Hvordan bygge et solcellehus for et barns prosjekt

Solkraft er en del av en bølge fra det 21. århundre med "rene" eller "grønne" energikilder, det vil si de som ikke avgir produkter fra karbonforbrenning i miljøet i betydelige mengder eller ved alle. Disse energikildene kalles også fornybare, selv om dette kan være forvirrende fordi kjernekraft, selv om den er "ren", ikke er teknisk hentet fra en fornybar energikilde.

Solkraft, vindkraft og økt vekt på geotermisk kraft og vannkraft er alle en del av et stort sett samlet verdensomspennende forsøk på å redusere utslipp av klimagasser som karbondioksid (CO₂) og dermed redusere den forventede virkningen av klimaendringene på den globale sivilisasjonen før slutten av århundret.

En god idé for et vitenskapsprosjekt for barn er å demonstrere den praktiske anvendelsen av fornybar energi ved hjelp av en ekte eller en modell solhus, eller ved å vise en klasse en av arbeidskomponentene i et solfangergitter.

Årsaken til panelene på et solhus er å generere strøm, vanligvis til både strøm og varmt vann. Denne kraften kommer på en eller annen måte fra solen. Men hvordan, akkurat?

Makt i fysikk er energi per tidsenhet, eller tilsvarende, arbeid per tidsenhet. Energi vises i fysikk i mange former, inkludert termisk, gravitasjonspotensial, kinetisk, elektrisk og sonisk; standardenheten er joule (J), ofte uttrykt ekvivalent som newtonmeter (N⋅m). Andre enheter er kalorier, erger og britiske termiske enheter (Btu).

Når energi brukes til å utføre arbeid, for eksempel å drive en elektrisk generator eller aktivere varmespiralene til en varmtvannsprodusent og et reservoar, kalles hastigheten det arbeidet gjøres for. Standardenheten er watt (W) eller J / s. 745,7 W = 1 hestekrefter (hk).

• Når du betaler strømregningen, har du kanskje lagt merke til at forbruksenhetene måles i kilowatt-timer (kW⋅hr). Denne ukonvensjonelle enheten ser ut som kraft, men siden den har kraftenheter multiplisert med tid, er den faktisk energi.

Når du kjører all-out så lenge du kan, som er omtrent et minutt, er du i stand (avhengig av din masse) for å generere omtrent 800 W effekt, eller nær 1 hk - god nok til å beholde en mellomstor mikrobølgeovn går. Men for langvarige former for menneskelig trening, for eksempel å gå eller sykle, er en effekt på 250 til 400 mer typisk.

Solkraft er den mest tilgjengelige og forurensningsfrie energikilden, og er faktisk den ultimate energikilden til alle biologiske prosesser på jorden. Dens primære bruksområder er å generere elektrisitet, generere varme eller begge deler. Solkraft har ikke bare bruk i hjemmet, men også i et økende antall kommersielle og industrielle omgivelser.

Det er tre grunnleggende måter å fange solenergi på: solvarme og kjøling (SHC) applikasjoner, konsentrerende solenergi (CSP) applikasjoner og solceller (PV) celler. De to første brukes hovedsakelig til å generere varme i industrielle eller større omgivelser, mens PV-celler er hovedelementene i karakteristiske matriser du ser på taket til et solhus, eller noen ganger i felt ved siden av steder som bruker solenergi.

Et solcellepanel utsatt for direkte sollys kan generere opptil 1000 w / m². Den totale mengden kraft som genereres er en funksjon av antall PV-celler og eksponeringstid så vel som innfallsvinkelen til solstrålene, som i gjennomsnitt er mer direkte på breddegrader nærmere jordens ekvator.

Fotovoltaiske celler kan lett identifiseres som deler av solcellepaneler, men de finnes også i miniatyr i soldrevne kalkulatorer og andre bærbare enheter. De benytter seg av fotoelektrisk effekt, som er muligheten til fotoner ("pakker" med lys) til å banke elektroner fri for atomene de tilhører. Den påfølgende strømmen av disse ladede og energiske elektronene kan brukes til å generere elektrisitet for øyeblikkelig bruk eller lagring.

Elementet silisium egner seg til PV-celler fordi det kan få seg til å fungere som en isolator, som er dårlig elektrisitetsleder, eller det kan lages til å fungere som en leder, avhengig av behovene til ingeniørene som jobber med det. Dette gjør silisium til en halvleder og dermed en kritisk komponent i moderne PV-celler.

Viktigere er at elektrisk strøm (strøm av elektroner) skapt av solenergi og solceller er likestrøm (DC). Dette er i motsetning til vekselstrømmen (AC) som går inn i de fleste moderne hjem. Dermed kalles en enhet en inverter er tilgjengelig for huseiere eller lærere som ønsker å vise studentene hvordan solenergihjem fungerer.

Det gir ingen mening å bygge et solhjem hvis du ikke setter opp hele huset for å maksimere energieffektiviteten, da solenergi kan være vanskelig å få tak i hele tiden, selv i solrike klima. Det er klart at geografi er viktig. Studentene kan vise hvordan vinkelen på solcellepaneler ikke vender rett opp i USA, men heller opp og mot sør; hvorfor ville dette være, og hvordan ville dette endres for et solhus i for eksempel Sør-Argentina?

Solcellehus er designet for å passivt lagre varme takket være for eksempel høy termisk masse og mye steinmur. I tillegg til riktig justerte vinduer, bør mørkere farger velges for å få mest mulig ut av den termiske massen.

Du kan vise forskjellige stiler, for eksempel direkte gevinst, der den innsamlede energien og kraften strømmer fra sør, for eksempel fra sørvendte vinduer, til resten. av huset) og indirekte gevinst ved bruk av funksjoner som Trombe-vegger, der mellomrom mellom veggene brukes til å lagre energi på kort begrep.

Alle disse konseptene kan vises til barn i de fleste aldre, og de eldre kan bruke den generelle informasjonen til å gå i gang med sine egne prosjekter. Å bygge en solcellecelle er sannsynligvis for ambisiøs for de fleste; en bedre idé ville være å få elevene til å prøve å finne, med hjelp av Internett og kanskje deres foreldre, hvor mange solceller som er i bruk i enheter i hjemmet eller i det minste på ofte sett steder.

Det er viktig for studentene å gjenkjenne utfordringene som ligger i å lagre store mengder elektrisk kraft, sammenlignet med for eksempel data eller materialet som brukes i atomkraftverk. Hvis batterier kunne inneholde nesten uendelige mengder elektrisitet, hvordan kan verdens landskapet endres? Ville solhus måtte trenge å være spesielt solrike steder?

Fra og med 2019 utgjorde solenergi bare 1 prosent av USAs energi. På den annen side utgjorde solenergi i 2017 en tredjedel av alt det "nye" energiforbruket, noe som gjorde det til en næring i vekst.

I mellomtiden, vindkraft utgjorde omtrent 6 prosent av amerikansk energi landsomfattendeog ble forventet å bli forbigått i denne forbindelse snart av hydroelektrisk kraft. Endelig, biomasse er en annen nyere spiller i spillet for fornybare produkter; forbrenning av materiale fra døde dyr og planter kan drive turbiner, men er ikke ansett som ren.

Disse energikildene forventes å bli stadig mer populære ettersom den mangfoldige bane av klimaendringer blir stadig umulig for mennesker og regjeringer over hele verden å nekte.