Como construir uma casa solar modelo para um projeto infantil

A energia solar faz parte de uma onda de fontes de energia "limpas" ou "verdes" do século 21, ou seja, aquelas que não emitem os produtos da combustão do carbono no meio ambiente em quantidades significativas ou em tudo. Essas fontes de energia também são chamadas de renováveis, embora isso possa ser confuso porque a energia nuclear, embora "limpa", não é tecnicamente derivada de uma fonte de energia renovável.

Energia solar, energia eólica e uma maior ênfase na energia geotérmica e energia hidrelétrica fazem parte de um esforço mundial principalmente concertado para reduzir a emissão de gases de efeito estufa, como o dióxido de carbono (CO₂) e, assim, reduzir o impacto esperado das mudanças climáticas na civilização global antes do final do século.

Uma ótima ideia para um projeto de ciências para crianças é demonstrar a aplicação prática de energias renováveis ​​usando um modelo real ou casa solar, ou mostrando a uma classe um dos componentes de trabalho de uma grade de coleta solar.

A razão dos painéis em uma casa solar é para gerar energia, geralmente tanto para eletricidade quanto para água quente. Esse poder de alguma forma vem do sol. Mas como, exatamente?

Poder na física é energia por unidade de tempo, ou equivalentemente, trabalho por unidade de tempo. Energia aparece na física em muitas formas, incluindo térmica, potencial gravitacional, cinética, elétrica e sônica; a unidade padrão é o joule (J), freqüentemente expresso de forma equivalente ao newton-metro (N⋅m). Outras unidades são calorias, ergs e unidades térmicas britânicas (Btu).

Quando a energia é usada para fazer o trabalho, como alimentar um gerador elétrico ou ativar as bobinas de aquecimento de um produtor e reservatório de água quente, a taxa em que esse trabalho é feito é chamada de energia. A unidade padrão é o watt (W) ou J / s. 745,7 W = 1 cavalo-vapor (HP).

• Ao pagar sua conta de luz, você deve ter notado que as unidades de consumo são medidas em quilowatt-hora (kW⋅hr). Esta unidade não convencional parece potência, mas como tem unidades de potência multiplicadas pelo tempo, é na verdade energia.

Quando você corre o máximo que pode, que é cerca de um minuto, você é capaz (dependendo do seu massa) de gerar cerca de 800 W de potência, ou perto de 1 hp - bom o suficiente para manter um forno de micro-ondas de médio porte indo. Mas para formas prolongadas de exercícios humanos, como caminhar ou andar de bicicleta, uma produção de 250 a 400 é mais comum.

A energia solar é a fonte de energia mais abundante e livre de poluição disponível e, de fato, é a última fonte de energia de todos os processos biológicos da Terra. Seus principais usos são para geração de eletricidade, geração de calor ou ambos. A energia solar tem uso não apenas em casa, mas também em um número crescente de ambientes comerciais e industriais.

Existem três maneiras básicas de capturar energia solar: aquecimento e resfriamento solar (SHC) aplicativos, concentrando energia solar (CSP) aplicativos e fotovoltaico (PV) células. Os dois primeiros são usados ​​principalmente para gerar calor em ambientes industriais ou maiores, enquanto as células fotovoltaicas são os principais elementos no arranjos característicos que você vê no telhado de uma casa solar, ou às vezes em campos ao lado de locais que fazem uso de energia solar.

Um painel solar exposto à luz solar direta pode gerar até 1.000 w / m². A quantidade total de energia gerada é uma função do número de células PV e do tempo de exposição, bem como o ângulo de incidência dos raios solares, que em média são mais diretos em latitudes mais próximas da Terra equador.

As células fotovoltaicas são facilmente identificáveis ​​como partes de painéis solares, mas também são encontradas em miniatura em calculadoras movidas a energia solar e outros dispositivos portáteis. Eles fazem uso do efeito fotoelétrico, que é a capacidade dos fótons ("pacotes" de luz) de liberar os elétrons dos átomos aos quais pertencem. O fluxo subsequente desses elétrons carregados e energizados pode ser usado para gerar eletricidade para uso ou armazenamento imediato.

O elemento silício se presta às células fotovoltaicas porque pode ser feito para agir como um isolante, o que é um condutor de eletricidade, ou pode ser feito para agir como um condutor, dependendo das necessidades dos engenheiros que trabalham com isso. Isso torna o silício um semicondutor e, portanto, um componente crítico das células fotovoltaicas contemporâneas.

É importante ressaltar que corrente elétrica (fluxo de elétrons) criado pela energia solar e células fotovoltaicas é corrente contínua (DC). Isso se opõe à corrente alternada (CA) que entra na maioria das casas modernas. Assim, um dispositivo chamado de inversor está disponível para proprietários de casas solares ou professores que procuram mostrar aos alunos como funcionam as casas solares.

Não faz sentido construir uma casa solar se você não configurar toda a casa para maximizar a eficiência energética, pois a energia solar pode ser difícil de obter o tempo todo, mesmo em climas ensolarados. Claramente, a geografia é importante. Os alunos podem mostrar como o ângulo dos painéis solares não fica voltado para cima nos EUA, mas sim para cima e para o sul; por que isso seria, e como isso mudaria para uma casa solar, digamos, no sul da Argentina?

As casas solares são projetadas para armazenar calor passivamente graças à alta massa térmica, por exemplo, e muita alvenaria de pedra. Além de janelas devidamente alinhadas, cores mais escuras devem ser escolhidas para aproveitar ao máximo a massa térmica presente.

Você pode mostrar estilos diferentes, como o ganho direto, no qual a energia coletada e a potência fluem do sul, como das janelas voltadas para o sul, para o resto da casa) e ganho indireto com o uso de recursos como as paredes do Trombe, em que os espaços entre as paredes são usados ​​para armazenar energia no curto prazo.

Todos esses conceitos podem ser mostrados a crianças de muitas idades, e os mais velhos podem usar as informações gerais para embarcar em seus próprios projetos. Construir uma célula fotovoltaica é provavelmente muito ambicioso para a maioria; uma ideia melhor seria fazer com que os alunos tentassem descobrir, com a ajuda da Internet e talvez de seus pais, quantas células FV estão em uso em dispositivos em casa ou, pelo menos, em locais vistos com frequência.

É importante que os alunos reconheçam os desafios inerentes ao armazenamento de grandes quantidades de energia elétrica, em comparação com, digamos, dados ou o material usado em usinas nucleares. Se as baterias pudessem conter quantidades quase infinitas de eletricidade, como a paisagem do mundo poderia mudar? As casas solares precisam estar em lugares especialmente ensolarados?

Em 2019, a energia solar respondia por apenas 1 por cento ou mais da energia dos EUA. Por outro lado, em 2017, a energia solar representou um terço de todo o consumo de energia "nova", tornando-se uma indústria em ascensão.

Enquanto isso, a energia eólica foi responsável por cerca de 6 por cento da energia dos EUA em todo o país, e era esperado que fosse ultrapassado a este respeito em breve por energia hidroelétrica. Finalmente, biomassa é outro jogador mais novo no jogo das energias renováveis; a queima de material de plantas e animais mortos pode alimentar turbinas, mas é não considerado limpo.

Espera-se que essas fontes de energia se tornem cada vez mais populares à medida que a maldição multifacetada da mudança climática se torna cada vez mais impossível para as pessoas e governos em todo o mundo negar.