Сонячна енергія є частиною хвилі 21-го століття "чистих" або "зелених" джерел енергії, тобто тих які не виділяють продукти згоряння вуглецю в навколишнє середовище у значній кількості або при всі. Ці джерела енергії також називають відновлюваними джерелами енергії, хоча це може заплутати, оскільки ядерна енергетика, хоча і "чиста", технічно не походить від відновлюваного джерела енергії.
Сонячна енергія, енергія вітру та посилений акцент на геотермальній та гідроенергетичній енергії - це частина здебільшого узгоджених світових зусиль щодо зменшення викидів парникових газів, таких як вуглекислий газ (CO2) і таким чином зменшити очікуваний вплив зміни клімату на глобальну цивілізацію до кінця століття.
Прекрасною ідеєю для дитячого наукового проекту є демонстрація практичного застосування відновлюваної енергії за допомогою реальної моделі сонячний будинок, або показавши клас одного з робочих компонентів сонячної сітки.
Що таке "сила" у фізиці?
Причиною панелей сонячного будинку є виробництво електроенергії, як правило, як для електрики, так і для гарячої води. Ця сила якимось чином походить від сонця. Але як саме?
Потужність у фізиці є енергії за одиницю часу, або еквівалентно, робота за одиницю часу. Енергія з'являється у фізиці у багатьох формах, включаючи теплову, гравітаційно-потенціальну, кінетичну, електричну та звукову; стандартною одиницею є джоуль (J), часто виражений еквівалентно ньютонометрі (Н⋅м). Інші одиниці вимірювання - калорії, ерги та британські теплові одиниці (Btu).
Коли енергія використовується для виконання таких робіт, як живлення електричного генератора або активація нагрівальних спіралей виробника гарячої води та резервуара, швидкість, з якою виконується ця робота, називається потужністю. Стандартною одиницею є ват (W) або J / s. 745,7 Вт = 1 кінська сила (к.с.).
- Оплачуючи рахунок за комунальні послуги, ви могли помітити, що одиниці споживання вимірюються в кіловат-годин (кВт⋅год). Ця нетрадиційна одиниця виглядає як потужність, але оскільки вона має одиниці потужності, помножені на час, насправді це енергія.
Коли ви виконуєте аут-аут стільки часу, скільки можете, тобто близько хвилини, ви здатні (залежно від вашого потужності), що генерує близько 800 Вт потужності, або близько 1 к.с. - досить добре, щоб утримувати мікрохвильову піч середнього розміру збирається. Але для затяжних форм вправ людини, таких як ходьба або їзда на велосипеді, вихід від 250 до 400 є більш типовим.
Огляд сонячної енергії
Сонячна енергія є найпоширенішим джерелом енергії, яке не забруднює навколишнього середовища, і насправді є кінцевим джерелом енергії з усіх біологічних процесів на Землі. Його основне використання полягає у виробництві електроенергії, виробництві тепла або в обох випадках. Сонячна енергія використовується не тільки в побуті, але і у зростаючій кількості комерційних та промислових установ.
Існує три основних способи отримання сонячної енергії: сонячне опалення та охолодження (SHC) додатки, концентрація сонячної енергії (CSP) програми та фотоелектричні (PV) клітини. Перші два використовуються головним чином для виробництва тепла в промислових або більших умовах, тоді як фотоелементи є основними елементами в характерні масиви, які ви бачите на даху сонячного будинку, а іноді і на полях поруч з ділянками, де використовується сонячна енергія.
Сонячна панель, що потрапляє під прямі сонячні промені, може генерувати до 1000 Вт / м2. Загальна кількість виробленої енергії залежить від кількості фотоелементів та часу впливу, а також від кут падіння сонячних променів, які в середньому більш прямі в широтах, ближчих до земних екватор.
Фотоелектричний (PV) елемент
Фотоелектричні елементи можна легко ідентифікувати як частини сонячних панелей, але вони також знайдені в мініатюрі в калькуляторах на сонячних батареях та інших портативних пристроях. Вони використовують фотоелектричний ефект, що є здатністю фотонів («пакетів» світла) збивати електрони, вільні від атомів, до яких вони належать. Подальший потік цих заряджених і під напругою електронів може бути використаний для отримання електроенергії для негайного використання або зберігання.
Елемент кремній піддається фотоелементам, оскільки він може бути змушений діяти як ізолятор, що є бідним провідник електрики, або його можна змусити діяти як провідник, залежно від потреб працюючих інженерів з цим. Це робить кремній напівпровідником і, отже, критичним компонентом сучасних фотоелементів.
Важливо те, що електричний струм (потік електронів), створюваний сонячною енергією та фотоелементами, є постійним струмом (постійним струмом). Це суперечить змінному струму (змінного струму), який потрапляє в більшість сучасних будинків. Таким чином пристрій називається інвертор доступний власникам сонячних будинків або вчителям, які прагнуть показати студентам, як працюють сонячні будинки.
Пасивний сонячний дім
Немає сенсу будувати сонячний будинок, якщо ви не налаштували весь будинок на максимізацію енергоефективності, оскільки сонячна енергія може бути важко отримати постійно навіть у сонячному кліматі. Очевидно, що географія важлива. Студенти можуть показати, як кут сонячних панелей не спрямований прямо в США, а вгору та на південь; чому це буде і як це зміниться для сонячного будинку, скажімо, на півдні Аргентини?
Сонячні будинки призначені для пасивного зберігання тепла завдяки, наприклад, великій тепловій масі та великій кількості кам’яної кладки. На додаток до правильно вирівняних вікон, слід вибирати більш темні кольори, щоб максимально використати теплову масу.
Ви можете показати різні стилі, такі як прямий коефіцієнт посилення, коли зібрана енергія та потужність надходять з півдня, наприклад, з вікон, що виходять на південь, до решти будинку) та непрямий виграш завдяки використанню таких функцій, як стіни Тромба, в яких простори між стінами використовуються для накопичення енергії в короткі терміни термін.
Демонстрації сонячної енергії для дітей
Усі ці концепції можна показати дітям більшості віків, а старші можуть використовувати загальну інформацію, щоб розпочати власні проекти. Побудова фотоелемента є, мабуть, занадто амбітним для більшості; кращою ідеєю було б запропонувати учням спробувати знайти за допомогою Інтернету та, можливо, своїх батьків, скільки фотоелементів використовується в домашніх пристроях чи принаймні в місцях, які часто відвідують.
Студентам важливо визнати проблеми, пов'язані з накопиченням великої кількості електроенергії, порівняно, скажімо, з даними або матеріалом, що використовується на атомних електростанціях. Якби батареї могли вміщати майже нескінченну кількість електроенергії, як міг би змінитися світовий пейзаж? Чи повинні сонячні будинки знаходитися в особливо сонячних місцях?
Сонячна та відновлювана енергія у 21 столітті
Станом на 2019 рік сонячна енергія становила лише 1 відсоток енергії США. З іншого боку, у 2017 році сонячна енергія становила третину всього «нового» споживання енергії, що зробило її галуззю на підйомі.
Тим часом, енергія вітру становила близько 6 відсотків енергії США по всій країні, і, як очікувалося, найближчим часом його наздожене гідроелектрична енергія. Нарешті, біомаса є ще одним новим гравцем у грі з відновлюваними джерелами енергії; спалення матеріалу від загиблих тварин і рослин може приводити в дію турбіни, але є ні вважається чистим.
Очікується, що ці джерела енергії стануть дедалі популярнішими, оскільки людям та урядам у всьому світі стає неможливим заперечувати багатогранну кризу кліматичних змін.