Вплив напрямку вітру

Інформація для вчителів

Опис

Експериментальна установка

Вітер - це поняття, що використовується для опису повітряних потоків з області з високим атмосферним тиском в області з низьким атмосферним тиском.

Енергія, яку переносить вітер, може бути використана для виконання механічної роботи або для вироблення електроенергії.

Оскільки області високого і низького тиску є постійною і природною частиною клімату, енергія вітру вважається відновлюваною енергією.

Цей експеримент детальніше розглядає напрямок вітру та його вплив на вироблену електроенергію.

Додаткова інформація для вчителів (1/3)

Попередні знання

Додаткова інформація для вчителів, ілюстрація 1 з 2

Учні повинні бути знайомі з основними поняттями перетворення енергії.

Принцип

Додаткова інформація для вчителів, ілюстрація 2 з 2

У цьому експерименті штучний потік повітря спрямовується на вітрову турбіну під різними кутами і порівнюється відповідна напруга, що генерується.

Додаткова інформація для вчителів (2/3)

Мета навчання

Учні дізнаються, як кут падіння вітру на вітрову турбіну впливає на електричну енергію, яку вона виробляє.

Завдання

Вентилятор створює вітер постійної сили, а вітроколесо знаходиться на фіксованій відстані від вентилятора. Напрямок вітру змінюється поворотом вітроколеса (вітрогенератора).

Дослідіть, як напруга, що генерується вітровою турбіною, поводиться при різних напрямках вітру. Проведіть вимірювання для двох швидкостей вітру (напруги на вентиляторі).

Додаткова інформація для вчителів (3/3)

Зауваження щодо підготовки та виконання роботи

Ручка регулювання сили струму встановлюється до упору вправо, щоб досягти напруги живлення 12 В для вентилятора.

У цьому експерименті напруга використовується як міра енергії.

Інструкції з техніки безпеки

До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.

Переконайтеся, що учні знаходяться позаду вентилятора і не простягають руки в простір між вентилятором і вітровою турбіною під час подачі напруги і обертання вітрової турбіни.

Інформація для учнів

Мотивація

Пальми, нахилені за напрямком вітру

Якщо на шляху вітру немає перешкод, він рухається по прямій лінії між областями високого і низького тиску. Однак, якщо придивитися до вітроелектростанції на рівнині, то можна побачити, що лопаті ротора зазвичай орієнтовані в одному напрямку.

Якщо, з іншого боку, рельєф місцевості нерівний, вітрогенератори, як правило, мають різну орієнтацію між собою.

Чи впливає напрямок вітру на напругу та електричну потужність, що виробляється вітровою турбіною (вітрогенератором)?

Завдання

Експериментальна установка

Вентилятор створює вітер постійної сили, а вітрогенератор знаходиться на фіксованій відстані від вентилятора.

Напрямок вітру змінюється поворотом вітроколеса (вітрогенератора).

Матеріал

Позиція	Матеріал	Пункт №.	Кількість
1	Основа штатива, PHYWE	02001-00	1
2	Штативний стрижень, нерж. ст., l=600 мм, d = 10 мм	02037-00	2
3	Ротор, 2 шт.	05752-01	1
4	Генератор з віссю різьби і гайками для кріплення	05751-01	1
5	Повітродувка, 12 В	05750-00	1
6	Ковзна опора для оптичної лави	09822-00	1
7	З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний	07361-01	2
8	З'єднувальний провідник, 500 мм, синій	07361-04	2
9	Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою	07122-00	1
10	PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A	13506-93	1

Підготовка (1/3)

1. Зберіть експериментальну установку з двох регульованих ніжок (основи) штатива і двох штативних стрижнів (рис. 1 і 2).

2.Закріпіть вентилятор в лівій частині основи штатива, щоб сторона з розетками була спрямована в бік від довгих стрижнів (рис. 3).

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Підготовка (2/3)

3. Встановіть на вісь генератора два ротори один за одним (рис. 4).

4.Потім рівномірно розташуйте шість лопатей (крил) на відстані один від одного (рис. 5).

5.Встановітьгенератор на опору та помістить його на стержні штатива (рис. 6).

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Підготовка (3/3)

Рисунок 7

Порада:

З міркувань безпеки залиште блок живлення учня на деякий час вимкненим.

6.Під'єднайте джерело живлення та вентилятор. Вентилятор повинен бути підключений до виходів постійної напруги (рис. 7).

7.Підключіть мультиметр до генератора (рис. 8) і встановіть діапазон вимірювання на 20 В-.

Рисунок 8

Виконання роботи (1/3)

Рисунок 9

Рисунок 10

1.Перемістіть генератор так, щоб відстань між передньою частиною вентилятора і верхньою частиною генератора становила близько 10 см (рис. 9).

2.Переконайтеся, що ротори вітрогенератора знаходяться в положенні 1 (рис. 10), тобто вісь генератора паралельна напрямку вітру.

Виконання роботи (2/3)

Рисунок 11

Рисунок 13

3.Увімкніть блок живлення і поверніть ручку регулювання сили струму до упору вправо. Поверніть ручку регулювання напруги на 8 В (рис. 11).

4.Виміряйте напругу, що генерується вітрогенератором, і запишіть її в протокол експерименту. Вимкніть джерело живлення і зачекайте, поки вітрогенератор перестане обертатися.

5. Зніміть вітрогенератор з опори, але залиште саму опору у тому ж положенні, що й вітрогенератор.

Рисунок 12

Виконання роботи (3/3)

6. Тримайте вітрогенератор безпосередньо за опорою, повернувши його на 45° (положення 2 на рисунку 10), щоб лопаті ротора повністю потрапляли під вітер. Для цього помістіть стрижень вітряка в кут, утворений штативним стрижнем установки і опорою. Затисніть палець між кінцем стрижня вітряка і поверхнею стола, щоб висота була правильною (рис. 12).

7.Увімкніть блок живлення (рис. 13). Будьте обережні, не кладіть руку між вентилятором і вітрогенератором. Виміряйте напругу, що генерується вітрогенератором, і запишіть результат.

8. Повторіть експеримент для напруги живлення 12 В і запишіть результати.

Увага! Тримайте вітрогенератор міцно і намагайтеся не торкатися пальцями ротора.

Протокол

Завдання 1

Питання

Яке спостереження було зроблено в цьому експерименті і як його можна пояснити?

Найбільша напруга спостерігалася, коли лопаті ротора були перпендикулярні до повітряного потоку, тому що це дає вітру найбільшу можливу поверхню контакту, щоб виконати роботу з його кінетичною енергією.
Напруга була найвищою при куті падіння 45°, тому що тоді існує хороший збалансованість між площею контакту і зменшеним тертям.
Найбільше електроенергії виробляється, коли лопаті ротора розташовані паралельно напрямку вітру, оскільки тоді тертя найменше і енергія вітру діє безпосередньо в напрямку обертання лопатей ротора.

Завдання 2

Вставте слова у тексті Відповідно до рівняння P=\mu·1/2\rho· A· v^3 ____ прямо пропорційна до ____ A. Це відбувається тому, що ____ сконструйовані таким чином, що починають обертатися, коли повітряні потоки потрапляють на них лоб в лоб. Чим більша площа контакту, тим більше лопаті ротора взаємодіють з вітром і тим більше кінетичної енергії перетворюється в ____. Тепер, якщо вітер падає на лопаті ротора під кутом, то тільки складова ____, яка спрямована перпендикулярно до вітрогенератора, буде прискорювати лопаті ротора.

Завдання 3