מאוורר סולארי – מאור לתנועה

איך אפשר לגרום למאוורר להסתובב בלי סוללה ובלי לחבר אותו לשקע?

בפעילות נבנה מאוורר שמקבל את האנרגיה שלו ישירות מאור השמש.

בדגם שהתלמידים בונים אפשר לראות בצורה ברורה את כל שרשרת המרת האנרגיה:

אור השמש → תא סולארי → חשמל → מנוע → סיבוב → תנועת אוויר

מאיפה מגיעה האנרגיה?

השמש שולחת לכדור הארץ קרינה אלקטרומגנטית – אנרגיה שאנחנו קולטים בין היתר כאור וכחום.

אנרגיית השמש נחשבת מקור אנרגיה מתחדש משום שהשמש ממשיכה לספק לנו אנרגיה באופן טבעי, בניגוד לדלקים מאובנים שמאגריהם מוגבלים.

אבל איך אור יכול לגרום למנוע להסתובב?

כאן נכנס החלק החשוב בדגם שלנו:

התא הסולארי

לתא הסולארי קוראים גם:

תא פוטו־וולטאי – Photovoltaic Cell

המילה Photovoltaic מורכבת מרעיון של:

אור → מתח חשמלי

התא עשוי מחומר מוליך־למחצה, בדרך כלל סיליקון.

כאשר אור פוגע בתא, חלק מהפוטונים מעבירים אנרגיה לאלקטרונים בחומר. המבנה הפנימי של התא גורם למטענים לנוע בצורה מסודרת, וכאשר מחברים מעגל חשמלי מתקבל זרם חשמלי.

תיקון חשוב

במערך המקורי נכתב שהפאנל קולט במקרה הזה את קרינת ה־UV.

זה ניסוח מצומצם מדי.

תא סולארי אינו עובד רק באמצעות אולטרה־סגול. אור השמש מכיל תחום רחב של אורכי גל – UV, אור נראה ואינפרא־אדום – והתא יכול להשתמש בחלק מהפוטונים בתחומים שונים בהתאם לחומר שממנו הוא עשוי.

התא הסולארי ממיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית.

---

אז לאן החשמל הולך?

בדגם שלנו התא הסולארי מחובר בחוטים ל־מנוע חשמלי קטן.

כאשר התא מייצר מתח וזרם חשמלי, הזרם עובר דרך המנוע.

בתוך המנוע יש שדות מגנטיים שגורמים לציר המנוע להסתובב.

על הציר מחוברות כנפי המאוורר.

לכן:

חשמל → מנוע מסתובב → כנפיים מסתובבות → האוויר מתחיל לנוע

המאוורר הוא בעצם דוגמה מצוינת לכך שאנרגיה אינה נעלמת – היא משנה צורה.

---

שרשרת המרות האנרגיה

אפשר לעקוב אחרי האנרגיה מתחילת התהליך ועד הסוף:

☀️ אנרגיית קרינה מהשמש

↓

⚡ אנרגיה חשמלית בתא הסולארי

↓

⚙️ אנרגיית תנועה במנוע

↓

🌬️ תנועת האוויר

 

---

האם המאוורר יעבוד בכל מקום?

לא באותה צורה.

התא הסולארי צריך לקבל מספיק אור.

כאשר כמות האור שמגיעה אליו משתנה, גם כמות החשמל שהוא מסוגל לספק משתנה. במערכי ניסוי חינוכיים עם מאוורר סולארי אפשר לראות שכיסוי חלק מהתא או שינוי הזווית שלו ביחס לאור משפיעים על פעולת המנוע.

ולכן אפשר לעשות ניסוי פשוט מאוד.

שמש מלאה

הפאנל מקבל הרבה אור.

המאוורר מסתובב מהר.

צל חלקי

פחות אור מגיע לתא.

ההספק החשמלי יורד והמאוורר עשוי להסתובב לאט יותר.

צל מלא

ייתכן שלא יופק מספיק חשמל כדי להתגבר על ההתנגדות של המנוע, והמאוורר ייעצר.

---

ומה לגבי זווית הפאנל?

כאן מתחילה ההנדסה.

אם הפאנל פונה בצורה טובה אל מקור האור, יותר קרינה יכולה להגיע לשטחו.

אם נסובב אותו בזווית חדה, כמות האור האפקטיבית הפוגעת בו יכולה לרדת.

לכן בתחנות סולאריות אמיתיות מתכננים היטב את:

הכיוון

ו־

זווית ההתקנה

של הפאנלים.

---

ניסוי: למצוא את הזווית הטובה ביותר

נוציא את הדגם לשמש.

בלי להזיז את המאוורר עצמו, נשנה רק את זווית התא הסולארי.

לפני כל ניסיון נשאל:

האם המאוורר יסתובב מהר יותר או לאט יותר?

נבדוק:

פאנל מול השמש.

פאנל בזווית.

פאנל כמעט מקביל לקרני האור.

ואפשר אפילו ליצור צל חלקי בעזרת היד ולראות מיד את ההשפעה.

---

האם פאנל אוהב דווקא חום?

זו נקודה חשובה מאוד.

קל לחשוב:

"פאנל סולארי אוהב שמש, אז ככל שחם יותר הוא עובד טוב יותר."

לא בהכרח.

הפאנל צריך אור.

טמפרטורה גבוהה מאוד של התא יכולה דווקא להפחית את היעילות החשמלית שלו, במיוחד בגלל ירידה במתח שהוא מפיק. לכן יום קר ובהיר יכול להיות מצוין לייצור חשמל סולארי.

כלומר:

שמש ואור – כן.

חום גבוה – לא בהכרח יתרון.

---

שתי דרכים לנצל את אנרגיית השמש

חשוב להבדיל בין שתי טכנולוגיות.

אנרגיה סולארית לחימום

בדוד שמש, קרינת השמש מחממת מים.

כאן אנחנו משתמשים בעיקר ב:

אור/קרינה → חום

אנרגיה פוטו־וולטאית

בפאנל הסולארי של המאוורר:

אור → חשמל

זו הטכנולוגיה שאנחנו חוקרים בדגם שלנו. המערך המקורי מציג גם הוא את ההבדל בין ניצול השמש לחימום לבין שימוש בתאים פוטו־וולטאיים לייצור חשמל.

---

למה קוראים לזה אנרגיה ירוקה?

בזמן שפאנל סולארי מייצר חשמל הוא אינו שורף דלק ולכן אין בו פליטת גזי בעירה במקום ההפעלה.

אבל חשוב לא לומר לתלמידים שזו טכנולוגיה שאין לה שום השפעה סביבתית.

ייצור הפאנלים, חומרי הגלם, ההובלה, התשתיות והטיפול בפאנלים בסוף חייהם דורשים משאבים ואנרגיה.

לכן הניסוח המדויק יותר הוא:

אנרגיה סולארית יכולה לייצר חשמל עם פליטות נמוכות מאוד בזמן ההפעלה, והיא מאפשרת להפחית שימוש בדלקים מאובנים.

---

מכמה תאים לפאנל גדול

התא שהילדים מחזיקים קטן מאוד.

אבל אותו עיקרון בדיוק משמש גם:

על גגות בתים.

בשדות סולאריים.

בלוויינים.

במחשבים ומכשירים קטנים.

ובתשתיות לייצור חשמל.

תאים פוטו־וולטאיים בודדים מחוברים יחד כדי ליצור מודול או פאנל גדול יותר; פאנלים רבים יכולים להתחבר למערכת גדולה.

כדאי במצגת לשלב כאן צילום תקריב של תא סולארי לצד תמונה של שדה סולארי גדול, כדי שהתלמיד יבין:

הטכנולוגיה שביד שלו היא אותה משפחת טכנולוגיה שמייצרת חשמל בקנה מידה גדול.

---

חוזרים לדגם שאנחנו בונים

עכשיו נזהה את חלקי המערכת בדגם המקורי:

תא סולארי – קולט אור ומייצר חשמל.

חוטי חשמל – מעבירים את הזרם.

מנוע חשמלי – ממיר חשמל לסיבוב.

ציר המנוע – מעביר את הסיבוב.

כנפי המאוורר – דוחפות את האוויר.

המסגרת – מחזיקה את כל המערכת במקום.

חשוב שהמצגת תשתמש כאן בתמונה המקורית של הדגם שהתלמידים בונים בפועל ולסמן עליה את החלקים באמצעות חצים.

---

למה כנפי המאוורר מזיזות אוויר?

כנפי המאוורר אינן שטוחות לחלוטין.

הצורה והזווית שלהן גורמות להן, בזמן הסיבוב, לדחוף אוויר בכיוון מסוים.

ככל שהן מסתובבות מהר יותר, בדרך כלל מורגשת זרימת אוויר חזקה יותר.

וכך ההמרה מסתיימת:

האור שהגיע מהשמש הופך בסופו של דבר לרוח שאנחנו יכולים להרגיש ביד.

---

אתגר המדענים – מעבדת השמש

לאחר בניית המאוורר לא מסתפקים ב־"זה עובד".

אנחנו חוקרים אותו.

התלמידים צריכים לבחור שאלה אחת או יותר:

מה יקרה אם נכסה רבע מהפאנל?

ומה אם נכסה חצי ממנו?

באיזו זווית המאוורר מסתובב הכי מהר?

האם הוא יעבוד ליד חלון?

מה יקרה בצל?

מה יקרה אם נהפוך את שני החוטים המחוברים למנוע?

במנוע DC פשוט, החלפת הקוטביות יכולה להפוך את כיוון הזרם ובהתאם גם את כיוון הסיבוב של המנוע.

הסדר יהיה:

השערה → ניסוי → תצפית → הסבר

ובסוף נשאל:

כמה המרות אנרגיה הצלחנו לזהות מהרגע שבו אור השמש הגיע לתא ועד לרגע שבו הרגשנו את האוויר?

המסר המרכזי של המערך:

התא הסולארי אינו "אוגר שמש". הוא ממיר אנרגיית אור לחשמל בזמן שהאור מגיע אליו, והמאוורר ממשיך את שרשרת ההמרה מחשמל לתנועה.

סרטון בניה



סרטון הסבר - איך אנרגיה סולארית עובדת