วิธีการสร้างบ้านพลังงานแสงอาทิตย์จำลองสำหรับโครงการสำหรับเด็ก

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นส่วนหนึ่งของคลื่นศตวรรษที่ 21 ของแหล่งพลังงาน "สะอาด" หรือ "สีเขียว" นั่นคือ that ที่ไม่ปล่อยผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้คาร์บอนออกสู่สิ่งแวดล้อมในปริมาณมากหรือที่ ทั้งหมด. แหล่งพลังงานเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าพลังงานหมุนเวียน แม้ว่าสิ่งนี้อาจสร้างความสับสนได้เนื่องจากพลังงานนิวเคลียร์ ในขณะที่ "สะอาด" ไม่ได้มาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนในทางเทคนิค

พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลม และการเน้นย้ำเรื่องพลังงานความร้อนใต้พิภพและไฟฟ้าพลังน้ำล้วนเป็นส่วนหนึ่ง ของความพยายามทั่วโลกร่วมกันเป็นส่วนใหญ่ในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเช่นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) และลดผลกระทบที่คาดหวังจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศต่ออารยธรรมโลกก่อนสิ้นศตวรรษ

แนวคิดที่ยอดเยี่ยมสำหรับโครงงานวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กคือการสาธิตการใช้งานจริงของพลังงานหมุนเวียนโดยใช้ของจริงหรือแบบจำลอง บ้านพลังงานแสงอาทิตย์หรือโดยการแสดงคลาสหนึ่งในองค์ประกอบการทำงานของตารางรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์

เหตุผลของแผงโซลาร์เฮาส์คือการผลิตไฟฟ้า ซึ่งปกติจะใช้เป็นทั้งไฟฟ้าและน้ำร้อน พลังนี้มาจากดวงอาทิตย์ แต่อย่างไรล่ะ?

พลัง ในวิชาฟิสิกส์คือ

เมื่อใช้พลังงานในการทำงาน เช่น การจ่ายไฟให้กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือการเปิดใช้งานคอยล์ความร้อนของผู้ผลิตน้ำร้อนและอ่างเก็บน้ำ อัตราการทำงานนั้นเรียกว่ากำลังไฟฟ้า หน่วยมาตรฐานคือ วัตต์ (W) หรือ J/s 745.7 W = 1 แรงม้า (แรงม้า)

• เมื่อคุณชำระค่าสาธารณูปโภค คุณอาจสังเกตเห็นว่าหน่วยการบริโภคมีหน่วยวัดเป็น กิโลวัตต์-ชั่วโมง (กิโลวัตต์) หน่วยที่ไม่ธรรมดานี้ดูเหมือนกำลัง แต่เนื่องจากมีหน่วยของกำลังคูณด้วยเวลา อันที่จริงแล้วหน่วยนี้เป็นพลังงาน

เมื่อคุณหมดแรงตราบเท่าที่คุณสามารถ ซึ่งประมาณหนึ่งนาที คุณมีความสามารถ (ขึ้นอยู่กับของคุณ มวล) ให้กำลังประมาณ 800 W หรือเกือบ 1 แรงม้า – ดีพอที่จะใส่เตาอบไมโครเวฟขนาดกลางได้ ไป แต่สำหรับรูปแบบการออกกำลังกายที่ยืดเยื้อของมนุษย์ เช่น การเดินหรือปั่นจักรยาน การออกกำลัง 250 ถึง 400 เป็นเรื่องปกติมากกว่า

พลังงานแสงอาทิตย์เป็นแหล่งพลังงานที่อุดมสมบูรณ์และปราศจากมลภาวะมากที่สุด และที่จริงแล้วเป็นแหล่งพลังงานขั้นสุดท้ายของกระบวนการทางชีววิทยาทั้งหมดบนโลก การใช้งานหลักคือสำหรับการผลิตไฟฟ้า สร้างความร้อน หรือทั้งสองอย่าง พลังงานแสงอาทิตย์ไม่เพียงแต่ใช้ในบ้านเท่านั้น แต่ยังใช้ในสถานที่เชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมที่เพิ่มขึ้นอีกด้วย

มีสามวิธีพื้นฐานในการจับพลังงานแสงอาทิตย์: ความร้อนและความเย็นจากแสงอาทิตย์ (SHC) แอปพลิเคชัน พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้น (CSP) แอปพลิเคชันและ ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ (PV) เซลล์ สองอย่างแรกใช้เพื่อสร้างความร้อนเป็นหลักในโรงงานอุตสาหกรรมหรือการตั้งค่าขนาดใหญ่ ในขณะที่เซลล์ PV เป็นองค์ประกอบหลักใน อาร์เรย์ลักษณะเฉพาะที่คุณเห็นบนหลังคาของโซลาร์เฮาส์ หรือบางครั้งอยู่ในทุ่งข้างไซต์ที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์

แผงโซลาร์เซลล์ที่โดนแสงแดดโดยตรงสามารถสร้างพลังงานสูงถึง 1,000 w/m². ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่สร้างขึ้นนั้นเป็นหน้าที่ของจำนวนเซลล์ PV และเวลาที่ได้รับแสงเช่นเดียวกับ มุมตกกระทบของรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งโดยเฉลี่ยแล้วจะตรงกว่าที่ละติจูดใกล้กับโลก เส้นศูนย์สูตร.

เซลล์แสงอาทิตย์สามารถระบุได้ง่ายว่าเป็นชิ้นส่วนของแผงโซลาร์เซลล์ แต่ยังพบเซลล์ขนาดเล็กในเครื่องคิดเลขพลังงานแสงอาทิตย์และอุปกรณ์พกพาอื่นๆ พวกเขาใช้ประโยชน์จาก ตาแมวผลซึ่งเป็นความสามารถของโฟตอน ("แพ็กเก็ต" ของแสง) ในการเคาะอิเล็กตรอนให้เป็นอิสระจากอะตอมที่พวกมันอยู่ กระแสที่ตามมาของอิเล็กตรอนที่มีประจุและพลังงานเหล่านี้สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อใช้หรือจัดเก็บได้ทันที

ธาตุซิลิกอนยืมตัวเองไปยังเซลล์ PV เพราะสามารถทำตัวให้เหมือนฉนวนซึ่งไม่ดี ตัวนำไฟฟ้า หรือจะทำเป็นตัวนำก็ได้ ขึ้นอยู่กับความต้องการของวิศวกรที่ทำงานอยู่ กับมัน ทำให้ซิลิคอนเป็นสารกึ่งตัวนำและเป็นส่วนประกอบที่สำคัญของเซลล์ PV ในปัจจุบัน

ที่สำคัญ กระแสไฟฟ้า (การไหลของอิเล็กตรอน) ที่สร้างขึ้นโดยพลังงานแสงอาทิตย์และเซลล์ PV เป็นกระแสตรง (DC) สิ่งนี้ตรงกันข้ามกับกระแสสลับ (AC) ที่วิ่งเข้าไปในบ้านสมัยใหม่ส่วนใหญ่ ดังนั้นอุปกรณ์ที่เรียกว่า an อินเวอร์เตอร์ มีให้สำหรับเจ้าของบ้านพลังงานแสงอาทิตย์หรือครูที่ต้องการแสดงให้นักเรียนเห็นว่าบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร

มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะสร้างบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ ถ้าคุณไม่ตั้งค่าบ้านทั้งหลังเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้พลังงานสูงสุด เนื่องจากพลังงานแสงอาทิตย์สามารถเกิดขึ้นได้ยากตลอดเวลาแม้ในสภาพอากาศที่มีแดดจ้า เห็นได้ชัดว่าภูมิศาสตร์มีความสำคัญ นักศึกษาสามารถแสดงให้เห็นว่ามุมของแผงโซลาร์เซลล์ไม่หันขึ้นตรงในสหรัฐอเมริกาแต่หันขึ้นและไปทางทิศใต้ เหตุใดจึงเป็นเช่นนี้ และสิ่งนี้จะเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรสำหรับบ้านพลังงานแสงอาทิตย์ในอาร์เจนตินาตอนใต้

บ้านพลังงานแสงอาทิตย์ได้รับการออกแบบมาเพื่อเก็บความร้อนแบบพาสซีฟเนื่องจากมีมวลความร้อนสูง ตัวอย่างเช่น และอิฐก่ออิฐจำนวนมาก นอกจากการจัดเรียงหน้าต่างอย่างถูกต้องแล้ว ควรเลือกสีที่เข้มกว่าเพื่อให้มีมวลความร้อนมากที่สุด

คุณอาจแสดงรูปแบบต่างๆ เช่น การเพิ่มโดยตรง ซึ่งพลังงานที่สะสมและพลังงานจะไหลจากทิศใต้ เช่น จากหน้าต่างที่หันไปทางทิศใต้ไปยังส่วนที่เหลือ ของบ้าน) และกำไรทางอ้อมจากการใช้คุณสมบัติเช่น ผนังทรอมเบ ซึ่งช่องว่างระหว่างผนังใช้เก็บพลังงานในระยะ ระยะ

แนวคิดทั้งหมดเหล่านี้สามารถแสดงให้เด็กทุกวัยเห็นได้ และผู้สูงวัยสามารถใช้ข้อมูลทั่วไปเพื่อเริ่มดำเนินการในโครงการของตนเองได้ การสร้างเซลล์ PV อาจมีความทะเยอทะยานเกินไปสำหรับคนส่วนใหญ่ ความคิดที่ดีกว่าคือให้นักเรียนพยายามค้นหาด้วยความช่วยเหลือของอินเทอร์เน็ตและบางทีผู้ปกครองของพวกเขาว่ามีการใช้เซลล์ PV ในอุปกรณ์ในบ้านหรืออย่างน้อยในสถานที่ที่เห็นบ่อย

เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักเรียนที่จะต้องตระหนักถึงความท้าทายที่มีอยู่ในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก เมื่อเทียบกับการพูด ข้อมูล หรือวัสดุที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ หากแบตเตอรีสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ได้เกือบไม่สิ้นสุด ภูมิประเทศของโลกจะเปลี่ยนไปอย่างไร? บ้านพลังงานแสงอาทิตย์จะต้องอยู่ในที่ที่มีแดดเป็นพิเศษหรือไม่?

ณ ปี 2019 พลังงานแสงอาทิตย์คิดเป็น 1 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานสหรัฐเท่านั้น ในทางกลับกัน ในปี 2560 พลังงานแสงอาทิตย์คิดเป็น 1 ใน 3 ของการใช้พลังงาน "ใหม่" ทั้งหมด ทำให้เป็นอุตสาหกรรมที่เพิ่มขึ้น

ในขณะเดียวกัน, พลังงานลมคิดเป็นประมาณร้อยละ 6 ของพลังงานสหรัฐทั่วประเทศและคาดว่าจะแซงในเรื่องนี้ในไม่ช้าโดย ไฟฟ้าพลังน้ำ. ในที่สุด ชีวมวล เป็นผู้เล่นใหม่อีกคนในเกมหมุนเวียน การเผาวัสดุจากสัตว์และพืชที่ตายแล้วสามารถให้พลังงานแก่กังหันได้ แต่ คือ ไม่ ถือว่าสะอาด.

แหล่งพลังงานเหล่านี้คาดว่าจะได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากความหายนะจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่หลายง่ามกลายเป็นเรื่องยากสำหรับผู้คนและรัฐบาลทั่วโลกที่จะปฏิเสธ