Каждый TeachEngineering урок или занятие связано с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты следующего поколения — наука

Ожидаемая производительность NGSS
ГС-ESS3-4. Оценить или доработать технологическое решение, снижающее воздействие деятельности человека на природные системы. (9 класс- 12) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции поперечной резки
Разработайте или усовершенствуйте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках данных, созданных учащимися, приоритетных критериях и соображениях компромисса. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Ученые и инженеры могут внести значительный вклад, разрабатывая технологии, которые производят меньше загрязнений и отходов и предотвращают деградацию экосистем. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! При оценке решений важно учитывать ряд ограничений, включая стоимость, безопасность, надежность и эстетику, а также учитывать социальные, культурные и экологические последствия. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Обратная связь (отрицательная или положительная) может стабилизировать или дестабилизировать систему. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования для увеличения выгод при одновременном снижении затрат и рисков. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Ожидаемая производительность NGSS
ГС-ПС3-3. Спроектируйте, создайте и усовершенствуйте устройство, которое работает с заданными ограничениями для преобразования одной формы энергии в другую форму энергии. (9-12 классы) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции раскряжевки
Разработайте, оцените и/или усовершенствуйте решение сложной реальной проблемы, основываясь на научных знаниях, источниках данных, созданных учащимися, приоритетных критериях и соображениях компромисса. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	В макроскопическом масштабе энергия проявляется множеством способов, таких как движение, звук, свет и тепловая энергия. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв! Хотя энергия не может быть уничтожена, ее можно преобразовать в менее полезные формы, например, в тепловую энергию в окружающей среде. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Критерии и ограничения также включают удовлетворение любых требований, установленных обществом, таких как принятие во внимание вопросов снижения рисков, и они должны быть количественно определены в максимально возможной степени и сформулированы таким образом, чтобы можно было сказать, соответствует ли им данный проект. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Энергия не может быть создана или уничтожена — она только перемещается между одним местом и другим местом, между объектами и/или полями или между системами. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв! Современная цивилизация зависит от крупных технологических систем. Инженеры постоянно модифицируют эти технологические системы, применяя научные знания и методы инженерного проектирования, чтобы увеличить выгоды при одновременном снижении затрат и рисков. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!

Общие базовые государственные стандарты — математика

• Интерпретируйте параметры в линейной или экспоненциальной функции с точки зрения контекста. (Оценки 9 — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Поймите, что график уравнения с двумя переменными — это множество всех его решений, нанесенных на координатную плоскость, часто образующих кривую (которая может быть линией). (Оценки 9 — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – технология

• Энергетические ресурсы могут быть возобновляемыми и невозобновляемыми. (Оценки 9 — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Энергосистемы должны иметь источник энергии, процесс и нагрузки. (Оценки 9 — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписаться

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Рабочие листы и вложения

Основы Статья (doc)

Основная статья (pdf)

Больше учебных программ, подобных этому

Урок средней школы

Максимальная мощность

Студенты узнают, как найти точку максимальной мощности (MPP) фотоэлектрической (PV) панели, чтобы оптимизировать ее эффективность при создании солнечной энергии. Они также узнают о реальных приложениях и технологиях, использующих этот метод, а также о законе Ома и уравнении мощности, которые управляют фотоэлектрической мощностью…

Максимальное очко силы

Урок средней школы

Солнечные углы и системы слежения

Студенты узнают о ежедневных и годовых циклах солнечных углов, используемых в расчетах мощности, чтобы максимизировать выработку фотоэлектрической энергии. Они получают обзор систем слежения за солнцем, которые повышают эффективность фотоэлектрических панелей, следуя за солнцем по небу.

Солнечные углы и системы слежения

Деятельность средней школы

Фотогальваника и температура: лед, лед, PV!

Учащиеся изучают, как на выходную мощность фотоэлектрической (PV) солнечной панели влияют изменения температуры. Используя 100-ваттную лампу и небольшую фотоэлектрическую панель, подключенную к цифровому мультиметру, команды изменяют температуру панели и записывают полученное выходное напряжение.

Фотовольтаика и температура: лед, лед, PV!

Урок средней школы

Концентрированная солнечная энергия

Учащиеся узнают, как общее солнечное излучение, попадающее на фотогальваническую (PV) панель, может быть увеличено за счет использования концентрирующего устройства, такого как отражатель или линза.

Концентрированная солнечная энергия

Введение/Мотивация

Вы когда-нибудь замечали, как ЖК-дисплей, такой как экран вашего калькулятора или мобильного телефона, меняет цвет при воздействии экстремально низких или высоких температур? Температура влияет на то, как электричество течет по электрической цепи, изменяя скорость, с которой движутся электроны. Это связано с увеличением сопротивления цепи из-за повышения температуры. Точно так же сопротивление уменьшается с понижением температуры.

Представьте, что вы идете на пробежку по пустыне при температуре 110 ºF. Как вы думаете, вашему телу понравилось бы усердно работать в таких условиях? А теперь представьте тот же забег приятным прохладным осенним вечером с легким ветерком. В каких погодных условиях ваше тело будет работать лучше всего? Точно так же, как способности человеческого организма меняются в зависимости от погодных условий, производительность солнечной панели зависит от условий ее работы.

Солнечные панели лучше всего работают при определенных погодных условиях, но поскольку погода постоянно меняется, а инженеры устанавливают солнечные панели по всему миру в различных климатических регионах, большинство панелей не работают в идеальных условиях. Именно поэтому инженерам важно понимать, как панели реагируют на разные погодные условия. Обладая этими знаниями, они могут разрабатывать способы повышения эффективности солнечных панелей, работающих в неоптимальных условиях.

В некоторых случаях они разрабатывают системы охлаждения для поддержания определенной температуры панелей. Например, солнечные электростанции в очень жарком климате могут пропускать холодную жидкость за панелями, чтобы отводить тепло и сохранять панели прохладными. Это похоже на то, как ваше тело могло бы потеть, чтобы сохранять прохладу, если бы вы бежали при температуре воздуха 110 ºF. После урока обратитесь к соответствующему упражнению «Фотогальваника и температура: лед, лед, фотоэлектрическая энергия»! для студентов, чтобы изучить, как на выходную мощность солнечной панели PV влияют изменения температуры, подвергая температуру панели воздействию различных температур и записывая результирующее выходное напряжение.

Предыстория урока и концепции для учителей

Для каждой отдельной фотоэлектрической системы инженеры должны использовать специальное оборудование, такое как инверторы , чтобы обеспечить максимальную эффективность системы. Различные инверторы рассчитаны на разные максимальные напряжения и имеют более высокую эффективность в разных диапазонах напряжения. Инженеры должны тщательно выбирать фотоэлектрическую систему для различных температурных условий, чтобы гарантировать, что выходное напряжение не будет слишком высоким, что может привести к повреждению оборудования. Фотоэлектрическая система в Аризоне будет иметь максимальное системное напряжение, которое ниже, чем у той же системы в Северной Дакоте (построенной из тех же материалов) из-за более высоких температур в Аризоне. Поскольку фотоэлектрические панели более эффективны при более низких температурах, инженеры также разрабатывают системы с активным и пассивным охлаждением. Охлаждение фотоэлектрических панелей позволяет им работать с более высокой эффективностью и производить больше энергии.

Панели могут охлаждаться активно или пассивно. Для работы активной системы требуется внешний источник питания. Пассивная система не требует дополнительной мощности. Примером пассивной системы может быть массив панелей, отстоящих от крыши на 2 фута (61 см), чтобы позволить воздуху проходить естественным путем за панелями и отводить часть тепла, или крыша белого цвета, которая защищает поверхности вокруг панелей. нагреваться и вызывать дополнительный приток тепла. В активной системе могут быть вентиляторы, обдувающие панели воздухом, или перекачивать воду за панели для отвода тепла. Активная система охлаждения может использоваться в определенных ситуациях, когда дополнительная эффективность панелей превышает энергию, необходимую для работы системы, например, с солнечной электростанцией в пустыне. Их также можно использовать в ситуациях, когда могут быть достигнуты некоторые дополнительные цели, такие как нагрев воды для бытовых нужд. 2007 солнечный дом для десятиборья.

авторское право

Авторское право © Джек Баум, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Пример гибридной фотогальванической тепловой (PVT) системы показан на рис. 1. Эта комбинированная солнечная фотоэлектрическая система и система водяного отопления была установлена ​​на крыше спроектированного студентом дома для десятиборья на солнечных батареях. Система пропускает холодную воду за панелями, чтобы поглощать тепло от них, делая их более эффективными. Нагретая вода используется в доме для душа или отопления. Даже если наружная температура низкая, темные панели и крыша в солнечные дни становятся довольно горячими из-за всего полученного солнечного излучения, что делает систему PVT практичным решением для увеличения производства электроэнергии от фотоэлектрических панелей и снижения тепловых нагрузок в помещении. дом!

Хотя важно знать температуру солнечной фотоэлектрической панели для прогнозирования ее выходной мощности, также важно знать материал фотоэлектрической панели, поскольку эффективность различных материалов зависит от температуры по-разному. Следовательно, фотоэлектрическая система должна быть спроектирована не только в соответствии с максимальной, минимальной и средней температурой окружающей среды в каждом месте, но и с учетом материалов, используемых в фотоэлектрической панели. Температурная зависимость материала описывается температурным коэффициентом. Для поликристаллических фотоэлектрических панелей, если температура снижается на один градус Цельсия, напряжение увеличивается на 0,12 В, поэтому температурный коэффициент составляет 0,12 В/Кл. Общее уравнение для оценки напряжения данного материала при данной температуре: Уравнение для оценки напряжения данного материала при данной температуре.

авторское право

Авторское право © Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

В _OC,mod = напряжение холостого хода при температуре модуля

T _STC [°C] = температура при стандартных условиях испытаний (STC), 25 °C, 1000 Вт/м ² солнечное излучение

T _mod [°C] = температура модуля

В _{OC, номинальное значение} = напряжение холостого хода при STC

Например, для поликристаллического материала используется следующее уравнение: Уравнение для оценки напряжения поликристаллического материала при температуре окружающей среды.

авторское право

Авторское право © Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Влияние температуры может быть четко отображено на кривой ВАХ (ток-напряжение) фотоэлектрической панели. Кривые ВАХ показывают различные комбинации напряжения и тока, которые могут быть созданы данной фотоэлектрической панелью в существующих условиях. Две примерные ВАХ для учебных модулей при разных температурах показаны на рис. 2. Ток, измеренный в амперах (А), отложен по оси ординат. Напряжение, измеренное в вольтах (В), отложено по оси x. Чтобы собрать данные для этого графика, фотоэлектрическая панель была помещена на землю в Боулдере, штат Колорадо, на 40° широты 11 декабря. Первые измерения были проведены в условиях температуры окружающей среды, а затем они были проведены снова после охлаждения панели. на ледяной бане в течение одной минуты. Рис. 2. Эти две ВАХ показывают температурную зависимость выходного напряжения фотоэлектрической панели. Выходное напряжение больше при более низкой температуре.

авторское право

Авторское право © Джек Баум, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Связанные виды деятельности

• Фотовольтаика и температура: лед, лед, PV! — Учащиеся изучают, как на выходную мощность фотоэлектрической солнечной панели влияют изменения температуры, подвергая панель воздействию различных температур и записывая результирующее выходное напряжение. Они строят выходную мощность и рассчитывают температурный коэффициент панели.

Закрытие урока

Сегодня мы узнали, что температура может влиять на то, как электричество течет по электрической цепи, изменяя скорость, с которой движутся электроны. Кроме того, поскольку солнечные панели лучше всего работают при определенных погодных и температурных условиях, инженеры разрабатывают способы повышения эффективности солнечных панелей, работающих в неоптимальных температурных условиях. Это может включать проектирование систем охлаждения, использующих наружный воздух, вентиляторы и насосы.

Теперь, когда мы знаем о влиянии температуры на выходную мощность фотоэлектрических панелей, как вы думаете, какой климат был бы идеальным для установки большой фотоэлектрической системы? (Ответ: Холодный и солнечный климат.) Как вы думаете, много ли таких мест в мире? Если вы посмотрите в Google карты мировых температур и мировой доступности солнечной радиации, вы обнаружите, что большинство мест не идеальны для солнечных фотоэлектрических панелей. Это означает, что у инженеров есть много возможностей для разработки инновационных систем для охлаждения панелей, поскольку солнечные электростанции становятся все более распространенными, потому что идеальный прохладный и солнечный климат встречается редко.

Словарь/Определения

активное охлаждение: использование принудительной воды или воздуха для охлаждения поверхности фотоэлектрических панелей с целью повышения их эффективности.

окружающая среда: Окружающие условия окружающей среды.

инвертор: электрическое устройство, которое преобразует постоянный ток, вырабатываемый фотоэлектрической панелью, в переменный ток, используемый электрическими устройствами. Инверторы также можно использовать для отслеживания точки максимальной мощности, чтобы максимизировать эффективность фотоэлектрической панели.

напряжение разомкнутой цепи: Напряжение, доступное от источника питания в разомкнутой цепи.

фотогальваническая тепловая система: активная система охлаждения, в которой холодная вода используется для снижения температуры фотоэлектрической панели при одновременном нагреве воды для использования в системах горячего водоснабжения.

ток короткого замыкания: Ток, потребляемый от источника питания, если в цепи нет нагрузки.

Температурный коэффициент: число [В/°C], которое можно использовать для определения напряжения холостого хода фотоэлектрической панели при температуре, отличной от стандартной температуры испытаний.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопросы для обсуждения: Задайте учащимся следующий вопрос и обсудите в классе:

• Как вы думаете, какое влияние оказывает температура на эффективность работы фотогальванической (PV) панели?

Оценка после внедрения

Обсуждение в классе: Предложите учащимся прочитать статью «Основы» и вовлеките класс в обсуждение прочитанного. На листе бумаги или в журнале попросите каждого учащегося или группу записать пять фактов, которые они узнали из статьи. Попросите каждого учащегося или группу написать один из этих фактов на доске для обсуждения со всем классом.

• Попросите учащихся интерпретировать график на странице 3 статьи «Основы». (Ответ: полученный график ясно показывает, что когда панель находится при более низкой температуре и более высоком напряжении, достигается более высокая выходная мощность.)

Оценка итогов урока

Перечислите и обсудите: После прочтения статьи по основам попросите учащихся перечислить на бумаге 10 областей применения, в которых можно использовать солнечные батареи. Рядом с каждым приложением укажите температуру (ы), которой может подвергаться панель. Затем поделитесь ответами и обсудите в классе. (Примеры ответов: 1. Солнечная электростанция в пустыне для питания близлежащего города: очень жарко, 100 °F или выше; 2. Обеспечить светом и электроэнергией исследовательскую станцию ​​в Антарктиде: очень холодно, ниже 0 °F.)

Расширение урока

График: Имея температурный коэффициент и напряжение _{OC, номинал} , попросите учащихся построить график зависимости выходного напряжения от температуры для годового диапазона температур в их родном городе.

Рекомендации

Зеленая сила бьет по склонам. Опубликовано в декабре 2007 г. Новости EERE-PMC, Министерство энергетики США. По состоянию на 10 марта 2010 г. https://www.eere-pmc.energy.gov/PMC_News/PMC_News_12-07.aspx

Солнечное десятиборье.