Solenergi är en del av en 21-talets våg av "rena" eller "gröna" energikällor, det vill säga de som inte avger produkterna från kolförbränning i miljön i betydande mängder eller vid Allt. Dessa energikällor kallas också förnybara energikällor, även om detta kan vara förvirrande eftersom kärnkraft, även om den är ”ren”, inte tekniskt härrör från en förnybar energikälla.
Solkraft, vindkraft och ökad tonvikt på geotermisk kraft och vattenkraft är alla del av ett mest samordnat globalt försök att minska utsläppen av växthusgaser som koldioxid (CO2) och därmed minska klimatförändringarnas förväntade påverkan på den globala civilisationen före slutet av seklet.
En bra idé för ett barnvetenskapligt projekt är att demonstrera den praktiska tillämpningen av förnybar energi med hjälp av en riktig eller modell solhus, eller genom att visa en klass en av arbetskomponenterna i ett soluppsamlingsnät.
Vad är "kraft" i fysik?
Anledningen till panelerna på ett solhus är att generera kraft, vanligtvis för både el och varmvatten. Denna kraft kommer på något sätt från solen. Men hur, exakt?
Kraft i fysik är energi per tidsenhet, eller motsvarande, arbete per tidsenhet. Energi förekommer i fysik i många former, inklusive termisk, gravitationspotential, kinetisk, elektrisk och sonisk; standardenheten är joule (J), ofta uttryckt på motsvarande sätt som newtonmätaren (N )m). Andra enheter är kalorier, ergs och brittiska termiska enheter (Btu).
När energi används för att utföra arbete, som att driva en elektrisk generator eller aktivera värmebatterierna för en varmvattenproducent och reservoar, kallas den hastighet med vilken arbetet utförs effekt. Standardenheten är watt (W) eller J / s. 745,7 W = 1 hästkrafter (hk).
- När du betalar din elräkning har du kanske märkt att förbrukningsenheterna mäts in kilowattimmar (kW⋅hr). Den här okonventionella enheten ser ut som kraft, men eftersom den har enheter av kraft multiplicerad med tiden är den i själva verket energi.
När du kör all-out så länge du kan, vilket är ungefär en minut, är du kapabel (beroende på din massa) för att generera cirka 800 W effekt, eller nära 1 hk - tillräckligt bra för att hålla en medelstor mikrovågsugn gående. Men för långvariga former av mänsklig träning, som att gå eller cykla, är en effekt på 250 till 400 mer typisk.
Översikt över solenergi
Solenergi är den mest förekommande och föroreningsfria energikällan som finns, och är faktiskt den ultimata energikällan för alla biologiska processer på jorden. Dess huvudsakliga användningsområden är att generera el, generera värme eller båda. Solenergi har användningar inte bara i hemmet utan också i ett ökande antal kommersiella och industriella miljöer.
Det finns tre grundläggande sätt att fånga solenergi: solvärme och kylning (SHC) applikationer, koncentrera solenergi (CSP) applikationer och solceller (PV) celler. De tidigare två används främst för att generera värme i industriella eller större miljöer, medan PV-celler är huvudelementen i karakteristiska matriser som du ser på taket till ett solhus eller ibland i fält längs platser som använder solenergi.
En solpanel som utsätts för direkt solljus kan generera upp till 1000 w / m2. Den totala mängden kraft som genereras är en funktion av antalet solceller och exponeringstid samt infallsvinkeln för solstrålarna, som i genomsnitt är mer direkta vid breddgrader närmare jordens ekvator.
Fotovoltaisk (PV) cell
Solceller kan lätt identifieras som delar av solpaneler, men de finns också i miniatyr i soldrivna räknare och andra bärbara enheter. De använder sig av fotoelektrisk effekt, vilket är förmågan hos fotoner ("paket" med ljus) att slå elektroner fria från atomerna till vilka de tillhör. Det efterföljande flödet av dessa laddade och energiserade elektroner kan användas för att generera elektricitet för omedelbar användning eller lagring.
Elementet kisel lämpar sig för PV-celler eftersom det kan få en att fungera som en dålig isolator elledare, eller det kan göras att fungera som en ledare, beroende på behoven hos ingenjörerna som arbetar med det. Detta gör kisel till en halvledare och därmed en kritisk komponent i samtida solceller.
Viktigare är att elektrisk ström (elektronström) som skapas av solenergi och solceller är likström (DC). Detta står i motsats till växelströmmen (AC) som går in i de flesta moderna hem. Således kallas en anordning växelriktare är tillgängligt för solhusägare eller lärare som vill visa eleverna hur solhem fungerar.
Det passiva solhuset
Det är ingen mening att bygga ett solhem om du inte ställer in hela huset för att maximera energieffektiviteten, eftersom solenergi kan vara svårt att få fram hela tiden även i soliga klimat. Det är uppenbart att geografi är viktigt. Studenter kan visa hur solpanelernas vinkel inte vetter rakt upp i USA utan snarare uppåt och söderut; varför skulle detta vara, och hur skulle detta förändras för ett solhem i exempelvis södra Argentina?
Solbostäder är utformade för att passivt lagra värme tack vare exempelvis hög termisk massa och massor av stenmur. Förutom rätt inriktade fönster bör mörkare färger väljas för att få ut det mesta av den termiska massan.
Du kan visa olika stilar, som direkt förstärkning, där den samlade energin och kraften flödar från söder, till exempel från söderläge fönster, till resten av huset) och indirekt vinst genom användning av funktioner som Trombe-väggar, där utrymmen mellan väggarna används för att lagra energi på kort termin.
Solkraftsdemonstrationer för barn
Alla dessa begrepp kan visas för barn i de flesta åldrar, och de äldre kan använda den allmänna informationen för att inleda sina egna projekt. Att bygga en solcell är förmodligen för ambitiöst för de flesta; en bättre idé skulle vara att eleverna försöker hitta, med hjälp av Internet och kanske deras föräldrar, hur många solceller som används i enheter i hemmet eller åtminstone på platser som ofta ses.
Det är viktigt för studenterna att känna igen de utmaningar som ligger i att lagra stora mängder elkraft, jämfört med exempelvis data eller det material som används i kärnkraftverk. Om batterier kunde rymma nästan oändliga mängder elektricitet, hur kan världens landskap förändras? Skulle solhus behöva finnas på särskilt soliga platser?
Sol och förnybar energi på 2000-talet
Från och med 2019 stod solenergi bara för cirka 1 procent av amerikansk energi. Å andra sidan utgjorde solenergi 2017 en tredjedel av all "ny" energiförbrukning, vilket gjorde den till en bransch som växer.
Under tiden, vindkraft stod för cirka 6 procent av den amerikanska energin rikstäckande, och förväntades snart komma över i detta avseende vattenkraft. Till sist, biomassa är en nyare spelare i förnyelsesspelet; förbränning av material från döda djur och växter kan driva turbiner, men är inte anses vara ren.
Dessa energikällor förväntas bli alltmer populära eftersom den mångsidiga bana av klimatförändringar blir allt omöjlig för människor och regeringar runt om i världen att förneka.