У вас когда-нибудь был солнечный ожог? Если был, то вы на себе ощутили, насколько мощным может быть солнечное тепло. Знаете ли вы, что это тепло может быть превращено в электрическую энергию? Возможно, вы слышали о солнечных элементах, но как насчет солнечной башни восходящего потока? Эта очень простая конструкция, которая использует солнце для нагрева воздуха, и затем приводит в движение турбину в большой башне. В этом опыте вы сами построите одну из таких башен. Как вы думаете, можете ли вы добиться вращения ветряной турбины только горячим воздухом? Начните, чтобы узнать!
Для опыта понадобится:
- Плотная бумага черного цвета
- Карандаш
- Ножницы
- Клейкая лента
- Пластилин
- Деревянная палочка
- Швейная игла
- Лампа накаливания или нагревательная лампа (светодиодная лампа слишком холодная, чтобы выделять достаточно тепла)
- Солнце и защищенная от ветра зона снаружи (опционально)
- Термометр (по желанию)
- Секундомер (опционально)
- Белая бумага (по желанию)
Подготовка и проведение опыта:
- Сверните черную конструкционную бумагу в конус с небольшим отверстием вверху (диаметр 5 см) и большим отверстием внизу (диаметр 10 см).
- Используйте клейкую ленту, чтобы склеить конус. Затем ножницами выровняйте верхний и нижний края конуса, чтобы сделать их прямыми. Конус должен быть примерно от 25 до 70 см в высоту и уверенно стоять на поверхности.
- В нижней части конуса вырезаем три равноудаленные арки размером 5×2 см. Это будут ваши воздухозаборники. Убедитесь, что конус все еще может стоять на оставшемся ободе.
- Вырежьте пропеллер диаметром 7 см из белой бумаги. Вы можете найти шаблоны пропеллера онлайн либо скачать с нашей странички. Согните лопасти винтов под углом 45° вниз.
- С помощью клейкой ленты осторожно прикрепите иглу к верхней части деревянной палочки острым концом вверх.
- Сделайте шарик из пластилина.
- Найдите защищенное от ветра место в помещении, чтобы установить солнечную восходящую башню. Важно, чтобы во время опыта не было внешнего воздушного потока. Почему ваше рабочее место должно быть защищено от ветра?
- Расположите черный бумажный конус над пластилином так, чтобы он (пластилин) находился в центре конуса.
- Воткните деревянную палочку в пластилин через верхнее отверстие башни, чтобы шампур располагался в центре конуса. Игла на вершине палочки должна находиться в 3-5 см от края конуса.
- Возьмите пропеллер и установите его на острие иглы. После того, как вы установите пропеллер, он должен быть сбалансирован и иметь возможность свободно вращаться. Вам может потребоваться некоторое время, чтобы убедиться, что пропеллер правильно опирается на иглу. Что происходит с пропеллером, опирающимся на иглу? Он движется?
- Поместите лампу рядом с башней и направьте ее свет к основанию. Не оставляйте включенную лампу без присмотра во время эксперимента. Как вы думаете, что будет происходить с лампой?
- Включите лампу и понаблюдайте за башней восходящего потока. Потребуется немного терпения. Что вы видите?
- Выключите лампу и продолжайте наблюдать за вашей башней в течение 5-10 минут. Что происходит, когда вы выключаете лампу?
- Дополнительно: Как быстро вы сможете вращать пропеллер? Пометьте один из лопастей винта карандашом, а затем подсчитайте количество оборотов за 15 секунд с помощью секундомера. Умножьте число оборотов на четыре, и вы получите скорость вращения вашего пропеллера об / мин (оборотов в минуту).
- Дополнительно: вы можете повторить эксперимент, но на этот раз используйте белую бумагу для сборки вашей солнечной башни восходящего потока. Цвет бумаги имеет значение? Почему «да» или почему «нет»?
Наблюдения и результаты:
Ты заставил свой винт вращаться? В начале пропеллер не должен был двигаться. Если это произошло, винт, скорее всего, движет внешний поток воздуха от двери или ветра. Температура воздуха внутри и снаружи башни должна была быть примерно одинаковой. Это изменилось, когда вы включили лампу. Лампа накаливания излучает свет и тепло, как солнце. Вы заметите это, когда будете держать руку рядом с ней. Когда свет падает на черную бумагу, она поглощает большую часть света и начинает нагреваться. Тепло задерживается внутри конуса, что повышает там температуру воздуха. Поскольку теплый воздух менее плотный, чем холодный, он начинает подниматься вверх по бумажному конусу. Этот восходящий поток заставляет вращаться винт на вершине конуса, что вы наблюдали через некоторое время.
Поднимающийся воздух снижает давление внутри конуса, поэтому свежий воздух всасывается в бумажный конус через воздухозаборники, которые вы вырезаете внизу. Этот новый воздух нагревается, и создается непрерывный восходящий поток, который поддерживает вращение пропеллера. Цикл прерывается только при выключении лампы. Поскольку нет источника тепла, воздух внутри конуса начинает медленно охлаждаться и через некоторое время возвращается к той же температуре, что и наружный воздух. В этот момент пропеллер перестает вращаться, потому что больше нет восходящего потока.
Солнце - очень мощный источник энергии. Фактически, менее чем за 15 секунд оно может дать Земле столько энергии, сколько люди используют за один день! Большая часть этой энергии достигает Земли в форме света и тепла. Неудивительно, что люди долго думали, как эту энергию можно собрать и использовать с пользой. В течение последних двух столетий ученые исследовали и разработали технологии для преобразования энергии солнца непосредственно в электрическую энергию. Сегодня существует много различных методов производства солнечной энергии, таких как солнечные батареи, солнечные тепловые коллекторы и солнечные концентрационные системы.
Одна из этих систем, называемая солнечной башней восходящего потока, представляет собой технологию солнечного теплового коллектора. Башня на солнечной энергии может генерировать электричество из солнечного тепла. Научные концепции, лежащие в основе этой идеи, основаны на парниковом эффекте и эффекте дымовой трубы или дымохода. Такие электростанции состоят из большой коллекторной конструкции и очень высокой башни. Конструкция коллектора напоминает гигантскую теплицу и состоит из массивного прозрачного навеса, который подвешен на высоте от 2-х до 20 м над землей. Башня расположена в центре конструкции навеса и имеет большие воздухозаборники в основании. Внутри башни большие ветряные турбины для производства электроэнергии.
Когда солнце светит на структуру коллектора, его тепло попадает в ловушку внизу, как в теплице, которая нагревает воздух и землю под конструкцией купола. Поскольку горячий воздух менее плотный, чем холодный, он начинает подниматься, вызывая воздушный поток, также называемый тепловой конвекцией. У воздуха нет другого выхода, кроме пути через башню. Поднимающийся воздух в башне создает низкое давление в нижней части башни, и больше горячего воздуха из коллектора всасывается внутрь башни через ее воздухозаборники у основания. В результате солнечная энергия вызывает в башне непрерывный восходящий поток. Ветряные турбины, установленные внутри башни, преобразуют энергию, содержащуюся в восходящем потоке, в механическую, перемещая его лопасти. На следующем этапе это движение преобразуется в электрическую энергию генераторами.
Несмотря на то, что технология кажется довольно простой и может генерировать много энергии, полномасштабные устройства пока не работают. Несколько прототипов моделей, однако, были построены и изучены.
