Jak zbudować model domu słonecznego do projektu dziecięcego

Energia słoneczna jest częścią XXI-wiecznej fali „czystych” lub „zielonych” źródeł energii, czyli takich które nie emitują do środowiska produktów spalania węgla w znacznych ilościach lub co wszystko. Te źródła energii są również nazywane odnawialnymi, chociaż może to być mylące, ponieważ energia jądrowa, choć „czysta”, technicznie nie pochodzi z odnawialnego źródła energii.

Energia słoneczna, energia wiatrowa i zwiększony nacisk na energię geotermalną i hydroelektryczną są częścią w większości skoordynowanych ogólnoświatowych wysiłków na rzecz zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, takich jak dwutlenek węgla (WSPÓŁ₂), a tym samym zmniejszyć spodziewany wpływ zmian klimatycznych na cywilizację globalną przed końcem stulecia.

Świetnym pomysłem na projekt naukowy dla dzieci jest pokazanie praktycznego zastosowania energii odnawialnej za pomocą rzeczywistego lub modelu dom słonecznylub pokazując klasę jednego z działających elementów sieci kolektorów słonecznych.

Powodem, dla którego panele w domu solarnym są generowanie energii, zwykle zarówno dla energii elektrycznej, jak i ciepłej wody. Ta moc w jakiś sposób pochodzi ze słońca. Ale jak dokładnie?

Moc w fizyce jest energia na jednostkę czasulub równoważnie praca w jednostce czasu. Energia występuje w fizyce w wielu postaciach, w tym termicznej, grawitacyjno-potencjałowej, kinetycznej, elektrycznej i dźwiękowej; standardową jednostką jest dżul (J), często wyrażany jako niutonometr (N⋅m). Inne jednostki to kalorie, ergy i brytyjskie jednostki termiczne (Btu).

Kiedy energia jest wykorzystywana do wykonywania pracy, takiej jak zasilanie generatora elektrycznego lub aktywacja cewek grzewczych generatora ciepłej wody i zbiornika, szybkość, z jaką ta praca jest wykonywana, nazywana jest mocą. Standardową jednostką jest wat (W) lub J/s. 745,7 W = 1 KM (KM).

• Kiedy płacisz rachunek za media, mogłeś zauważyć, że jednostki zużycia są mierzone w kilowatogodzin (kW⋅godz.). Ta niekonwencjonalna jednostka wygląda jak moc, ale ponieważ posiada jednostki mocy pomnożone przez czas, to w rzeczywistości jest energią.

Kiedy wyczerpiesz się tak długo, jak możesz, czyli około minuty, jesteś w stanie (w zależności od masy) o mocy ok. 800 W, czyli blisko 1 KM – wystarczająco dobre, by utrzymać średniej wielkości kuchenkę mikrofalową chodzenie. Ale w przypadku długotrwałych form ćwiczeń, takich jak spacery lub jazda na rowerze, wydajność od 250 do 400 jest bardziej typowa.

Energia słoneczna jest najbardziej obfitym i wolnym od zanieczyszczeń źródłem energii, a w rzeczywistości jest ostatecznym źródłem energii wszystkich procesów biologicznych na Ziemi. Jego główne zastosowania to wytwarzanie energii elektrycznej, wytwarzanie ciepła lub jedno i drugie. Energia słoneczna ma zastosowanie nie tylko w domu, ale także w coraz większej liczbie obiektów komercyjnych i przemysłowych.

Istnieją trzy podstawowe sposoby pozyskiwania energii słonecznej: ogrzewanie i chłodzenie słoneczne (SHC) aplikacje, koncentracja energii słonecznej (CSP) aplikacje i fotowoltaiczna (PV) ogniwa. Pierwsze dwa są wykorzystywane głównie do wytwarzania ciepła w warunkach przemysłowych lub większych, podczas gdy ogniwa fotowoltaiczne są głównymi elementami w charakterystyczne tablice, które można zobaczyć na dachu domu słonecznego, a czasem na polach wzdłuż miejsc wykorzystujących energię słoneczną.

Panel słoneczny wystawiony na bezpośrednie działanie promieni słonecznych może generować do 1000 w/m². Całkowita ilość wytworzonej mocy jest funkcją liczby ogniw PV i czasu ekspozycji oraz kąt padania promieni słonecznych, które są średnio bardziej bezpośrednie na szerokościach bliższych Ziemi równik.

Ogniwa fotowoltaiczne można łatwo zidentyfikować jako części paneli słonecznych, ale można je również znaleźć w miniaturze w kalkulatorach zasilanych energią słoneczną i innych urządzeniach przenośnych. Korzystają z efekt fotoelektryczny, czyli zdolność fotonów ("pakietów" światła) do wybijania elektronów z atomów, do których należą. Późniejszy przepływ tych naładowanych i naładowanych elektronów może być wykorzystany do generowania elektryczności do natychmiastowego użycia lub przechowywania.

Krzem nadaje się do ogniw fotowoltaicznych, ponieważ może działać jak izolator, co jest kiepskie przewodnik prądu elektrycznego, lub może być wykonany jako przewodnik, w zależności od potrzeb pracujących inżynierów z tym. To sprawia, że ​​krzem jest półprzewodnikiem, a tym samym krytycznym składnikiem współczesnych ogniw fotowoltaicznych.

Co ważne, prąd elektryczny (przepływ elektronów) wytworzony przez energię słoneczną i ogniwa fotowoltaiczne jest prądem stałym (DC). Jest to sprzeczne z prądem przemiennym (AC) wpadającym do większości nowoczesnych domów. Tak więc urządzenie zwane an falownik jest dostępny dla właścicieli domów solarnych lub nauczycieli, którzy chcą pokazać uczniom, jak działają domy solarne.

Nie ma sensu budować domu słonecznego, jeśli nie ustawisz całego domu tak, aby zmaksymalizować wydajność energetyczną, ponieważ energia słoneczna może być trudna do zdobycia przez cały czas, nawet w słonecznym klimacie. Oczywiście geografia jest ważna. Uczniowie mogą pokazać, jak kąt paneli słonecznych nie jest skierowany w górę w USA, ale raczej w górę i na południe; dlaczego tak by było i jak zmieniłoby się to w przypadku słonecznego domu, powiedzmy, w południowej Argentynie?

Domy solarne są zaprojektowane tak, aby pasywnie magazynować ciepło dzięki np. wysokiej masie termicznej i dużej ilości muru kamiennego. Oprócz odpowiednio wyrównanych okien, należy wybrać ciemniejsze kolory, aby jak najlepiej wykorzystać występującą masę termiczną.

Możesz pokazać różne style, takie jak bezpośredni zysk, w którym zebrana energia i moc przepływają z południa, np. z okien wychodzących na południe, do reszty domu) oraz pośredniego zysku poprzez zastosowanie elementów takich jak ściany Trombe, w których przestrzenie między ścianami są wykorzystywane do magazynowania energii w krótkim semestr.

Wszystkie te koncepcje można pokazać dzieciom w każdym wieku, a starsze mogą wykorzystać ogólne informacje do rozpoczęcia własnych projektów. Budowanie ogniwa fotowoltaicznego jest prawdopodobnie zbyt ambitne dla większości; lepszym pomysłem byłoby, gdyby uczniowie spróbowali dowiedzieć się, z pomocą Internetu i być może ich rodziców, ile ogniw fotowoltaicznych jest używanych w urządzeniach w domu lub przynajmniej w często odwiedzanych miejscach.

Ważne jest, aby studenci rozpoznali wyzwania związane z przechowywaniem dużych ilości energii elektrycznej w porównaniu, powiedzmy, z danymi lub materiałami używanymi w elektrowniach jądrowych. Jeśli baterie mogą pomieścić prawie nieskończone ilości energii elektrycznej, jak może zmienić się krajobraz świata? Czy domy solarne musiałyby znajdować się w szczególnie nasłonecznionych miejscach?

W 2019 roku energia słoneczna stanowiła tylko około 1 procent energii w USA. Z drugiej strony, w 2017 r. energia słoneczna stanowiła jedną trzecią całego „nowego” zużycia energii, co czyni ją rozwijającą się branżą.

W międzyczasie, energia wiatrowa stanowiła około 6 procent energii w USA w całym kraju, i spodziewano się, że wkrótce zostanie wyprzedzony pod tym względem przez energia hydroelektryczna. Wreszcie, biomasa jest kolejnym nowszym graczem w grze o odnawialne źródła energii; spalanie materiału z martwych zwierząt i roślin może napędzać turbiny, ale jest nie uważany za czysty.

Oczekuje się, że te źródła energii staną się coraz bardziej popularne, ponieważ wielu ludzi i rządy na całym świecie nie mogą zaprzeczyć wielotorowej zmory zmian klimatycznych.