Cum să construiești o casă solară model pentru un proiect pentru copii

Energia solară face parte dintr-un val din secolul 21 de surse de energie „curate” sau „verzi”, adică acelea care nu emit produsele de ardere a carbonului în mediu în cantități semnificative sau la toate. Aceste surse de energie sunt numite și regenerabile, deși acest lucru poate fi confuz, deoarece energia nucleară, deși este „curată”, nu este derivată din punct de vedere tehnic dintr-o sursă de energie regenerabilă.

Energia solară, eoliană și un accent sporit asupra energiei geotermale și hidroelectrice fac parte din toate acestea a unui efort global concertat la nivel mondial de reducere a emisiilor de gaze cu efect de seră precum dioxidul de carbon (CO₂) și astfel să reducă impactul așteptat al schimbărilor climatice asupra civilizației globale înainte de sfârșitul secolului.

O idee minunată pentru un proiect științific pentru copii este demonstrarea aplicării practice a energiei regenerabile folosind un real sau un model casă solară, sau prin afișarea unei clase una dintre componentele de lucru ale unei rețele solare de colectare.

Motivul pentru care panourile unei case solare este generarea de energie, de obicei atât pentru electricitate, cât și pentru apă caldă. Această putere vine cumva de la soare. Dar cum, mai exact?

Putere în fizică este energie pe unitate de timp, sau echivalent, lucru pe unitate de timp. Energie apare în fizică sub mai multe forme, inclusiv termice, potențial gravitațional, cinetic, electric și sonic; unitatea standard este joulul (J), adesea exprimat echivalent ca newton-metru (N⋅m). Alte unități sunt caloriile, ergurile și unitățile termice britanice (Btu).

Atunci când energia este utilizată pentru a funcționa, cum ar fi alimentarea unui generator electric sau activarea bobinelor de încălzire ale unui producător și rezervor de apă caldă, viteza la care se face acea lucrare se numește putere. Unitatea standard este watt (W) sau J / s. 745,7 W = 1 cai putere (CP).

• Când plătiți factura de utilități, este posibil să fi observat că unitățile de consum sunt măsurate în kilowați-oră (kW⋅hr). Această unitate neconvențională arată ca puterea, dar, din moment ce are unități de putere înmulțite cu timpul, este de fapt energie.

Când rulați tot timpul cât puteți, adică aproximativ un minut, sunteți capabil (în funcție de masă) de aproximativ 800 W putere sau aproape 1 CP - suficient de bun pentru a păstra un cuptor cu microunde de dimensiuni medii mergând. Dar pentru formele prelungite de exerciții umane, cum ar fi mersul pe jos sau cu bicicleta, o ieșire de la 250 la 400 este mai tipică.

Energia solară este cea mai abundentă și fără poluare sursă de energie disponibilă și, de fapt, este sursa finală de energie a tuturor proceselor biologice de pe Pământ. Utilizările sale principale sunt pentru generarea de electricitate, generarea de căldură sau ambele. Energia solară are utilizări nu numai în casă, ci și într-un număr tot mai mare de condiții comerciale și industriale.

Există trei moduri de bază de captare a energiei solare: încălzire și răcire solară (SHC), concentrând energia solară (CSP) și aplicații fotovoltaic (PV) celule. Primele două sunt utilizate în principal pentru a genera căldură în condiții industriale sau mai mari, în timp ce celulele fotovoltaice sunt elementele principale din tablouri caracteristice pe care le vedeți pe acoperișul unei case solare sau, uneori, pe câmpuri alături de site-uri care folosesc energia solară.

Un panou solar expus razelor solare directe poate genera până la 1.000 w / m². Cantitatea totală de energie generată este o funcție a numărului de celule fotovoltaice și a timpului de expunere, precum și unghiul de incidență al razelor solare, care în medie sunt mai directe la latitudini mai apropiate de cele ale Pământului ecuator.

Celulele fotovoltaice sunt ușor identificabile ca părți ale panourilor solare, dar se găsesc și în miniatură în calculatoarele cu energie solară și alte dispozitive portabile. Folosesc efect fotoelectric, care este capacitatea fotonilor („pachetele” de lumină) de a elibera electronii de atomii cărora le aparțin. Fluxul ulterior al acestor electroni încărcați și energizați poate fi utilizat pentru a genera electricitate pentru utilizare imediată sau stocare.

Elementul siliciu se împrumută celulelor fotovoltaice, deoarece poate fi făcut să acționeze ca un izolator, care este slab sau poate fi făcut să acționeze ca un conductor, în funcție de nevoile inginerilor care lucrează Cu acesta. Acest lucru face din siliciu un semiconductor și, prin urmare, o componentă critică a celulelor fotovoltaice contemporane.

Foarte important, curent electric (fluxul de electroni) creat de energia solară și celulele PV este curent continuu (DC). Acest lucru este în opoziție cu curentul alternativ (AC) care trece în cele mai multe case moderne. Astfel, un dispozitiv numit invertor este disponibil proprietarilor de case solare sau profesorilor care doresc să le arate elevilor cum funcționează casele solare.

Nu are sens să construiești o casă solară dacă nu amenajezi întreaga casă pentru a maximiza eficiența energetică, deoarece energia solară poate fi greu de găsit tot timpul chiar și în climatul însorit. În mod clar, geografia este importantă. Elevii pot arăta cum unghiul panourilor solare nu este orientat în sus în SUA, ci mai degrabă în sus și spre sud; de ce ar fi acest lucru și cum s-ar schimba acest lucru pentru o casă solară din, să zicem, sudul Argentinei?

Casele solare sunt proiectate pentru a stoca pasiv căldura datorită, de exemplu, a unei mase termice ridicate și a multor zidării de piatră. În plus față de ferestrele aliniate corespunzător, ar trebui alese culori mai închise pentru a profita la maximum de masa termică prezentă.

Puteți afișa diferite stiluri, cum ar fi câștigul direct, în care energia colectată și puterea curg din sud, cum ar fi de la ferestrele orientate spre sud, către restul a casei) și câștiguri indirecte prin utilizarea unor caracteristici precum pereții Trombe, în care spațiile dintre pereți sunt folosite pentru a stoca energie pe scurt termen.

Toate aceste concepte pot fi prezentate copiilor de cele mai multe vârste, iar cei mai în vârstă pot folosi informațiile generale pentru a se angaja în propriile lor proiecte. Construirea unei celule PV este probabil prea ambițioasă pentru majoritatea; o idee mai bună ar fi ca elevii să încerce să găsească, cu ajutorul internetului și poate al părinților lor, câte celule fotovoltaice sunt utilizate în dispozitivele de acasă sau cel puțin în locurile frecvent văzute.

Este important ca elevii să recunoască provocările inerente stocării unor cantități mari de energie electrică, în comparație cu, să zicem, datele sau materialul utilizat în centralele nucleare. Dacă bateriile ar putea conține cantități aproape infinite de energie electrică, cum s-ar putea schimba peisajul lumii? Ar trebui ca casele solare să fie în locuri deosebit de însorite?

Începând din 2019, energia solară a reprezentat doar 1 la sută din energia SUA. Pe de altă parte, în 2017, energia solară a reprezentat o treime din consumul de energie „nou”, făcându-l o industrie în creștere.

Între timp, energia eoliană a reprezentat aproximativ 6% din energia SUA la nivel național, și era de așteptat să fie depășit în acest sens în curând de Putere hidroelectrica. In cele din urma, biomasă este un alt jucător mai nou în jocul surselor regenerabile; arderea materialului de la animale și plante moarte poate alimenta turbine, dar este nu considerat curat.

Se așteaptă ca aceste surse de energie să devină din ce în ce mai populare, pe măsură ce multitudinea de boli ale schimbărilor climatice devine din ce în ce mai imposibilă pentru oameni și guverne din întreaga lume să le nege.