Sončna energija je del vala "čistih" ali "zelenih" virov energije 21. stoletja, torej tistih ki ne izpuščajo produktov izgorevanja ogljika v okolje v večjih količinah ali pri vse. Te vire energije imenujemo tudi obnovljivi viri energije, čeprav je to lahko zmedeno, ker jedrska energija, čeprav "čista", tehnično ni pridobljena iz obnovljivega vira energije.
Sončna energija, vetrna energija in večji poudarek na geotermalni in hidroelektrarni so del tega večinoma usklajenih svetovnih prizadevanj za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov, kot je ogljikov dioksid (CO2) in tako zmanjšali pričakovani vpliv podnebnih sprememb na globalno civilizacijo pred koncem stoletja.
Odlična ideja za otroški znanstveni projekt je prikaz praktične uporabe obnovljive energije z uporabo resničnega ali modela sončna hiša, ali s prikazom razreda ene od delovnih komponent sončne kolektorske mreže.
Kaj je "moč" v fiziki?
Razlog za panele v solarni hiši je proizvodnja električne energije, običajno za elektriko in toplo vodo. Ta moč nekako prihaja od sonca. Kako pa točno?
Moč v fiziki je energije na enoto časaali, kar je enako, delo na enoto časa. Energija pojavlja se v fiziki v številnih oblikah, vključno s toplotnimi, gravitacijsko-potencialnimi, kinetičnimi, električnimi in zvočnimi; standardna enota je džul (J), ki je pogosto izražen enako kot newton-meter (N⋅m). Druge enote so kalorije, ergi in britanske termične enote (Btu).
Ko se za delo uporablja energija, na primer za napajanje električnega generatorja ali aktiviranje grelnih tuljav proizvajalca tople vode in rezervoarja, se hitrost, s katero se to delo opravi, imenuje moč. Standardna enota je vatov (W) ali J / s. 745,7 W = 1 konjska moč (KM).
- Ko plačate račun za komunalne storitve, ste morda opazili, da se merijo enote porabe kilovatnih ur (kW⋅hr). Ta nekonvencionalna enota je videti kot moč, a ker ima enote moči, pomnožene s časom, je v resnici energija.
Ko zaženete vse, kolikor dolgo lahko, kar je približno minuto, ste sposobni (odvisno od vašega mase), ki ustvari približno 800 W moči ali blizu 1 KM - dovolj dobro, da ostane srednje velika mikrovalovna pečica gremo. Toda za dolgotrajne oblike človeške vadbe, kot sta hoja ali kolesarjenje, je značilnejša proizvodnja od 250 do 400.
Pregled sončne energije
Sončna energija je najbolj razširjen in brez onesnaževanja vir energije, ki je na voljo, in je dejansko glavni vir energije med vsemi biološkimi procesi na Zemlji. Njegove primarne uporabe so za proizvodnjo električne energije, proizvodnjo toplote ali oboje. Sončna energija se uporablja ne samo doma, temveč tudi v vedno več komercialnih in industrijskih okoljih.
Obstajajo trije osnovni načini za zajemanje sončne energije: sončno ogrevanje in hlajenje (SHC) aplikacije, koncentriranje sončne energije (CSP) in fotovoltaični (PV) celice. Prva dva se uporabljata predvsem za proizvodnjo toplote v industrijskih ali večjih okoljih, medtem ko so PV celice glavni elementi v značilni nizi, ki jih vidite na strehi sončne hiše ali včasih na poljih ob mestih, ki uporabljajo sončno energijo.
Sončna plošča, izpostavljena neposredni sončni svetlobi, lahko ustvari do 1.000 w / m2. Skupna količina proizvedene energije je odvisna od števila PV celic in časa izpostavljenosti ter od vpadni kot sončnih žarkov, ki so v povprečju bolj neposredni na zemljepisnih širinah, ki so bližje zemeljskim ekvator.
Fotonapetostna (PV) celica
Fotonapetostne celice lahko zlahka prepoznamo kot dele sončnih kolektorjev, vendar jih v miniaturi najdemo tudi v kalkulatorjih na sončni pogon in drugih prenosnih napravah. Uporabljajo fotoelektrični učinek, ki je sposobnost fotonov ("zavojčkov" svetlobe), da potrkajo elektrone brez atomov, ki jim pripadajo. Nadaljnji tok teh nabitih in energiziranih elektronov lahko uporabimo za proizvodnjo električne energije za takojšnjo uporabo ali shranjevanje.
Element silicij se izpostavi PV celicam, ker lahko deluje kot izolator, kar je slabo prevodnik električne energije, ali pa se lahko obnaša kot prevodnik, odvisno od potreb inženirjev, ki delajo z njim. Zaradi tega je silicij polprevodnik in s tem kritična sestavina sodobnih PV celic.
Pomembno je, da električni tok (tok elektronov), ki ga ustvarjajo sončna energija in PV celice, je enosmerni tok (DC). To je v nasprotju z izmeničnim tokom (AC), ki teče v večino sodobnih domov. Tako naprava, imenovana pretvornik je na voljo lastnikom sončnih hiš ali učiteljem, ki želijo študentom pokazati, kako delujejo sončni domovi.
Pasivna sončna hiša
Če ne postavite celotne hiše tako, da bi povečali energetsko učinkovitost, ni smiselno graditi sončnega doma, saj lahko sončno energijo ves čas težko dosežemo tudi v sončnem podnebju. Jasno je, da je geografija pomembna. Študenti lahko pokažejo, kako v ZDA kot sončnih kolektorjev ni obrnjen naravnost navzgor, temveč navzgor in proti jugu; zakaj bi to bilo in kako bi se to spremenilo za sončni dom, recimo na jugu Argentine?
Sončni domovi so zasnovani za pasivno shranjevanje toplote, na primer zaradi visoke toplotne mase in veliko kamnitih zidov. Poleg pravilno poravnanih oken je treba izbrati temnejše barve, da kar najbolje izkoristite prisotno toplotno maso.
Prikažete lahko različne sloge, na primer neposredni dobiček, pri katerem se zbrana energija in moč pretakata od juga, na primer od oken, obrnjenih proti jugu, do ostalih hiše) in posredni dobiček z uporabo funkcij, kot so stene Trombe, pri katerih se prostori med stenami na kratko shranijo za energijo izraz.
Demonstracije sončne energije za otroke
Vse te koncepte lahko prikažemo otrokom večine starosti, starejši pa lahko s splošnimi informacijami začnejo s svojimi projekti. Gradnja PV celice je verjetno za večino preveč ambiciozna; boljša ideja bi bila, da bi učenci s pomočjo interneta in morda svojih staršev poskušali najti, koliko PV celic je v uporabi v napravah doma ali vsaj na pogosto vidnih mestih.
Za študente je pomembno, da prepoznajo izzive, povezane s shranjevanjem velikih količin električne energije, v primerjavi z recimo podatki ali materiali, ki se uporabljajo v jedrskih elektrarnah. Če bi lahko baterije imele skoraj neskončno količino električne energije, kako bi se lahko spremenila pokrajina sveta? Bi morale biti sončne hiše na posebej sončnih krajih?
Sončna in obnovljiva energija v 21. stoletju
Od leta 2019 je sončna energija predstavljala le približno 1 odstotek ameriške energije. Po drugi strani pa je leta 2017 sončna energija predstavljala tretjino vse "nove" porabe energije, zaradi česar je ta industrija v porastu.
Medtem pa vetrna energija je predstavljala približno 6 odstotkov ameriške energije po vsej državi, v zvezi s tem pa naj bi ga kmalu prehitel hidroelektrarna. Končno, biomaso je še en novejši igralec v igri obnovljivih virov energije; kurjenje materiala z mrtvih živali in rastlin lahko poganja turbine, toda je ne velja za čisto.
Ti viri energije naj bi postali vedno bolj priljubljeni, saj ljudem in vladam po vsem svetu postaja vse bolj nemogoče zanikati večplastno podnebje.