关键概念
物理学
能量
密度
温度
温室效应
引言
您有没有被晒伤过？如果是这样，您就知道太阳的热量有多么强大了！您知道这种热量也可以转化为电能吗？您可能听说过太阳能电池，但太阳能上升气流塔呢？这种非常简单的结构利用太阳加热空气，然后为大型塔内的涡轮机提供动力。在这个活动中，您将自己建造其中一座塔。您认为仅用热空气就能使螺旋桨旋转吗？
背景
太阳是非常强大的能量来源。事实上，不到 15 秒，它就可以为地球提供人类一天所消耗的能量！这种能量大部分以光和热的形式到达地球。难怪人们长期以来一直在考虑如何收集这种能量并加以利用！在过去的两个世纪中，科学家们研究并开发了将太阳能直接转化为电能的技术。如今，存在许多不同的太阳能发电方法，例如太阳能电池、太阳能热收集器和太阳能聚光系统。
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其中一个系统，称为太阳能上升气流塔，是一种太阳能热收集器技术。太阳能上升气流塔可以从低温太阳热中发电。这个想法背后的科学概念基于温室效应和烟囱或堆栈效应。这些发电厂由大型收集器结构和非常高而细的塔组成。收集器结构类似于一个巨大的温室，由一个巨大的透明顶篷组成，该顶篷悬挂在地面上方 6 至 65 英尺（2 至 20 米）处。该塔位于顶篷结构的中间，底部有大型进气口。塔内有大型风力涡轮机来发电。
当阳光照射到收集器结构上时，其热量会被像温室一样困在下方，从而使顶篷结构下方的空气和地面变暖。由于热空气的密度小于冷空气，它开始上升，从而导致气流，也称为热对流。空气只能通过塔逃逸。塔内上升的空气在塔底部产生低压，来自收集器的更多热空气通过底部的进气口被吸入塔内。结果，太阳辐射导致塔内持续上升的气流。安装在塔内的风力涡轮机通过移动叶片将上升气流中包含的能量转化为机械能。下一步，通过发电机将这种运动转化为电能。
尽管该技术看起来非常简单并且可以产生大量能量，但尚未有完整的单元投入使用。但是，已经构建并研究了几个原型模型。在这个活动中，您将构建自己的非常简单的太阳能上升气流塔原型，但没有收集器结构。您可以使用上升气流产生的能量为螺旋桨提供动力吗？开始行动以找出答案！
材料
黑色卡纸（约 20 英寸 x 20 英寸）
铅笔
剪刀
胶带
一块橡皮泥
木制烤肉串
针
温度计
带白炽灯泡的灯或加热灯（LED 灯泡太冷，无法产生足够的热量。）
阳光和室外防风区域（可选）
秒表（可选）
白色卡纸（可选）
准备工作
将黑色卡纸卷成一个锥形，顶部有一个小开口（直径为两英寸），底部有一个较大的开口（直径为四英寸）。
用胶带固定锥形。然后剪掉顶部和底部末端，使它们变直。锥形的高度应约为 10 至 15 英寸，并且能够自行站立。
在锥形底部切出三个等距的两英寸乘半英寸的拱形。这些将是您的进气口。确保锥形仍然可以站在剩余的边缘上。
从卡纸上剪出一个直径为三英寸的螺旋桨。您可以在网上找到螺旋桨模板。将螺旋桨叶片向下弯曲约 45 度角。
用胶带小心地将针粘在木制烤肉串的顶部，尖头朝上。
用橡皮泥做一个球，然后将其压在您的工作区上。
步骤
寻找室内防风空间来设置您的太阳能上升气流塔。在您的测试过程中，重要的是没有发生外部气流。为什么您的工作区需要防风？
将黑色纸锥放在橡皮泥上方，使其位于锥形中心。
将木制烤肉串穿过塔顶的开口插入橡皮泥，使烤肉串伸出锥形中间。烤肉串顶部的针应伸出锥形约一英寸半到两英寸。
拿起螺旋桨，将其推到针的尖端上。安装螺旋桨后，它应保持平衡并且能够自由旋转。您可能需要练习一下以确保螺旋桨正确地放在针上。放在针顶部的螺旋桨会发生什么？它会移动吗？
测量塔内部和外部的空气温度。与外部温度相比，您测量的内部空气温度是多少？
将灯放在塔旁边，并将其对准塔的底部。确保在测试过程中不要让灯无人看管。您认为灯会做什么？
打开灯并观察上升气流塔一段时间。会发生什么？
大约五分钟后，再次测量锥形内部和外部的空气温度。这次您测量的温度是多少？
关闭灯并继续观察您的上升气流塔 5 到 10 分钟。当您关闭灯时会发生什么？
再过五分钟后，再次测量锥形内部和外部的温度。温度是否发生变化？如果是，如何变化？
额外：您能让螺旋桨旋转多快？用铅笔标记您的一个螺旋桨叶片，然后使用秒表计算 15 秒内的旋转次数。将计数的旋转次数乘以四，即可得到螺旋桨的旋转速度，单位为 rpm（每分钟转数）。
额外：重复测试，但这次使用白色卡纸来构建您的太阳能上升气流塔。纸张的颜色会产生影响吗？为什么会或为什么不会？
额外：走到户外，让太阳为您的太阳能上升气流塔供电，而不是灯。确保找到一个防风的地方。太阳也能为您的螺旋桨提供动力吗？
观察结果
您是否让您的螺旋桨旋转了？起初，螺旋桨不应该移动。如果它移动了，则可能是来自门或风的外部气流正在移动螺旋桨。塔内部和外部的空气温度应该非常相似。但是，当您打开灯时，这种情况应该会发生改变。白炽灯像太阳一样发出光和热。当您将手靠近灯泡时，您会注意到这一点。当光线照射到黑色卡纸上时，它会吸收大部分光线并开始变暖。热量被困在锥形内部，这会增加内部空气温度。由于热空气的密度小于冷空气，因此它开始沿着纸锥上升。这种上升气流使锥形顶部的螺旋桨旋转，您应该在一段时间后观察到这种情况。
上升的空气降低了锥形内部的气压，这就是为什么新鲜空气通过您在底部切出的进气口被吸入纸锥的原因。这种新空气被加热，并产生持续的上升气流，使螺旋桨保持旋转。只有当您关闭灯时，循环才会中断。由于没有热源，锥形内部的空气开始缓慢冷却，并在一段时间后恢复到与外部空气相同的温度。此时，螺旋桨应该已经停止旋转，因为不再有上升气流。您可能已经注意到，使用白色卡纸时，螺旋桨旋转的时间更长，并且螺旋桨的旋转速度不如黑色卡纸快。这是因为白色纸张吸收灯的热量不如黑色纸张好。
清理
小心地从烤肉串上取下针。您可以重复使用您构建的所有部件。
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