الخلايا شمسية وطرق استخدامها

موضوع طاقة الأشعة: خلايا شمسية وطرق استخدامها.

§      مراجعة توصيل الدوائر الكهربائية – نتمحور في توصيل مصادر كهربائية للمصادر وليس مُستهلكات.

§      الربط بين موضوع الكهرباء ( من الصف الثامن ) وموضوع الطاقة.

§      قياس الجهد الكهربائي والتيار الكهربائي في الدوائر الكهربائية.

§      تعرُّفأولي على جهاز تطبيقي لتحويل طاقة الأشعة إلى كهرباء في الخلية الشمسية.

§      فهم القدرة الكهربائيةالتي يمكن الحصول عليها بواسطة الجهد العالي والتيار المنخفض،أو بالعكس.

§      مقارنة بين البطارية كمصدر للجهد وبين الخلية الشمسية ممصدر للجهد كهربائي.

§      التعرُّف على الصمام الكهربائي الذي يُطلق الضوءكوسيط للتوفير في طاقة الاضاءة.

§      فهم الامكانيات التكنولوجيا للتوفير في الطاقة بواسطة خلايا شمسية وصمامات مشعة للضوء.

التجهيزات المطلوبة لكل محطة ( يجب الضرب بعدد  محطات التجربة):

§      يعرض المعلم خلايا شمسية مختلفة. 10 خلايا شمسية متشابه.

§      مصباح قراءةلإضاءة قوية،أو تعريض خلية شمسية لأشعة الشمس مباشرة (يمكنإجراء ذلك في الخارج)

§      جهاز متعدد القياس (مولتيمتر) لقياس الجهد والتيار الكهربائي. يمكن بدلاً من استخدام  جهاز مقياس الجهد ومقياس التيار بشكل منفصل، يُفضل أن يعرض المعلم كيفية استخدامها أمام الطلاب.

§      24 سلك توصيل قصير  ( 10-20 سم ) رفيع موصولة في فك تمساح في كل من جهتيها. إذا أمكن أسلاك مع وصلات موازية الشكل.  يجب التزود أيضًا بقطع فك تمساح لتوصيل الاسلاك.

§      مصابيح توهج صغيرة داخل قواعد المصابيح.

§      صمامات كهربائية مشعة للضوء(LEDs)بألوان مختلفة ( واحدة من كل نوع)  موصولة بمقاومات للحد من التيار الكهربائي. عندما لا يكون مفر من ذلك، يمكن استخدام صمامات مشعة للضوء مجهزة بلولب التثبيت واستخدام قواعد لتثبيت المصابح.

§      محركات تعمل بجهد ثابت بواسطة جهد منخفض (يفضل نوعيْ محركات: الأول له جهد منخفض وتيارعال والثاني بالعكس.

§      صفارات تعمل تحت جهد كهربائي منخفض

§      بطارية 1.5 فولط صغيرة  (AA).

§      مصباح " إضاءة للخيمة " (Christmas Light).

التحضير للتجربة

تظهر الخلايا بعدة أشكال وأحجام. لكل خلية شمسية يوجد قطبين سالب وموجب، اذا لم تكن هناك أسلاك موصولة بالخلايا الشمسية في كل من القطبين، يجب أننلحم سلكين،أو استخدام أسلاك موصولة بفك تمساح في كل من القطبين.

ملاحظة: في كل التجارب، يجب الاهتمامأن تكون الخلايا الشمسية في مواقع متشابه ( البُعد والزاوية) بالمقارنة مع مصدر الضوء، لكي تكون قدرة الضوء متشابه في التجربتين.

قبل البدء في التجارب، يجب أن نتعرف على قوانين حساب القدرة الكهربائية(P = V*I) بواسطة معرفة الجهد الكهربائي (V)، التيار الكهربائي, (I) وكذلك العلاقة بين القدرة والطاقة(P=E/Dt)المهمة للفهم.

اجراء التجربة:

1. عليكم قياس الجهد الكهربائي والتيار القصويين اللذان نحصل عليهما من خلية شمسية واحدة من الاضاءة القصوى.

·         الجهد الكهربائي الاقصى الذي يمكن الحصول عليه من خلية واحدة عند الاضاءة القصوى هو: ֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹ_________

·         التيار الكهربائي  الاقصى الذي يمكن الحصول عليه من خلية واحدة عند الاضاءة القصوى هو: ֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹֹ______

·         احسبوا القدرة القصوى التي يمكن أن نحصل عليها من خلية شمسية واحدة_________

·         هل، بحسب رأيكم، حاصل ضرب المقدارين اللذان تمّ قياسهما يعطينا القدرة الكهربائية للجهاز؟ اشرحوا.

·         إذا كان الإجابة لا،  ما هو الظرف،بحسب رأيكم ، الذي يجعلنا قادرين  على استخدام حاصل ضرب الجهد بالتيار للحصول على قدرة صحيحة ؟ اشرحوا.

·         أوصلوا مستهلكًا في الدائرة الكهربائية للخلية الشمسية. حاولوا إضاءةمصباح التوهج، بواسطة خلية شمسية واحدة. صفوا الذي حصلتم عليه.

2.  كرروا كل مراحل التجربة من المرحلة الاولى، لكن استخدموا خليتين شمسيتين موصولتينببعضهما،  لاحظوا أن هناك امكانيتين لتوصيل الخليتين.

·      قبل القيام بالتوصيل، ارسموا الدوائر الكهربائية.

·      نفِّذوا قياسات، لفحص متى ( في اي طريقة توصيل) نحصل على الجهد الأقصى، التيار الأقصى والقدرة القصوى, اشرحوا النتائج التي حصلتم عليها.

(في هذه المرحلة،ننصحكم بالتوقف عن تنفيذ التجربة، واجراء نقاش صفي حول النتائج ومعناها)

3.عليكم توصيل جميع الخلايا الشمسية التي حصلتم عليها، لكي  نحصل على الجهد الكهربائي الاقصى. خططوا وارسموا الدائرة الكهربائية التي تريدون توصيلها لتحقيق الهدف.

·      هل تعرفون اسم هذا النوع من التوصيل الكهربائي؟_________________________.

4. أوصلوا الدائرة كما يظهر في الرسم الذي خططتموه، وقيسوا الجهد الكهربائي الأقصى الذي نجحتم في إنتاجه: ___________ هل يناسب توقعاتكم؟

·      ما هو التيار الذي حصلتم عليه في هذه الحالة من النظام الذي أوصلتموه؟ __________ هل هو أكبر/أصغر من التيار الكهربائي الذي حصلتم عليه من خلية شمسية واحدة ؟ اشرحوا.

(نقاش في الصف حول نوع التوصيل الكهربائي للحصول على الجهد الأقصى).

1.      عليكم توصيل جميع الخلايا الشمسية التي حصلتم عليها،  بحيث تحصلون على التيار الاقصى.

·         خططوا وارسموا مكونات الدائرة الكهربائية التي تريدون توصيلها لتحقيق الهدف.

·         هل تعلمون ما نوع  هذا التوصل الذي توصلتم إليه؟ ______________

2.  صلوا الدائرة الكهربائية التي حضَّرتموها، قيسوا التيار الكهربائي الأقصى الذي توصلتم إليه. ____

·         ما هو الجهد الكهربائي الناتج في هذه الحالة من النظام الذي أوصلتموه؟ ______________

هل هو أكبر/أصغر من الجهد الذي حصلتم عليه من السخان الشمسي؟ اشرحوا.

(نقاش في الصف حول التوصيل الكهربائي للحصول على التيار الكهربائي الاقصى).

3.     احسبوا القدرة الكهربائية التي حصلتم عليها في الدائرتين اللتان وصلتموهما مع كل من الخلايا الشمسية، هل حصلتم في الدائرتين على نفس القدرة؟

4.     حاولوا بناء دائرة كهربائيةيضيءفيها مصباح التوهج بأكبر قدر ممكن بواسطة الخليتين الشمسيتين اللتين حصلتما عليهما. ارسموا الدائرة التي بنيتموها، وصفوا بكلماتكم النتيجة التي حصلتم عليها. ما هو الجهد الذي احتجتموه؟ ما هو التيار الكهربائي الذي يمر من المصباح؟ ما هي القدرة التي يستهلكها المصباح؟

5.     مهمة تخطيط محددة: ارسموا التوصيلات الكهربائية التي عليكم إيصالها بالخلايا الشمسية التي حصلتم عليها للحصول على جهد كهربائي  1.6 فولط بمرافقة تيار كهربائي أقصى.

6.     صلوا الدائرة بحسب الرسم الذي خططتموه. قيسوا التيار الذي حصلتم عليه________

ما هو الجهد الكهربائي الذي حصلنا عليه من النظام الذي قمنا ببنائه ؟ ____________

7.     صلوا مصباح التوهج ببطارية واحدة قدرتها 1.5 فولط،  قيسوا الجهد الكهربائي على المصباح وكذلك التيار الذي يمر منه.

8.     ما هي الفروق،بحسب رأيكم، بين البطارية والخلية الشمسية كمصدرين طاقة؟ (اكتبوا جميع الفروق التي وجدتموها)

مناقشة النتائج مع طلاب الصف

ابتداءً من هذه المرحلة، تصبح الفعالية دون إرشاد. عليكم تنفيذ أكبر عدد ممكن من المهام، يجب توثيق عملية التنفيذ ( وصفًا كلاميًا، رسم دائرة كهربائية، تصوير وغير ذلك)

9.      صلوا الخلايا الشمسية وفقًا للحاجة على التوازي والتوالي،لكي نضيئ الصمامات الكهربائية المشعة للضوء،(Light Emitting Diodes = LEDs)(انتبهوا إلى الأقطاب عند التوصيل). سجِّلوا الجهد الأدنى اللازم لتشغيل كل من الصمامات  الكهربائية المشعة. ما هو التيار الكهربائي الذي يمر في كل منها؟احسبوا القدرة الكهربائية اللازمة لتشغيل كل من الصمامات المشعة.

10.          صلوا الخلايا الشمسية وفقا للحاجة على التوالي والتوازيلاضاءة المصباح الملون، سجلوا قيمة الجهد اللازم لذلك، وما هو التيار الذي مر من المصباح؟ احسبوا القدرة الكهربائية اللازمة لتشغيل المصباح.

11.          صلوا الخلايا الشمسية  على التوالي والتوازي  وفقا للحاجة لتشغيل المحركات الكهربائية الصغيرة، سجِّلوا الجهد اللازم لذلك، وما هو التيار الكهربائي الذي مر منها؟ احسبوا القدرة الكهربائية اللازمة لتشغيل كل من المحركات.

12.          هل يدور المحرك بالاتجاه الصحيح  ( يضخ الهواء إلى الأمام)؟ إذا كانت الإجابة كلا، ما الذي يجب القيام به لكي يدور بالاتجاه الصحيح؟ حاولوا استخلاص النتائج بخصوص استخدام الصمامات الكهربائية كمصدر للاضاءة بالمقارنة مع مصباح التوهج.

13.          حاولوا التطرق إلى كمية الضوء المنطلقة  من الصمام الأبيض بالمقارنة مع الضوء المنبعث من مصباح التوهج وفقًا للقدرة الكهربائية المستخدمة في التشغيل.

من هنا يمكن تطوير نقاش صفي في موضوع: نجاعة تحولات الطاقة.

في هذه الفعالية، يوجد مستهلكات ذات نجاعات مختلفة ( مصباح التوهج مقارنة بالصمام الكهربائي المشع) كذلك مصادر طاقة مختلفة ( بطارية بالمقارنة مع الخلية الشمسية).

للمتفوقين،يمكن تنفيذ فعالية بحث لفهم العلاقة بين القدرة في الدائرة الكهربائية والمقاومة الكهربائية لمصدر الجهد وبين المقاومة الكهربائية للمصدر. هنا يمكن تنفيذ فعاليات بحث حول موضوع الاستهلاك الكهربائي.

الملحق ح- أمثلة لمشاريع تكنولوجية في موضوع " انظمة" " وتصميم"

الهدف: تعليم مصطلحات أساسية  في" لغة "  الأنظمة بما يتعلق في تحولات الطاقة أو انتاج الطاقة بواسطة نماذج عملية.

أ‌.         فرن الخبز

ملاحظة: المثال الاول سهل نسبيًا ويشكل مقدمة للموضوع.

تعريف: فرن الخبز مكون مبدئيًا من خلية يمكن اغلاقها، حيث تسخن إلى درجات حرارة عالية من أجل خبز المواد الغذائية أوشويها.

في هذا المثال، نبدأ بتعريف معطيات الفرن. المعطيات الهندسية تتكون من المتطلبات الأساسية للنظام الكامل.

كل تخطيط هندسي لنظام يبدأ في فهم المتطلبات التي يجب على النظام أن يفي بها للقيام بوظيفته. لا نتطرق هناإلى قضية تكلفة المنتج التي تشكل عاملاًأساسيًا في السوق التنافسي.

السؤال الأول للطلاب: ما هي،بحسب رأيكم، الشروط التي يجب أن يفي بها فرن الخبز؟

للمعلم: وجِّه التلاميذ لعرض المتطلبات ذات الصلة بتشغيل الفرن وليس مظهره الخارجي (مثل اللون )،أو السعر،على الرغم من وجود متطلبات بخصوص التنسيق و السعر وغير ذلك، والتي لها اهمية كبيرة، لكنها لا تحتل لب الموضوع حاليًا).

مساعده للمعلم: معطيات أساسية عن فرن الخبز تشمل:

درجة حرارة العمل: ( مثلا : 250 درجة مئوية)

الحجم

الاستهلاك الكهربائي

مصابيح  مراقبة لزمن عملية التسخين

طرق العمل (برامج تشغيل)

إمكانية مشاهدة ما يوجد داخل الفرن دون فتحه

المواد المستخدم في إنتاج الفرن ( إطار, باب)

وسائل الأمان

ملاحظة للمعلم: انتبه عند وصف النظام الأساسي، يمكن أن نتحدث عن ازرار الادخال التي تتحكم بالنظام وتكون عادةً مركبة على لوحة مفاتيح مثبته على الفرن.

ننتقل الآن إلى تحليل فرن الخبز، اطلبوا من التلاميذ تحليل مفاتيح الإدخال، الإخراج العملية والتحكم بفرن الخبز.

مواد مستوعبة - مواد غذائية (داخل قوالب) والطاقة الكهربائية.

مفتاح التحكم في العملية: ساعة لقياس الزمن- تحكم مستقل ( هذا يعني لا تتعلق بمتغير له علاقة بالعملية).

انتهاء الوقت-  ايقاف أجسام التسخين عن العمل(عادةً نسمع صوت تنبيه).

التحكم في درجة الحرارة – التحكم في درجة الحرارة في  دائرة مغلقة ( الفرن يشمل ميزان حرارة يخافظ على درجة الحرارة التي حددت).

ملاحظة:  نفترض أن درجة حرارة المادة الغذائية في الفرن تساوي درجة حرارة الفرن.

طرق العمل- مثلا تسخين من الأسفل/من الأعلى/ كلاهما وكذلك إمكانية الطوربو.

العملية: تشغيل الفرن يؤدي إلى مرور التيار الكهربائي من خلال أجسام التسخين المثبته داخل الفرن في الجزئين السفلي والعلوي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الفراغ داخل الفرن وخبز المواد التي داخله.

طريقة العمل مع الطوربو، هي عملية تشغيل مروحة داخل الفرن، حيث تؤدي الى نشر الحرارة بالتجانس داخل الفرن.

الإخراج: إخراج الغذاء المرغوب به بعد التسخين  (كعكة\سمكة\ دجاجة وغير ذلك ). إخراج إضافي–اطلاق حرارة إلى البيئة المحيطة.

أسئلة: 1. ما هو العامل الأساسي ( أو العوامل) التي تحدد، حسب رأيكم، جودة الفرن؟

            إجابة: قدرة صمود المواد المصنوع منها الفرن في درجة حرارة عالية،  الدقة بمراقبة درجات الحرارة،استهلاك المزوِّد الكهربائي، سهولة التشغيل والتنظيف.

2. ما هي العوامل التي تؤدي إلى خسارة الطاقة ( أو تقليل النجاعة)،بحسب رأيكم،  في فرن الخبز؟

إجابة: يتضح أن العامل الأساسي .. هو فتح باب الفرن لفحص وضع الغذاء، عامل مهم آخر هو مقدار ما يطلقه من حرارة إلى البيئو المحيطة ( كلما كان مستوى العزل في الفرن أحسن،فإنّ النجاعة تكونأعلى)

3.قارنوا بين فرن حديث الصُنع وفرن قديم الصنع ( مثلاً- طابون).

( يمكن أن نجعل الموضوع ممتعًاإذا طلبنا من الطلاب  أن يحكوا قصصًا من حياة عائلاتهم في هذا المجال)

4. إذا كان داخل الفرن نظام ثانوي للاضاءة، ما هو مبناه؟

إجابة: استيعاب- كهرباء، عملية – مرور تيار كهربائي من خلال سلك، اخراج- ضوء وحرارة.

ب. سيارة كهربائية

تعريف: تعتمد السيارة الكهربائية على تحريك العجلات بواسطة محرك لا يستهلك وقود، وإنما يستهلك طاقة الكهربائية. من حيث تحولات الطاقة، نحوِّل طاقة الكهرباء إلى طاقة حركة ( في حالة الصعودإلى أعلى المنحدر، نحوّل إلى طاقة ارتفاع أيضًا)

الحاجة: الاستغناء عن النفظ (الذي من شأنه أن يزول بعد عشرات السنين) ، تقليل إطلاق مواد إلىالبيئة المحيطة.

الإدخال: القدرة الكهربائية المستهلكة من البطارية وكذلك وضع دواسة الوقود ( أو دواسة الفرامل) للمركبه:

الإخراج: المطلوب هو سرعة المركبةالتي تعادل سرعة دوران عجلات المركبة، في السيارة الكهربائية تتحول الطاقة الكهربائية إلى حركية وإلى طاقة حراريةتَنْتُج في المحرك نتيجة لتدوير العجلات.

الضابط  يترجم وضع دواسة المركبةإلى قدرة تزوّد المحرك الذي من شأنه أن يزيد السرعة أو يقللها في عجلات السيارة.

يؤدي دوران العجلات إلىتحريك مولد كهربائي يُنْتِج كهرباء عند نزول السيارة أو فرملتها، وبذلك يقلل من تفريغ البطارية.

(من الأفضل أن نشرح للطلاب، لماذا لا يستطيع المولد شحن البطارية بسرعة ثابته، أوفي خالة صعود)

ملاحظة: المحرك الكهربائي،يمكن أن يكون,محركا يعمل بالتيار المباشر  (محركDC)، حيث يمر فيه تيار كهربائي ثابت من خلال لولب كهربائي يُنْتِج مجالاً مغناطيسيًا،أو تيارًا كهربائيًا مترددًا (محركAC)يعمل بجهد غير مباشر كالذي يعمل في البيوت.

في السيارات التي تعمل بواسطة النظام المسمى Cruise Control،عند تشغيلها،يعمل نظام تحكم يحافظ على سرعة السيارة بالمستوى الذي حدده السائق طيلة الوقت الذي لا يضغط به السائق على  دواسة الفرامل. أي أنه يشغل نظام تحكم في دائرة مغلقة، حيث يتلقى الإشارات من مجس يقيس سرعة السيارة.

واضح بأنناتجاهلنا الأنظمة الثانوية الإضافية المثبته في كل سيارة، مثل: نظام الغيارات، نظام التوجيه،أنظمة الكترونية (مثل: مراقبة اتزان السيارة أو ABS)، ولا ننسى الأنظمة الصوتية، التشغيل وغير ذلك.

السؤال الأول: ما هي مشاكل هذه السيارات في أيامنا؟

الإجابة:  سعة البطارية، وزنها الكبير، الشحن البطيء، السعر).

سؤال 2: كيفتتم،بحسب رأيكم، عملية قياس سرعة السيارة؟

سؤال للمتفوقين: ابحثوا في الإنترنيت، وسجِّلوا وصفًا لكيفية عمل نظام التحكم بالسرعة الذي يسمَّى

Cruise Control.  رمز–PID.

إجابة: عادة نظام التحكم الذي يستقبلإدخال السرعة المطلوبة، وقياس السرعة اللحظية الحقيقية للسيارة، يحتوي على جهاز الكتروني أساسي يسمَّىProportional وهذا يعني يزيد أو يقلل من السرعة اللحظية الحقيقية بحسب الفرق بين السرعة الحالية والسرعة المطلوبة.هناك مكونآخر نسمِّيهIntegral وهو يتحكم في المسافة التي تقطعها السيارة ( دامج السرعة)، ومكونآخر نسمِّيهDerivative يتحكم في تسارع السيارة. (مشتقة السرعة).

السؤال 4: ماذا يحدث لسيارة كهربائية عندما تصل البطارية إلى نفاذ شحنها؟

السؤال 5: ( للمتفوقين): صفوا أنواع البطاريات التي تُستخدم في السيارات الكهربائية (شكلاً وعملاً).

وكذلك ما هو المصطلح Fuel Cellالذي يشكل حلاً مستقبليًا للسيارات الكهربائية.

ت. محطة القوة

ملاحظة: يؤخذ المثال من الكتاب " محطة القوة والبيئة المخيطة" للمؤلف  دجان وكيفقمان، وملاءمة المادة للصف التاسع.

أ‌.         الهاتف الخليوي

ملاحظة: هذا مثال معقد نسبيًا ( مناسب للصف العلمي).

المهمة أ: اعرضوا رسما توضيحيًا بواسطة مستطيلات يمثِّل الأنظمة الثانوية التي تعالج إرسال الإشارة من الهاتف.

المهمة: ب: حللوا جميع تحولات الطاقة التى فيهاإشارة صوتيه تخرج من فم متكلم يستخدم الهاتف الخليوي حتى تصل أُذن الشخص الذي يسمع في الهاتف الآخر.

1. مشاريع تصميم للتلاميذ:

الهدف: إجراء أبحاث تصميم  (مدموجة بالبحث)، لكي نُكسب التلاميذ مصطلحات أساسية في مجال مهارات التصميم. نعتمدهناأيضًا على دمج المادة النظرية ( بايجاز) مع " التعلُّم من خلال العمل" الذي يكون أساس عملية التعلُّم.

أ‌.         الطبخ بواسطة الشمس

نطلب من التلاميذ أن يخططوا ويبنوا فرنًا من مواد بسيطة، وأن يطبخوا مواد غذائية بواسطة اشعة الشمس، مثل: بندورة أو فليفلة.

يمكن اجراء منافسة بين الطلاب.

الحاجة: عرض استخدام الطاقة الشمسية وكذلك التوفير في الطاقة الذي يمكنأن يكون مفيدًا في الجولات الحقلية.

مبادىء علمية: تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، تركيز الاشعة،الخفاظ على الحرارة.

تحدي: عرض تخطيطأصلي من مواد بسيطة نسبيًا وتنفيذه.

مساعدة للمعلم: الموقع Solar Cooking World Networkيحتوي على كمية كبيرة من المعلومات عن الموضوع:

في الصفحة التالية: -  http://solarcooking.wikia.com/wiki/Category:Solar_cooker_plans

عُرضت عدة خطط وحسناتها/سيئاتها الأساسية.

ملاحظات: يمكناستخدام الكالكار المغلف بورق الألومنيوم لبناء جدران الفرن. المواد المستخدمة في البناء يجب أن تتحلىبالمقاومة للحرارة، من الافضل تثبيت ميزان حرارة (يقاوم درجات حرارة عالية ويقيس درجة الحرارة في عدة مناطق  داخل الفرن وفي نفس اللحظة.

يجب التزود بنظارات شمسية أثناء تشغيل الفرن.

ينصح بتحضير إمكانية دوران لملاحقة أشعة الشمس.

ب. مسابقة سيارات شمسية

الحاجة (سيارات تعمل بالطاقة الشمسية): تقليل التكلفة لأصحاب السيارات, تقليل انبعاث مواد إلى البيئة المحيطة.

مبادىء علمية: لوحة خلية – شمسية تُنْتِج شحنات كهربائية، حيث يتم تخزينها في بطارية السيارةوتستخدملتزويد الطاقة للسيارة أثناء تشغيل المحرك، لكي تسير السيارة مسافات كبيرة. في الأيام الغائمة،أو في ساعات الليل، تستغل السيارة الطاقة الموجودة في البطاريات، اليوم سعة البطارية محدودة، لذلك تشكل عائق رئيسي في مثل هذه السيارات. في المستقبل، تُقام محطات شحن  على جوانب الطريق، وكذلك نتوقعأن يتم تطوير بطاريات بجودة أعلى.

مثاللسؤال بحث

كيف تؤثر زاوية سقوط أشعة الشمس على قدرات السيارة الشمسية؟

نفِّذوا تجربة في ساعات اليوم المختلفة،وغيِّروا زاوية اللوحة الشمسية، لكي تفحصوا فرضياتكم.

قوانين السباق الأساسية:

تتم المسابقة بين الطلاب، , يمكن أن نعتمد على  التنسيق، التخطيط ( الرسم وغير ذلك)، المظهر النهائي للسيارة، المسافة التي قطعتها السيارة، السرعة وغير ذلك.تتم المنافسة بين سيارات ذات أنظمة تحريك متشابه أو مختلفة.

   

المواد: 

-          خلية شمسية

-          محركDC

-          عجلات أمامية /خلفية ومحاور

-          نظام غيارات / نظام دفعيُتيحالربط بين العجلات والمحاور (مختلفة الانواع)

-          مواد بناء اضافية.

انظروا الموقعSunWind,   http://www.sunwindsolar.com/

أو الموقعhttp://www.miniscience.com/projects/CAR_SOLAR/index.html    .

أ‌.        التحكم بدرجة حرارة(تسخين تبريد) دفيئة مصغرة

الحاجة: نفرض أنه لدينا صندوف ونريد أن نزرع داخله نباتاتبدرجة حرارة ثابته: هناك نباتات حساسةيمكنهاأن تنمو بظروف معينة بصورة أفضل بكثير وأسرع .

سؤال المشروع: ما هو الحل الذي تختاره لحل هذه المشكلة ( الذي هو في الواقع عبارة عن نموذج مبسط للتحكم في درجة حرارة الدفيئة الزراعية)؟

ما هي الامكانيات المتاحة؟ وما هي الامكانيات المفضلة بحسب رأيكم؟

نطلب من التلاميذ أن يفكروا في مجموعات، وأن يعرضوا التخطيط بالتفصيل وأن يشرحوه.

مرحلة التحقق: يحتاج الطلاب إلى جهاز تحكم يستطيع تشغيل جسم تسخين ومروحة، من خلال استخدام مجس حراري، عندها يتمكنوا من تخطيط  الجوريتم (خوارزمية) للحفاظ على درجة حرارة ثابته في الدفيئة المصغرة، عندما تتغير درجة حرارة البيئة المحيطة أيضًا.

سؤال: قدروا القدرارت الكهربائية التي يجب أن تكون في المروحة وجسم التسخين.

يتناوب التلاميذ على تحضير نموذج  في الحاسوب، بحيث يستخدم المجس الحراري الموصول بالحاسوب ويُخرج إشارة " تسخين" أو " تبريد" إذا كانت درجة الحرارة أقل أو أكبر من القيمة القيمة التي نُدخلها بالتناظر.

سؤال : اين نُبذر طاقة عندما نشغل مروحة؟

سؤال للتفكير: يجب على التلاميذ أن يفكروا، ماذا يحدث في " نقطة التحول" التي عندها درجة الحرارة التي قيست تساوي درجة الحرارة المطلوبة؟ هل كل تغيير صغير بأجزاء من درجة الحرارة يؤدي إلى تشغيل التسخين أو التبريدبالتناظر ؟ كيف يمكن أن نمنع ذلك في مرحلة التخطيط؟ صفوا نظام التحكم الذي خططتموه بواسطة رسم تخطيطي.

ب‌.     تخطيط وبناء نموذج مولد رياح بيتي.

الحاجة: التوفير في الطاقة، خاصة في الأماكن التي تكثر فيها الرياح.

سؤال المقدمة: ما هو المبدأ الأساسي الذي يعتمد عليه تشغيل هذا المولد؟

إجابة: نستخدم " مبدأ المولد " بمساعدة محرك DC صغير،حيثتؤديأجنحة المولد إلى تدوير محوره (نتيجةً للرياح) وعندها نحصل على طاقة كهربائية منه.

سؤال البحث: 1. هل هناك حاجة لتغيير زوايا أجنحة المولد وفقًا لحركة الرياح؟

2. هل تستطيعون تقدير القدرة الكهربائية التي نستطيع إنتاجها من المولد، إذا علمنا كبرأجنحته؟

يعتمد تنفيذ البحث على أحد الموقعين في الإنترنيت اللذان يبحثان هذا الموضوع، مثلاً:

http://ourplanet.scl.co.uk/climate-change-lesson-plan.asp?lessonID=26

في هذا الموقع،توجد قائمة المواد (لبناء نموذج مولد كهربائي يعمل بواسطة الرياح) وشرائح عرض جميلة

( باللغة الانجليزية) تشرح مراحل البناء.

في هذا الموقع:

http://www.windpower.org/en/knowledge/wind_with_miller.html

يوجد عرض محاكاة جميل  (Crash course with Miller) يشرح عمل المولد الكهربائي الذي يعمل بالرياح،يمكن بالطبع أن نُتيح للتلاميذ مشاهدتها.

ت‌.     تخطيط دراجة كهربائية للمعاقين

الحاجة: مساعدةمعاقين في أطرافهم السفلية على التنقل بواسطة الدراجة.

سؤال المشروع: ما هي أشكال التخطيط الممكنة؟ وما هوالشكل الأفضل بحسب رأيكم؟

ث‌.     إنتاج وقود حيوي

الحاجة: نرمي كميات كبيرة من النفايات الغذائية في مجمع النفايات، يمكن أن نستغل قسمًا منها لإنتاج الطاقة.

سؤال البحث: ما هي كمية الطاقة التي يمكن أن نحصل عليها من النفايات الغذائية؟  هل يمكنكم تقدير ذلك؟

المشروع: تجربة تعرض مبدأ الوقود الحيوي.

الموقع أدناه يشرح تجربة لانتاج الوقود الحيوي.

http://www.files.chem.vt.edu/RVGS/ACT/lab/Experiments/Exp_11-Biodiesel.html

موقعإضافي جميل هوNREL، حيث يحتوي على إرشاد لتلاميذ المرحلة الاعدادية  حول إنتاج الطاقة من Biomass , ويشرح (باللغة الانجليزية)  في الموقع التالي: بما في ذلك مبنى محطة  توليد طاقة، ويشرح تجربة إضافية لانتاج الطاقة – في الصفحات 14 - 21

http://www.nrel.gov/education/pdfs/educational_resources/middle_school/biomass_student_handbook.pdf