Ako sa dá postaviť modelový solárny dom pre detský projekt

Solárna energia je súčasťou vlny „čistých“ alebo „zelených“ zdrojov energie v 21. storočí, teda tých ktoré nevypúšťajú produkty spaľovania uhlíka do životného prostredia vo významných množstvách alebo pri všetko. Tieto zdroje energie sa tiež nazývajú obnoviteľné zdroje, aj keď to môže byť mätúce, pretože jadrová energia, hoci je „čistá“, technicky nepochádza z obnoviteľného zdroja energie.

Solárna energia, veterná energia a zvýšený dôraz na geotermálnu a vodnú energiu sú súčasťou väčšinou sústredeného celosvetového úsilia o zníženie emisií skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý (CO₂), a tým znížiť očakávaný dopad zmeny podnebia na globálnu civilizáciu pred koncom storočia.

Skvelým nápadom pre detský vedecký projekt je demonštrácia praktického využitia obnoviteľnej energie pomocou reálneho modelu solárny dom, alebo zobrazením triedy jednej z pracovných zložiek solárnej zbernej mriežky.

Dôvodom pre panely na solárnom dome je výroba energie, zvyčajne tak pre elektrinu, ako aj pre teplú vodu. Táto sila nejako pochádza zo slnka. Ale ako presne?

Moc vo fyzike je energie za jednotku časualebo ekvivalentne pracovať za jednotku času. Energie sa vo fyzike objavuje v mnohých formách, vrátane tepelnej, gravitačnej, kinetickej, elektrickej a zvukovej; štandardnou jednotkou je joule (J), často vyjadrený ekvivalentne ako newtonmetr (N⋅m). Ďalšími jednotkami sú kalórie, ergy a britské tepelné jednotky (Btu).

Ak sa na prácu používa energia, napríklad na napájanie elektrického generátora alebo na aktiváciu vykurovacích špirál výrobcu a zásobníka teplej vody, rýchlosť, pri ktorej sa táto práca vykonáva, sa nazýva výkon. Štandardnou jednotkou je watt (W) alebo J / s. 745,7 W = 1 konský výkon (hp).

• Keď platíte účet za energie, mohli ste si všimnúť, že jednotky spotreby sú merané v kilowatthodín (kW⋅hr). Táto nekonvenčná jednotka vyzerá ako sila, ale pretože má jednotky výkonu vynásobené časom, je to v skutočnosti energia.

Keď vyčerpáte všetky sily čo najdlhšie, čo je asi minúta, ste schopní (v závislosti od vašich) hmotnosťou), ktorá generuje približne 800 W, alebo takmer 1 hp - dosť dobré na to, aby uchovala stredne veľkú mikrovlnnú rúru ísť. Ale pre zdĺhavé formy ľudského cvičenia, ako je chôdza alebo bicyklovanie, je typickejší výkon 250 až 400.

Solárna energia je najhojnejším dostupným zdrojom energie bez znečistenia a v skutočnosti je hlavným zdrojom energie všetkých biologických procesov na Zemi. Jeho primárne využitie je na výrobu elektriny, tepla alebo oboch. Solárna energia sa využíva nielen v domácnosti, ale aj v čoraz väčšom počte komerčných a priemyselných prostredí.

Existujú tri základné spôsoby, ako zachytiť slnečnú energiu: solárne vykurovanie a chladenie (SHC) aplikácie, koncentrácia slnečnej energie (CSP) aplikácií a fotovoltaické (PV) bunky. Prvé dva sa používajú hlavne na výrobu tepla v priemyselných alebo väčších zariadeniach, zatiaľ čo FV články sú hlavnými prvkami v charakteristické polia, ktoré vidíte na streche solárneho domu alebo niekedy na poliach popri lokalitách, ktoré využívajú solárnu energiu.

Solárny panel vystavený priamemu slnečnému žiareniu môže generovať až 1 000 w / m². Celkové množstvo vyrobenej energie je funkciou počtu FV článkov a času expozície a tiež uhol dopadu slnečných lúčov, ktoré sú v priemere priamejšie v zemepisných šírkach bližšie k zemským rovník.

Fotovoltaické články sú ľahko identifikovateľné ako súčasť solárnych panelov, ale miniatúrne ich nájdeme aj v solárnych kalkulačkách a iných prenosných zariadeniach. Využívajú fotoelektrický efekt, čo je schopnosť fotónov („balíkov“ svetla) klepať elektróny bez atómov, ku ktorým patria. Následný tok týchto nabitých a energizovaných elektrónov sa môže použiť na výrobu elektriny na okamžité použitie alebo uskladnenie.

Prvok kremík sa hodí do FV článkov, pretože sa dá pôsobiť ako izolátor, čo je zlé vodič elektriny, alebo je možné ho vytvoriť tak, aby fungoval ako vodič, v závislosti od potrieb pracujúcich inžinierov s tým. Vďaka tomu je kremík polovodič, a teda kritická súčasť súčasných FV článkov.

Čo je dôležité, elektrický prúd (tok elektrónov) vytvorený solárnou energiou a FV článkami je jednosmerný prúd (DC). To je v rozpore so striedavým prúdom (AC), ktorý prúdi do väčšiny moderných domov. Takto sa zariadenie nazývalo invertor je k dispozícii majiteľom solárnych domov alebo učiteľom, ktorí chcú študentom ukázať, ako fungujú solárne domy.

Nemá zmysel stavať solárny dom, pokiaľ nenastavíte celý dom na maximalizáciu energetickej účinnosti, pretože solárna energia môže byť stále ťažká po celú dobu aj v slnečnom podnebí. Je zrejmé, že geografia je dôležitá. Študenti môžu ukázať, ako uhol solárnych panelov nesmeruje priamo v USA, ale skôr smerom na juh; prečo by to tak bolo a ako by sa to zmenilo pre solárny dom, povedzme v južnej Argentíne?

Solárne domy sú navrhnuté tak, aby pasívne ukladali teplo napríklad vďaka vysokej tepelnej hmote a množstvu kamenného muriva. Okrem správne zarovnaných okien by sa mali zvoliť tmavšie farby, aby sa čo najlepšie využila tepelná hmota.

Môžete zobraziť rôzne štýly, napríklad priamy zisk, pri ktorom zhromaždená energia a sila prúdia z juhu, napríklad z okien orientovaných na juh, do zvyšku. domu) a nepriamy zisk pomocou funkcií, ako sú Trombeho steny, v ktorých sa medzisteny používajú na krátkodobé ukladanie energie termín.

Všetky tieto koncepty môžu byť zobrazené deťom väčšiny vekových skupín a tí starší môžu použiť všeobecné informácie na začatie svojich vlastných projektov. Stavba FV článku je pre väčšinu ľudí pravdepodobne príliš ambiciózna; lepšou myšlienkou by bolo, keby sa študenti pokúsili pomocou internetu a možno aj ich rodičov zistiť, koľko FV článkov sa používa v domácich zariadeniach alebo aspoň na často videných miestach.

Je dôležité, aby študenti rozpoznali výzvy spojené s ukladaním veľkého množstva elektrickej energie v porovnaní s údajmi alebo materiálom použitým v jadrových elektrárňach. Ak by batérie mohli pojať takmer nekonečné množstvo elektriny, ako by sa mohla zmeniť svetová situácia? Potrebovali by byť solárne domy na obzvlášť slnečných miestach?

Od roku 2019 predstavovala solárna energia z americkej energie iba asi 1 percento. Na druhej strane, v roku 2017 predstavovala solárna energia jednu tretinu všetkej „novej“ spotreby energie, čo z nej robí priemysel na vzostupe.

Medzitým veterná energia predstavovala asi 6 percent americkej energie na celoštátnej úrovni, a očakáva sa, že ho v tejto súvislosti čoskoro predbehne vodná energia. Nakoniec biomasa je ďalší novší hráč v hre obnoviteľných zdrojov; spaľovanie materiálu z mŕtvych zvierat a rastlín môže poháňať turbíny, ale je nie považované za čisté.

Očakáva sa, že tieto zdroje energie budú čoraz populárnejšie, pretože ľudia a vlády na celom svete nebudú môcť poprieť mnohonásobné obmedzenia klímy.