Солнечная энергия является частью волны "чистых" или "зеленых" источников энергии 21 века, то есть тех которые не выделяют продукты сгорания углерода в окружающую среду в значительных количествах или при все. Эти источники энергии также называются возобновляемыми источниками энергии, хотя это может сбивать с толку, поскольку ядерная энергия, хотя и является «чистой», технически не является производной от возобновляемого источника энергии.
Солнечная энергия, энергия ветра и повышенное внимание к геотермальной энергии и гидроэлектроэнергии - все это часть в основном согласованных всемирных усилий по сокращению выбросов парниковых газов, таких как углекислый газ (CO2) и, таким образом, снизить ожидаемое влияние изменения климата на глобальную цивилизацию до конца века.
Отличная идея для детского научного проекта - продемонстрировать практическое применение возобновляемых источников энергии на реальных или модельных объектах. солнечный дом, или показывая класс одного из рабочих компонентов солнечной сети сбора.
Что такое «сила» в физике?
Панели на солнечных батареях используются для выработки электроэнергии, как правило, как для электричества, так и для горячей воды. Эта сила каким-то образом исходит от солнца. Но как именно?
Мощность в физике это энергия в единицу времени, или, что то же самое, работа в единицу времени. Энергия появляется в физике во многих формах, включая тепловую, гравитационно-потенциальную, кинетическую, электрическую и звуковую; стандартной единицей измерения является джоуль (Дж), часто эквивалентный ньютон-метру (Н · м). Другие единицы - калории, эрги и британские тепловые единицы (британские тепловые единицы).
Когда энергия используется для выполнения работы, такой как питание электрического генератора или активация нагревательных змеевиков генератора горячей воды и резервуара, скорость, с которой выполняется эта работа, называется мощностью. Стандартная единица - это ватт (Вт) или Дж / с. 745,7 Вт = 1 лошадиная сила (л.с.).
- Оплачивая счет за коммунальные услуги, вы могли заметить, что единицы потребления измеряются в киловатт-часы (кВт⋅ч). Эта нетрадиционная единица выглядит как мощность, но поскольку в ней есть единицы мощности, умноженные на время, на самом деле это энергия.
Когда вы работаете изо всех сил так долго, как можете, то есть около минуты, вы способны (в зависимости от вашего масса), генерируя около 800 Вт мощности, или около 1 л.с. - достаточно, чтобы поддерживать микроволновую печь среднего размера идущий. Но для продолжительных форм физических упражнений, таких как ходьба или езда на велосипеде, более типична отдача от 250 до 400.
Обзор солнечной энергии
Солнечная энергия является наиболее распространенным и экологически чистым источником энергии и фактически является основным источником энергии для всех биологических процессов на Земле. Его основное использование - для производства электроэнергии, тепла или того и другого. Солнечная энергия используется не только в домашних условиях, но и во все большем числе коммерческих и промышленных предприятий.
Есть три основных способа использования солнечной энергии: солнечное отопление и охлаждение (SHC) приложения, концентрация солнечной энергии (CSP) приложения и фотоэлектрический (PV) клетки. Первые два используются в основном для выработки тепла в промышленных или крупных установках, тогда как фотоэлементы являются основными элементами в характерные массивы, которые вы видите на крыше солнечного дома или иногда на полях рядом с объектами, которые используют солнечную энергию.
Солнечная панель, находящаяся под прямыми солнечными лучами, может генерировать до 1000 Вт / м2. Общее количество генерируемой энергии зависит от количества фотоэлементов и времени воздействия, а также от угол падения солнечных лучей, которые в среднем более прямые на широтах, близких к земным экватор.
Фотоэлектрическая ячейка
Фотоэлектрические элементы легко идентифицировать как части солнечных панелей, но они также встречаются в миниатюре в калькуляторах на солнечных батареях и других портативных устройствах. Они используют фотоэлектрический эффект, которая представляет собой способность фотонов («пакетов» света) выбивать электроны из атомов, которым они принадлежат. Последующий поток этих заряженных и возбужденных электронов можно использовать для выработки электричества для немедленного использования или хранения.
Элемент кремний пригоден для фотоэлементов, потому что его можно заставить действовать как изолятор, что плохо проводник электричества, или его можно заставить действовать как проводник, в зависимости от потребностей инженеров, работающих с этим. Это делает кремний полупроводником и, следовательно, важным компонентом современных фотоэлементов.
Важно отметить, что электрический ток (поток электронов), создаваемый солнечной энергией и фотоэлементами, является постоянным током (DC). Это противоречит переменному току, протекающему в большинстве современных домов. Таким образом, устройство, названное инвертор доступен для владельцев домов на солнечных батареях или учителей, которые хотят показать студентам, как работают дома на солнечных батареях.
Пассивный солнечный дом
Нет смысла строить дом на солнечных батареях, если вы не настроите весь дом на максимальную энергоэффективность, поскольку солнечная энергия может быть труднодоступной постоянно, даже в солнечном климате. Ясно, что география важна. Студенты могут показать, что в США солнечные панели смотрят не вверх, а вверх и на юг; почему бы так и как это изменилось бы для дома на солнечных батареях, скажем, на юге Аргентины?
Солнечные дома спроектированы так, чтобы пассивно сохранять тепло, например, благодаря высокой тепловой массе и большому количеству каменной кладки. В дополнение к правильно выровненным окнам следует выбирать более темные цвета, чтобы максимально использовать тепловую массу.
Вы можете показать разные стили, такие как прямое усиление, в которых собранная энергия и мощность перетекают с юга, например, из окон, выходящих на юг, к остальным. дома) и косвенная выгода за счет использования таких элементов, как стены тромба, в которых промежутки между стенами используются для хранения энергии на короткое время. срок.
Демонстрации солнечной энергии для детей
Все эти концепции можно показать детям любого возраста, а старшие могут использовать общую информацию, чтобы приступить к своим собственным проектам. Строительство фотоэлемента, вероятно, для большинства слишком амбициозно; Лучше всего было бы предложить учащимся попытаться выяснить с помощью Интернета и, возможно, своих родителей, сколько фотоэлементов используется в устройствах дома или, по крайней мере, в часто посещаемых местах.
Студентам важно осознавать проблемы, связанные с хранением больших объемов электроэнергии по сравнению, скажем, с данными или материалами, используемыми на атомных электростанциях. Если бы батареи могли удерживать почти бесконечное количество электричества, как мог бы измениться ландшафт мира? Нужны ли солнечные дома в особенно солнечных местах?
Солнечная и возобновляемая энергия в 21 веке
По состоянию на 2019 год солнечная энергия составляла только 1 процент энергии США. С другой стороны, в 2017 году солнечная энергия составляла треть всего потребления «новой» энергии, что делает ее отраслью на подъеме.
Тем временем, на ветроэнергетику приходилось около 6 процентов энергии США по всей стране., и ожидалось, что скоро его обгонят в этом отношении гидроэлектростанция. Ну наконец то, биомасса - еще один новичок в игре с возобновляемыми источниками энергии; сжигание материалов мертвых животных и растений может приводить в действие турбины, но является нет считается чистым.
Ожидается, что эти источники энергии будут становиться все более популярными, поскольку для людей и правительств во всем мире становится все более и более невозможным отрицать разностороннее бедствие изменения климата.