Saulės energija yra XXI amžiaus „švarių“ arba „žalių“ energijos šaltinių, tai yra, šaltinių dalis kurie neišskiria anglies degimo produktų į aplinką dideliais kiekiais arba ne daugiau visi. Šie energijos šaltiniai taip pat vadinami atsinaujinančiais energijos šaltiniais, nors tai gali būti painu, nes branduolinė energija, nors ir yra „švari“, techniškai nėra gaunama iš atsinaujinančių energijos šaltinių.
Saulės energija, vėjo energija ir didesnis dėmesys geoterminei energijai ir hidroelektrinei yra visa tai bendromis pastangomis visame pasaulyje sumažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų, tokių kaip anglies dioksidas, išmetimą (CO2) ir taip sumažinti numatomą klimato kaitos poveikį pasaulinei civilizacijai iki amžiaus pabaigos.
Puiki idėja vaikų moksliniam projektui yra praktinio atsinaujinančios energijos naudojimo demonstravimas naudojant realųjį modelį saulės namasarba parodydami klasę vieną iš veikiančių saulės kolektorių tinklo komponentų.
Kas yra „jėga“ fizikoje?
Saulės namo plokščių priežastis yra elektros energijos gamyba, paprastai tiek elektros, tiek karšto vandens. Ši galia kažkodėl kyla iš saulės. Bet kaip tiksliai?
Galia fizikoje yra energijos per laiko vienetąarba lygiavertis darbas per laiko vienetą. Energija fizikoje pasirodo įvairios formos, įskaitant šiluminį, gravitacinį potencialą, kinetinį, elektrinį ir garsinį; standartinis vienetas yra džaulis (J), dažnai išreiškiamas lygiaverčiai kaip niutonmetras (N⋅m). Kiti vienetai yra kalorijos, ergai ir Didžiosios Britanijos šiluminiai vienetai (BTU).
Kai energija naudojama darbui atlikti, pavyzdžiui, elektros generatoriui maitinti arba įjungti karšto vandens gamintojo ir rezervuaro šildymo gyvatukus, to darbo greitis vadinamas galia. Standartinis vienetas yra vatų (W) arba J / s. 745,7 W = 1 arklio galia (AG).
- Mokėdami komunalinių paslaugų sąskaitą, galbūt pastebėjote, kad vartojimo vienetai matuojami kilovatvalandžių (kW⋅hr). Šis netradicinis vienetas atrodo kaip galia, tačiau kadangi jis turi galios vienetus, padaugintus iš laiko, tai iš tikrųjų yra energija.
Kai viską paleisite tiek laiko, kiek galite, tai yra apie minutę, jūs galėsite (priklausomai nuo jūsų masės), generuojančios apie 800 W galios arba beveik 1 AG - pakankamai geros, kad išlaikytų vidutinio dydžio mikrobangų krosnelę vyksta. Tačiau užsitęsusioms žmogaus mankštos formoms, tokioms kaip vaikščiojimas ar važiavimas dviračiu, tipiškesnė yra 250–400.
Saulės energijos apžvalga
Saulės energija yra gausiausias ir be taršos energijos šaltinis, kuris iš tikrųjų yra visų biologinių procesų Žemėje energijos šaltinis. Pagrindinis jo panaudojimas yra elektros energija, šiluma arba abu. Saulės energija naudojama ne tik namuose, bet ir vis daugiau komercinių ir pramoninių aplinkų.
Yra trys pagrindiniai saulės energijos gavimo būdai: saulės šildymas ir vėsinimas (SHC) programos, sutelkiant saulės energiją (CSP) programos ir fotoelektros (PV) ląstelės. Pirmieji du yra naudojami daugiausia šilumai gaminti pramoninėse ar didesnėse patalpose, o PV elementai yra pagrindiniai elementai būdingų masyvų, kuriuos matote ant saulės namo stogo arba kartais laukuose šalia vietų, kuriose naudojama saulės energija.
Saulės skydelis, veikiamas tiesioginių saulės spindulių, gali generuoti iki 1000 w / m2. Bendras generuojamos energijos kiekis priklauso nuo PV elementų skaičiaus ir poveikio laiko, taip pat saulės spindulių, kurie vidutiniškai yra tiesesni platumose, artimesnėse Žemei, patekimo kampas pusiaujas.
Fotoelektros elementas
Fotoelektros elementai yra lengvai atpažįstami kaip saulės baterijų dalys, tačiau miniatiūrinių jų yra ir saulės energiją naudojančiuose skaičiuotuvuose ir kituose nešiojamuosiuose įrenginiuose. Jie naudojasi fotoelektrinis efektas, kuri yra fotonų (šviesos „paketų“) galimybė išmušti elektronus iš atomų, kuriems jie priklauso. Vėlesnis šių įkrautų ir įtampą turinčių elektronų srautas gali būti naudojamas elektros energijai gaminti, kad būtų galima nedelsiant jas panaudoti ar laikyti.
Elementas silicis pasiskirsto PV elementams, nes jis gali būti priverstas veikti kaip izoliatorius, kuris yra prastas elektros laidininkas, arba jis gali būti priverstas veikti kaip laidininkas, atsižvelgiant į dirbančių inžinierių poreikius su tuo. Tai paverčia silicį puslaidininkiu, taigi ir kritiniu šiuolaikinių PV elementų komponentu.
Svarbu tai, kad elektros srovė (elektronų srautas), kurį sukuria saulės energija ir PV elementai, yra nuolatinė srovė (DC). Tai prieštarauja kintamosios srovės (AC) patekimui į daugumą šiuolaikinių namų. Taigi prietaisas, vadinamas inverteris gali naudotis saulės namų savininkai ar mokytojai, norintys parodyti studentams, kaip veikia saulės namai.
Pasyvus saulės namas
Nėra prasmės statyti saulės namo, jei nenustatysite viso namo, kad maksimaliai padidintumėte energijos vartojimo efektyvumą, nes saulės energiją gali būti sunku gauti net ir saulėtame klimate. Akivaizdu, kad geografija yra svarbi. Studentai gali parodyti, kaip saulės kolektorių kampas JAV nėra nukreiptas tiesiai į viršų, o į viršų ir į pietus; kodėl taip būtų ir kaip tai pasikeistų saulės namams, tarkime, Pietų Argentinoje?
Saulės namai yra suprojektuoti pasyviai kaupti šilumą dėl, pavyzdžiui, didelės šiluminės masės ir daugybės akmens mūro. Be tinkamai sulygiuotų langų, reikėtų pasirinkti tamsesnes spalvas, kad būtų kuo geriau išnaudota esama šiluminė masė.
Galite parodyti skirtingus stilius, pvz., Tiesioginį pelną, kai surinkta energija ir galia teka iš pietų, pvz., Iš į pietus nukreiptų langų, į likusius namo) ir netiesioginį pelną, naudojant tokias funkcijas kaip „Trombe“ sienos, kuriose tarp sienų naudojamos erdvės energijai kaupti per trumpą laiką terminas.
Saulės energijos demonstracijos vaikams
Visas šias sąvokas galima parodyti daugelio amžiaus vaikams, o vyresnieji gali naudoti bendrą informaciją, kad galėtų pradėti savo projektus. Pastatyti fotoelementą tikriausiai daugeliui yra per daug ambicinga; geresnė mintis būtų, kad studentai, naudodamiesi internetu ir galbūt jų tėvais, bandytų surasti, kiek PV elementų yra naudojama namuose esančiuose įrenginiuose ar bent jau dažnai matomose vietose.
Studentams svarbu suvokti iššūkius, susijusius su didelių elektros energijos kiekių kaupimu, palyginti su, tarkime, duomenimis ar atominėse elektrinėse naudojama medžiaga. Jei baterijos galėtų talpinti beveik begalinį kiekį elektros energijos, kaip galėtų pasikeisti pasaulio kraštovaizdis? Ar saulės namai turėtų būti ypač saulėtose vietose?
Saulės ir atsinaujinanti energija XXI amžiuje
Nuo 2019 m. Saulės energija sudarė tik apie 1 procentą JAV energijos. Kita vertus, 2017 m. Saulės energija sudarė trečdalį visų „naujos“ energijos sąnaudų, todėl tai tapo augančios pramonės šaka.
Tuo tarpu vėjo energija sudarė apie 6 procentus visos šalies energijos, ir tikėtasi, kad šiuo klausimu netrukus bus aplenktas hidroelektrinė. Pagaliau, biomasė yra dar vienas naujesnis žaidėjas atsinaujinančių energijos šaltinių žaidime; deginant medžiagą iš negyvų gyvūnų ir augalų, gali būti varomos turbinos, tačiau yra ne laikoma švaria.
Manoma, kad šie energijos šaltiniai taps vis populiaresni, nes daugelio klimato kaitos kliūčių žmonėms ir vyriausybėms iš viso pasaulio neįmanoma paneigti.