INTERESSANTE DESCOBERTA PARA A ENERGIA SOLAR

INTERESSANTE DESCOBERTA PARA A ENERGIA SOLAR

Aidan Dwyer, um estudante de apenas 13 anos, andando pela floresta, fez uma observação que o levou a descobrir uma forma de mudar o futuro da energia solar. Ao posicionar as células solares em relação ao sol de uma forma específica, o seu desempenho pode melhorar entre 20 e 50 por cento. Parece que a maneira como crescem os galhos das árvores, relacionada com uma série de números, descrita pelo matemático italiano Leonardo de Pisa, no século XIII, realmente não é um mero acaso.

O rapaz percebeu que os galhos das árvores não estavam posicionados aleatoriamente, algo que passa despercebido para a maioria das pessoas, mas para ele não. Dwyer pesquisou e constatou que a distribuição de folhas no galhos e os ramos das árvores, seguem a sequência de Fibonacci.

As pessoas vêem como um tempo de inverno frio e sombrio na natureza. Os dias são curtos. Cobertores de neve no chão. Lagos e lagoas congelar, e animais correm para tocas que esperar para a Primavera. O arco-íris de vermelho, folhas de outono amarelo e laranja foi soprado pelo vento transforma a árvores em esqueletos negros que se estendem dedos ossudos de ramos para o céu. Parece que a natureza desapareceu.

precisa de legenda

Mas quando eu fui em uma viagem de passeio de inverno nas montanhas de Catskill, em Nova York, notei algo estranho sobre a forma dos ramos da árvore. Eu pensei que as árvores eram uma confusão de galhos emaranhados, mas eu vi um padrão na forma como os galhos de árvore cresceu. Tirei fotos dos ramos em diferentes tipos de árvores, eo padrão ficou mais clara.

Os ramos parecia ter um padrão espiral que chegou para o céu. Eu tinha um palpite de que as árvores tinham um segredo para contar sobre esta forma. Investigando esse segredo me levou em uma expedição das montanhas de Catskill ao antigo sânscrito poesia da Índia; das ruas do século 13 de Pisa, na Itália, e uma fórmula misteriosa matemática chamado de “número divino” para um naturalista do século 18 que viu esta fórmula matemática por natureza, e, finalmente, para experimentar com as árvores em meu próprio quintal.

Minha investigação a pergunta de saber se existe uma fórmula secreta no projeto da árvore e se o propósito do padrão espiral é coletar a luz solar melhor. Depois de fazer pesquisa, eu coloquei as ferramentas de teste, experiências e modelos de design para investigar como as árvores de coletar a luz solar. No final do meu projeto de pesquisa, eu coloquei as peças deste quebra-cabeça naturais juntos, e eu descobri a resposta. Mas a melhor parte foi que eu descobri uma nova forma de aumentar a eficiência de painéis solares para coletar a luz do sol!

Minha investigação começou com a tentativa de entender o padrão espiral. Eu encontrei a resposta com um matemático medieval e um naturalista do século 18. Em 1209, em Pisa, Leonardo de Pisano, também conhecido como “Fibonacci”, usou suas habilidades para responder a um enigma matemático sobre como coelhos rápido poderia reproduzir em pares ao longo de um período de tempo. Contando sua coelhos recém-nascidos, Fibonacci surgiu com uma seqüência numérica. Fibonacci usado em antigos padrões de poesia em sânscrito da Índia para fazer uma seqüência de números começando com zero (0) e um (1). Fibonacci adicionados os dois últimos números da série em conjunto, ea soma tornou-se o próximo número na seqüência. A seqüência numérica começou a ficar assim: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34 … . O padrão de número tinha a fórmula = Fn Fn-1 + Fn-2 e tornou-se a seqüência de Fibonacci. Mas parecia ter poderes místicos! Quando os números na seqüência foram colocados em proporções, o valor da relação foi o mesmo que outro número, φ, ou “phi”, que tem um valor de 1,618. O número “phi” é apelidado de “número divino” (Posamentier). Cientistas e naturalistas descobriram a seqüência de Fibonacci aparecem em muitas formas na natureza, tais como a forma de conchas de nautilus, as sementes de girassóis, padrões de vôo do falcão e galáxias voando pelo espaço. O que há de mais misterioso é que o número “divina” é igual a sua altura dividida pela altura do seu tronco, e ainda mais estranha, a proporção de abelhas fêmeas a machos em uma colméia típico! (Livio)

A espiral em árvores mostrando a seqüência de Fibonacci
A espiral em árvores mostrando a seqüência de Fibonacci
Aidan estudou arranjos de folhas
Aidan estudou folha arranjos
Aidan medição do padrão espiral
Aidan medir o padrão espiral
Em 1754, um naturalista chamado Charles Bonnet observado que as plantas brotam ramos e folhas em um padrão, chamado phyllotaxis. Bonnet viu que galhos de árvores e folhas tinham um padrão espiral matemático que poderia ser mostrado como uma fração. A coisa surpreendente é que as frações matemáticas foram os mesmos números como a seqüência de Fibonacci! Na árvore de carvalho, a fração de Fibonacci é 05/02, o que significa que a espiral tem cinco ramos de espiral duas vezes em torno do tronco para completar um padrão. Outras árvores com a disposição das folhas de Fibonacci são as olmo (02/01), a faia (1 / 3), o salgueiro (08/03) e da amendoeira (13/05) (Livio, Adler).

Agora eu tive a minha primeira peça do quebra-cabeça, mas não respondeu a pergunta: Por que as árvores têm esse padrão? Eu tinha o mistério ao lado de resolver. Eu projetei experimentos que atacaram esta questão, mas primeiro eu tinha que fazer testes de campo para entender o padrão espiral.

Eu construí uma ferramenta de teste para medir o padrão espiral de diferentes espécies de árvores. Peguei um tubo de plástico transparente e anexado dois transferidores círculo que pode ser girado para cima e para baixo do tubo. Quando eu coloquei um ramo de teste no tubo, eu alinhados a marca de zero grau em uma bússola para corresponder-se com o ramo ramo primeiro. Eu, então, movido e girado a bússola segundo até o local próximo galho. A bússola segundo mediu o ângulo entre os dois pontos. Eu gravei a medição e depois mudou-se o ramo passo-a-passo.

Eu coletadas amostras de ramos que caiu no chão de árvores diferentes, e eu fiz medições. Meus resultados confirmaram que a seqüência de Fibonacci estava por trás do padrão.

Mas a questão de por que permaneceu. Eu sabia que galhos e folhas coletadas a luz solar para a fotossíntese, por isso a minha próximos experimentos investigou se o padrão de Fibonacci ajudado. Eu precisava de uma maneira de medir e comparar a quantidade de luz solar coletada pelo padrão. Eu vim com a idéia de que eu poderia copiar o padrão de ramos e folhas com painéis solares e compará-lo com outro padrão.

Diagrama do modelo de árvore que Aidan fez com seu computador.
Diagrama do modelo de árvore que Aidan fez com seu computador.
Eu projetei e construí o meu próprio modelo de teste, copiando o padrão de Fibonacci de uma árvore de carvalho. Eu estudei os meus resultados com a ferramenta de bússola e descobriu os ângulos ramo. O padrão foi cerca de 137 graus e a seqüência de Fibonacci foi 05/02. Então eu construí um modelo usando este padrão a partir de tubos de PVC. No lugar de folhas, eu usei PV painéis solares ligados em série que produziu até 02/01 volt, de modo que o pico de produção do modelo foi de 5 volts. O projeto inteiro copiou o padrão de um carvalho, tanto quanto possível.

Aidan construindo sua solares
Aidan construir o seu solar “árvore” coletor
O coletor de tela plana
O coletor de tela plana
Eu precisava para comparar o desempenho do padrão de design árvore. Fiz um segundo modelo que foi baseado em como o homem-made matrizes de painéis solares são projetados. O segundo modelo foi uma série de tela plana que foi montado a 45 graus. Tinha o mesmo tipo e número de painéis de energia solar fotovoltaica como o projeto da árvore, eo pico de tensão mesmo. Minha idéia era controlar o quanto a luz solar cada modelo coletadas nas mesmas condições, observando o quanto de tensão cada um dos modelos feitos.

Eu medi o desempenho de cada modelo com um registrador de dados. Este registrou a tensão que cada modelo fez ao longo de um período de tempo. O registrador de dados pode baixar as medições a um computador, e eu podia ver os resultados em gráficos.

Os dois modelos coletar a luz solar
Os dois modelos coletar a luz solar
Gráfico: Design Árvore
Gráfico: Design Árvore
Gráfico: Standard Solar
Gráfico: Standard Solar
Inverno teste coleta de energia mostrando da árvore eo coletor de tela plana
Inverno teste coleta de energia mostrando da árvore eo coletor de flat-panel
Gráfico comparando os dois projetos coletor solar
Gráfico comparando o coletor de energia solar dois designs
Um coletor de energia solar típico
Um coletor de energia solar típico
Eu coloco os dois modelos no mesmo local no meu quintal de frente para o céu do sul e mediu a sua saída ao longo de um par de meses. Mudei o local de teste em torno de variar as condições.

As condições de luz solar também foram importantes. Comecei minhas medidas em outubro e testado meus modelos até dezembro. Nessa época do ano, o solstício de inverno estava chegando, eo Sol estava se mudando para um menor declinação no céu. A possibilidade de sol, o encurtamento. Então, eu estava testando o padrão de Fibonacci nas circunstâncias mais difíceis para a recolha de luz do sol.

Eu comparei os meus resultados em gráficos, e eles eram interessantes! O projeto da árvore de Fibonacci desempenho melhor do que o modelo de tela plana. O projeto da árvore feita de eletricidade 20% mais e coletados 2 1 / 2 mais horas de sol durante o dia. Mas os resultados mais interessantes foram, em dezembro, quando o Sol estava no seu ponto mais baixo no céu. O projeto da árvore feita de eletricidade 50% mais, eo tempo de coleta da luz solar foi até 50% mais tempo!

Eu tive minha primeira evidência de que o padrão de Fibonacci ajudou a coletar mais luz solar. Mas agora eu tinha que voltar e descobrir por que ele funcionou melhor. Também comecei a pensar que eu poderia ter encontrado uma nova forma de usar a natureza para fazer painéis solares funcionam melhor.

Aprendi que a tomada de poder do Sol não é fácil. O fotovoltaicos array (“PV”) é a maneira de fazê-lo. Um conjunto de placas fotovoltaicas é uma coleção relacionadas de várias células solares. A produção de electricidade requer luz solar tanto quanto possível. Ao meio-dia em um dia sem nuvens no equador, o poder do Sol é de cerca de 1 quilowatt por metro quadrado na superfície da Terra (Komp). Parece fácil para pegar alguns raios, certo? Mas o Sol não ficar parado. Ela se move através do céu, e do ângulo de seus raios em regiões fora da mudança equador com as estações. Isso faz com que coleta a luz solar complicado para arrays PV. Alguns arrays PV use sistemas de rastreamento para manter os painéis apontando para o Sol, mas estes são caros e precisam de manutenção. Assim, a maioria das matrizes PV use suportes fixos que face sul (ou norte, se você está abaixo do equador).

Suportes fixos têm outros problemas. Quando uma matriz PV é sombreada por outro objeto, como uma árvore ou uma casa, os painéis solares se apoiadas por elétrons, como carros em um engarrafamento, e as gotas atual. Sujeira, chuva, neve e mudanças na temperatura também pode prejudicar a produção de eletricidade em até metade! (Komp)

Comecei a ver como a natureza vencer este problema. Coletar a luz solar é fundamental para a sobrevivência de uma árvore. Folhas são os painéis solares de árvores, coleta de luz solar para a fotossíntese. Coletando o máximo a luz solar é a diferença entre a vida ea morte. Árvores em uma floresta estão competindo com outras árvores e plantas para a luz solar, e até mesmo ramo e cada folha de uma árvore estão competindo uns com os outros para a luz solar. Evolução escolheu o padrão de Fibonacci para ajudar árvores trilha do Sol em movimento no céu e para coletar mais luz solar, mesmo na mais espessa floresta.

Vi padrões que mostrou que o projeto da árvore evitado o problema da sombra de outros objetos. De eletricidade caiu na matriz plana quando sombra caiu sobre ele. Mas o projeto da árvore mantido eletricidade fazendo nas mesmas condições. O padrão de Fibonacci permitiu que alguns painéis solares para coletar a luz do sol mesmo que os outros estavam na sombra. Além disso, observei que o padrão de Fibonacci ajudou os ramos e folhas de uma árvore para evitar sombreamento entre si.

Minhas conclusões sugerem que o padrão de Fibonacci em árvores faz uma diferença evolutiva. Isto é provavelmente porque o padrão de Fibonacci é encontrada em árvores de folha caduca que vivem em latitudes mais altas. O padrão de Fibonacci dá plantas como o carvalho uma vantagem competitiva ao coletar a luz solar quando o Sol se move através do céu.

Minha investigação criou mais perguntas a responder. Por que existem diferentes padrões de Fibonacci entre as árvores? É um padrão mais eficiente do que outro? Mais testes de outros tipos de árvores é necessária. Estou testando diferentes padrões Fibonacci agora. Estou melhorando meu modelo projeto da árvore para ver se ele poderia ser uma nova forma de fazer arrays painel. Minhas tentativas mais recentes com um modelo de maior teste foram bem sucedidos.

O projeto da árvore ocupa menos espaço do que flat-panel matrizes e trabalha em locais que não têm uma visão completa do sul. Que recolhe mais luz solar no inverno. Sombra e mau tempo como a neve não se machucar, porque os painéis não são planas. Ele ainda fica melhor porque se parece com uma árvore. Um projeto como este pode funcionar melhor em áreas urbanas onde o espaço ea luz solar direta pode ser difícil de encontrar.

Mas a melhor parte do que eu aprendi foi que, mesmo nos dias mais sombrios do inverno, a natureza é ainda a tentar dizer-nos os seus segredos!

BIBLIOGRAFIA

Adler, I., D. Barabe e RV Jean. “Uma História do Estudo da filotaxia.” Annals of Botany 80 (1997): 231-244.

Atela, P., C. Golé, e S. Hotton. “Sistema Um Dinâmicos para a formação de padrões da planta: uma análise rigorosa.” Journal of Nonlinear Ciência 12,6 (2002): 641-676.

. Brockman, C. Frank Árvores da América do Norte: Um Guia para Identificação de campo . New York: Guias de Ouro de St. Martin Press, 2001.

Geisel, Theodor Seuss (Dr. Seuss). The Lorax . New York: Random House Publishers, 1971.

Jean, Roger V. filotaxia: Um Estudo Sistemático de Morfogênese Vegetal . New York: Cambridge University Press, 2009.

Komp, Richard J. Fotovoltaica Prático: eletricidade de células solares . 3. ed. Ann Arbor, Michigan: Aatec Publicações, 2001.

Livio, Mario. A Razão Áurea: A Story of Phi, número mais surpreendente do mundo . New York: Livros Broadway, de 2002.

Posamentier, A. e I. Lehman. O Numbers (Fabulous) Fibonacci . New York: Prometheus Books, 2007.

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