Zonne-energie maakt deel uit van een 21e-eeuwse golf van "schone" of "groene" energiebronnen, dat wil zeggen: die de producten van koolstofverbranding niet in significante hoeveelheden of bij alle. Deze energiebronnen worden ook wel hernieuwbare energie genoemd, hoewel dit verwarrend kan zijn omdat kernenergie, hoewel 'schoon', technisch gezien niet is afgeleid van een hernieuwbare energiebron.
Zonne-energie, windenergie en een grotere nadruk op geothermische energie en waterkracht maken allemaal deel uit van een grotendeels gecoördineerde wereldwijde inspanning om de uitstoot van broeikasgassen zoals koolstofdioxide te verminderen (CO2) en zo de verwachte impact van klimaatverandering op de mondiale beschaving voor het einde van de eeuw te verminderen.
Een geweldig idee voor een wetenschappelijk project voor kinderen is het demonstreren van de praktische toepassing van hernieuwbare energie met behulp van een reële of model zonne huis, of door een klasse een van de werkende componenten van een zonnecollectorrooster te laten zien.
Wat is "kracht" in de natuurkunde?
De reden voor de panelen op een zonnehuis is om stroom op te wekken, meestal voor zowel elektriciteit als warm water. Deze kracht komt op de een of andere manier van de zon. Maar hoe precies?
Vermogen in de natuurkunde is energie per tijdseenheid, of gelijkwaardig, werk per tijdseenheid. Energie verschijnt in de natuurkunde in vele vormen, waaronder thermisch, zwaartekracht-potentieel, kinetisch, elektrisch en sonisch; de standaardeenheid is de joule (J), vaak equivalent uitgedrukt als de newtonmeter (N⋅m). Andere eenheden zijn calorieën, ergs en Britse thermische eenheden (Btu).
Wanneer energie wordt gebruikt om werk te doen, zoals het aandrijven van een elektrische generator of het activeren van de verwarmingsspiralen van een warmwaterproducent en -reservoir, wordt de snelheid waarmee dat werk wordt gedaan, vermogen genoemd. De standaardeenheid is de watt (W) of J/s. 745,7 W = 1 pk (pk).
- Wanneer u uw energierekening betaalt, is het u misschien opgevallen dat de verbruikseenheden worden gemeten in kilowattuur (kW⋅hr). Deze onconventionele eenheid ziet eruit als kracht, maar omdat er eenheden van kracht zijn vermenigvuldigd met de tijd, is het in feite energie.
Als je zo lang mogelijk voluit rent, wat ongeveer een minuut is, ben je in staat (afhankelijk van je massa) met een vermogen van ongeveer 800 W, of bijna 1 pk – goed genoeg om een middelgrote magnetron te behouden gaan. Maar voor langdurige vormen van menselijke inspanning, zoals wandelen of fietsen, is een output van 250 tot 400 meer typerend.
Overzicht van zonne-energie
Zonne-energie is de meest overvloedige en vrij van vervuiling beschikbare energiebron, en in feite de ultieme energiebron van alle biologische processen op aarde. De primaire toepassingen zijn voor het opwekken van elektriciteit, het opwekken van warmte of beide. Zonne-energie wordt niet alleen thuis gebruikt, maar ook in een toenemend aantal commerciële en industriële omgevingen.
Er zijn drie basismanieren om zonne-energie op te vangen: zonneverwarming en -koeling (SHC) toepassingen, zonne-energie concentreren (CSP) applicaties en fotovoltaïsch (PV) cellen. De eerste twee worden voornamelijk gebruikt om warmte op te wekken in industriële of grotere omgevingen, terwijl PV-cellen de belangrijkste elementen zijn in de karakteristieke arrays die je ziet op het dak van een zonnehuis, of soms in velden langs plekken die gebruik maken van zonne-energie.
Een zonnepaneel dat wordt blootgesteld aan direct zonlicht kan tot 1.000 w/m. genereren2. De totale hoeveelheid opgewekte stroom is een functie van het aantal PV-cellen en de tijd van blootstelling, evenals: de invalshoek van de zonnestralen, die gemiddeld directer zijn op breedtegraden dichter bij de aarde evenaar.
De fotovoltaïsche (PV) cel
Fotovoltaïsche cellen zijn gemakkelijk te herkennen als onderdelen van zonnepanelen, maar ze worden ook in miniatuur aangetroffen in rekenmachines op zonne-energie en andere draagbare apparaten. Ze maken gebruik van de fotoëlektrisch effect, wat het vermogen is van fotonen ("pakketten" licht) om elektronen los te maken van de atomen waartoe ze behoren. De daaropvolgende stroom van deze geladen en geactiveerde elektronen kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken voor onmiddellijk gebruik of opslag.
Het element silicium leent zich voor PV-cellen omdat het kan worden gemaakt om als een isolator te werken, wat een slechte geleider van elektriciteit, of het kan worden gemaakt om als een geleider te werken, afhankelijk van de behoeften van de ingenieurs die aan het werk zijn ermee. Dit maakt silicium tot een halfgeleider en dus een cruciaal onderdeel van hedendaagse PV-cellen.
Belangrijk is dat de elektrische stroom (elektronenstroom) gecreëerd door zonne-energie en PV-cellen is gelijkstroom (DC). Dit in tegenstelling tot de wisselstroom (AC) die in de meeste moderne huizen voorkomt. Dus een apparaat genaamd an omvormer is beschikbaar voor eigenaren van zonne-huizen of docenten die studenten willen laten zien hoe zonne-huizen werken.
Het passieve zonnehuis
Het heeft geen zin om een huis op zonne-energie te bouwen als u niet het hele huis instelt om de energie-efficiëntie te maximaliseren, aangezien zonne-energie moeilijk te verkrijgen kan zijn, zelfs in zonnige klimaten. Het is duidelijk dat geografie belangrijk is. Studenten kunnen laten zien hoe de hoek van zonnepanelen in de VS niet recht omhoog staat, maar juist omhoog en naar het zuiden; waarom zou dit zijn, en hoe zou dit veranderen voor een zonne-huis in, laten we zeggen, Zuid-Argentinië?
Zonnewoningen zijn ontworpen om warmte passief op te slaan dankzij bijvoorbeeld een hoge thermische massa en veel metselwerk. Naast goed uitgelijnde ramen, moeten donkere kleuren worden gekozen om het meeste uit de aanwezige thermische massa te halen.
U kunt verschillende stijlen laten zien, zoals directe winst, waarbij de verzamelde energie en kracht vanuit het zuiden, zoals van op het zuiden gerichte ramen, naar de rest vloeien van het huis) en indirecte winst door het gebruik van functies zoals Trombe-wanden, waarbij ruimtes tussen de muren worden gebruikt om energie op te slaan in de korte termijn.
Zonne-energiedemonstraties voor kinderen
Al deze concepten kunnen aan kinderen van de meeste leeftijden worden getoond, en de ouderen kunnen de algemene informatie gebruiken om aan hun eigen projecten te beginnen. Het bouwen van een PV-cel is voor de meesten waarschijnlijk te ambitieus; een beter idee zou zijn om leerlingen met behulp van internet en misschien hun ouders te laten proberen te achterhalen hoeveel PV-cellen er in apparaten in huis of in ieder geval op veel voorkomende plaatsen in gebruik zijn.
Het is belangrijk dat studenten de uitdagingen herkennen die inherent zijn aan het opslaan van grote hoeveelheden elektrische energie, in vergelijking met bijvoorbeeld gegevens of het materiaal dat in kerncentrales wordt gebruikt. Als batterijen bijna oneindige hoeveelheden elektriciteit zouden kunnen bevatten, hoe zou het landschap van de wereld dan kunnen veranderen? Moeten zonnehuizen op bijzonder zonnige plekken komen te staan?
Zonne-energie en hernieuwbare energie in de 21e eeuw
Vanaf 2019 vertegenwoordigde zonne-energie slechts ongeveer 1 procent van de Amerikaanse energie. Aan de andere kant was zonne-energie in 2017 goed voor een derde van al het "nieuwe" energieverbruik, waardoor het een industrie in opkomst is.
Ondertussen, windenergie was goed voor ongeveer 6 procent van de Amerikaanse energie in het hele land, en werd naar verwachting in dit opzicht binnenkort ingehaald door waterkracht. Tenslotte, biomassa is een andere nieuwere speler in het spel van hernieuwbare energie; het verbranden van materiaal van dode dieren en planten kan turbines aandrijven, maar is niet als schoon beschouwd.
Deze energiebronnen zullen naar verwachting steeds populairder worden, aangezien de veelomvattende vloek van klimaatverandering voor mensen en regeringen over de hele wereld steeds onmogelijker wordt om te ontkennen.