關鍵概念
物理學
能量
密度
溫度
溫室效應
引言
您有沒有被曬傷過？如果是這樣，您就知道太陽的熱量有多麼強大了！您知道這種熱量也可以轉化為電能嗎？您可能聽說過太陽能電池，但太陽能上升氣流塔呢？這種非常簡單的結構利用太陽加熱空氣，然後為大型塔內的渦輪機提供動力。在這個活動中，您將自己建造其中一座塔。您認為僅用熱空氣就能使螺旋槳旋轉嗎？
背景
太陽是非常強大的能量來源。事實上，不到 15 秒，它就可以為地球提供人類一天所消耗的能量！這種能量大部分以光和熱的形式到達地球。難怪人們長期以來一直在考慮如何收集這種能量並加以利用！在過去的兩個世紀中，科學家們研究並開發了將太陽能直接轉化為電能的技術。如今，存在許多不同的太陽能發電方法，例如太陽能電池、太陽能熱收集器和太陽能聚光系統。
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其中一個系統，稱為太陽能上升氣流塔，是一種太陽能熱收集器技術。太陽能上升氣流塔可以從低溫太陽熱中發電。這個想法背後的科學概念基於溫室效應和煙囪或堆疊效應。這些發電廠由大型收集器結構和非常高而細的塔組成。收集器結構類似於一個巨大的溫室，由一個巨大的透明頂篷組成，該頂篷懸掛在地面上方 6 至 65 英尺（2 至 20 米）處。該塔位於頂篷結構的中間，底部有大型進氣口。塔內有大型風力渦輪機來發電。
當陽光照射到收集器結構上時，其熱量會被像溫室一樣困在下方，從而使頂篷結構下方的空氣和地面變暖。由於熱空氣的密度小於冷空氣，它開始上升，從而導致氣流，也稱為熱對流。空氣只能透過塔逃逸。塔內上升的空氣在塔底部產生低壓，來自收集器的更多熱空氣透過底部的進氣口被吸入塔內。結果，太陽輻射導致塔內持續上升的氣流。安裝在塔內的風力渦輪機透過移動葉片將上升氣流中包含的能量轉化為機械能。下一步，透過發電機將這種運動轉化為電能。
儘管該技術看起來非常簡單並且可以產生大量能量，但尚未有完整的單元投入使用。但是，已經構建並研究了幾個原型模型。在這個活動中，您將構建自己的非常簡單的太陽能上升氣流塔原型，但沒有收集器結構。您可以使用上升氣流產生的能量為螺旋槳提供動力嗎？開始行動以找出答案！
材料
黑色卡紙（約 20 英寸 x 20 英寸）
鉛筆
剪刀
膠帶
一塊橡皮泥
木製烤肉串
針
溫度計
帶白熾燈泡的燈或加熱燈（LED 燈泡太冷，無法產生足夠的熱量。）
陽光和室外防風區域（可選）
秒錶（可選）
白色卡紙（可選）
準備工作
將黑色卡紙捲成一個錐形，頂部有一個小開口（直徑為兩英寸），底部有一個較大的開口（直徑為四英寸）。
用膠帶固定錐形。然後剪掉頂部和底部末端，使它們變直。錐形的高度應約為 10 至 15 英寸，並且能夠自行站立。
在錐形底部切出三個等距的兩英寸乘半英寸的拱形。這些將是您的進氣口。確保錐形仍然可以站在剩餘的邊緣上。
從卡紙上剪出一個直徑為三英寸的螺旋槳。您可以在網上找到螺旋槳模板。將螺旋槳葉片向下彎曲約 45 度角。
用膠帶小心地將針粘在木製烤肉串的頂部，尖頭朝上。
用橡皮泥做一個球，然後將其壓在您的工作區上。
步驟
尋找室內防風空間來設定您的太陽能上升氣流塔。在您的測試過程中，重要的是沒有發生外部氣流。為什麼您的工作區需要防風？
將黑色紙錐放在橡皮泥上方，使其位於錐形中心。
將木製烤肉串穿過塔頂的開口插入橡皮泥，使烤肉串伸出錐形中間。烤肉串頂部的針應伸出錐形約一英寸半到兩英寸。
拿起螺旋槳，將其推到針的尖端上。安裝螺旋槳後，它應保持平衡並且能夠自由旋轉。您可能需要練習一下以確保螺旋槳正確地放在針上。放在針頂部的螺旋槳會發生什麼？它會移動嗎？
測量塔內部和外部的空氣溫度。與外部溫度相比，您測量的內部空氣溫度是多少？
將燈放在塔旁邊，並將其對準塔的底部。確保在測試過程中不要讓燈無人看管。您認為燈會做什麼？
開啟燈並觀察上升氣流塔一段時間。會發生什麼？
大約五分鐘後，再次測量錐形內部和外部的空氣溫度。這次您測量的溫度是多少？
關閉燈並繼續觀察您的上升氣流塔 5 到 10 分鐘。當您關閉燈時會發生什麼？
再過五分鐘後，再次測量錐形內部和外部的溫度。溫度是否發生變化？如果是，如何變化？
額外：您能讓螺旋槳旋轉多快？用鉛筆標記您的一個螺旋槳葉片，然後使用秒錶計算 15 秒內的旋轉次數。將計數的旋轉次數乘以四，即可得到螺旋槳的旋轉速度，單位為 rpm（每分鐘轉數）。
額外：重複測試，但這次使用白色卡紙來構建您的太陽能上升氣流塔。紙張的顏色會產生影響嗎？為什麼會或為什麼不會？
額外：走到戶外，讓太陽為您的太陽能上升氣流塔供電，而不是燈。確保找到一個防風的地方。太陽也能為您的螺旋槳提供動力嗎？
觀察結果
您是否讓您的螺旋槳旋轉了？起初，螺旋槳不應該移動。如果它移動了，則可能是來自門或風的外部氣流正在移動螺旋槳。塔內部和外部的空氣溫度應該非常相似。但是，當您開啟燈時，這種情況應該會發生改變。白熾燈像太陽一樣發出光和熱。當您將手靠近燈泡時，您會注意到這一點。當光線照射到黑色卡紙上時，它會吸收大部分光線並開始變暖。熱量被困在錐形內部，這會增加內部空氣溫度。由於熱空氣的密度小於冷空氣，因此它開始沿著紙錐上升。這種上升氣流使錐形頂部的螺旋槳旋轉，您應該在一段時間後觀察到這種情況。
上升的空氣降低了錐形內部的氣壓，這就是為什麼新鮮空氣透過您在底部切出的進氣口被吸入紙錐的原因。這種新空氣被加熱，併產生持續的上升氣流，使螺旋槳保持旋轉。只有當您關閉燈時，迴圈才會中斷。由於沒有熱源，錐形內部的空氣開始緩慢冷卻，並在一段時間後恢復到與外部空氣相同的溫度。此時，螺旋槳應該已經停止旋轉，因為不再有上升氣流。您可能已經注意到，使用白色卡紙時，螺旋槳旋轉的時間更長，並且螺旋槳的旋轉速度不如黑色卡紙快。這是因為白色紙張吸收燈的熱量不如黑色紙張好。
清理
小心地從烤肉串上取下針。您可以重複使用您構建的所有部件。
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