rivolte a sud, al resto della casa) e guadagno indiretto attraverso l'uso di elementi come le pareti Trombe, in cui gli spazi tra le pareti vengono utilizzati per immagazzinare energia nel breve termine.

Tutti questi concetti possono essere mostrati ai bambini della maggior parte delle età e i più grandi possono utilizzare le informazioni generali per intraprendere i propri progetti. Costruire una cella FV è probabilmente troppo ambizioso per la maggior parte; un'idea migliore sarebbe quella di far provare agli studenti, con l'aiuto di Internet e forse dei loro genitori, quante celle fotovoltaiche sono in uso nei dispositivi di casa o almeno in luoghi frequentati di frequente.

È importante che gli studenti riconoscano le sfide insite nell'immagazzinare grandi quantità di energia elettrica, rispetto, ad esempio, ai dati o al materiale utilizzato nelle centrali nucleari. Se le batterie potessero contenere quantità quasi infinite di elettricità, come potrebbe cambiare il panorama del mondo? Le case solari dovrebbero essere in luoghi particolarmente soleggiati?

A partire dal 2019, l'energia solare rappresentava solo l'1% circa dell'energia degli Stati Uniti. D'altra parte, nel 2017, l'energia solare ha rappresentato un terzo di tutto il consumo di energia "nuova", rendendola un'industria in crescita.

Nel frattempo, l'energia eolica rappresentava circa il 6% dell'energia degli Stati Uniti a livello nazionale, e ci si aspettava di essere presto superato in questo senso da energia idroelettrica. Finalmente, biomassa è un altro giocatore più recente nel gioco delle energie rinnovabili; la combustione di materiale proveniente da animali e piante morti può azionare le turbine, ma è non considerato pulito.

Si prevede che queste fonti di energia diventeranno sempre più popolari poiché la rovina su più fronti del cambiamento climatico diventa sempre più impossibile da negare per le persone e i governi di tutto il mondo.