Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Учні здебільшого знайомі з вітрогенераторами з 3-ма лопатями ротора. Існують також моделі лише з 2 лопатями або зовсім іншої конструкції.
На відміну від них, водяні колеса мають більше лопатей, вони придатні для приведення в рух великих машин і використовувалися в минулому, наприклад, для подрібнення зерна.
Для виробництва електричної енергії використовуються вітрогенератори. Оптимальна кількість лопатей тут визначається не тільки максимальною корисною енергією вітру, але й необхідними матеріальними витратами та надійністю вітрогенератора під час роботи.
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
Попередні знання
Учні повинні бути знайомі з основними поняттями перетворення енергії.
Принцип
У цьому експерименті штучний потік повітря спрямовують спочатку на вітрогенератор з трьома лопатями, потім на вітрогенератор з шістьма лопатями і спостерігають, якою мірою він впливає на поведінку надбудови.
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Учні дізнаються, як кількість лопатей ротора вітрової турбіни впливає на кількість виробленої електроенергії.
Завдання
Для порівняння генератор вітрової турбіни спочатку оснащується 3, а потім 6 лопатями ротора.
Вітрогенератор спершу навантажують лампою розжарювання, а потім світлодіодом, і вимірюють вихідну напругу вітрогенератора при різних швидкостях вітру.
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.
Напруга використовується як міра енергії в цьому експерименті.
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
Вітрогенератор з трьома лопатями ротора
Коли Ви уявляєте собі типову вітрову турбіну, вона зазвичай має три лопаті ротора. Однак існують також варіанти з двома або більше ніж трьома лопатями.
У зв'язку з цим виникає питання про фізичні, екологічні та економічні основи, за якими обирається кількість лопатей ротора вітрової турбіни.
Цей експеримент дасть конкретну відповідь на це питання.
Завдання
Експериментальна установка
Для порівняння генератор вітрової турбіни спочатку оснащується 3, а потім 6 лопатями ротора.
Вітрогенератор спершу навантажують лампою розжарювання, а потім світлодіодом, і вимірюють вихідну напругу вітрогенератора при різних швидкостях вітру.
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 прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 8 | Патрон для лампи розжарювання Е 10, модуль SB | 05604-00 | 1 |
| 9 | Світлодіод, червоний, модуль SB | 05654-00 | 1 |
| 10 | Лампи розжарювання, 1.5 В/ 0,15 A, E10, 10 шт. | 06150-03 | 1 |
| 11 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 1 |
| 12 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 13 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 2 |
| 14 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 2 |
| 15 | Цифровий мультиметр, 3 1/2 розрядний дисплей з NiCr-Ni термопарою | 07122-00 | 1 |
| 16 | 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. Встановітьна 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.Увімкніть джерело живлення і поверніть ручку регулювання струму до упору вправо. Встановіть напругу на 6 В.
3.Запишіть значення напруги вітрогенератора в протокол експерименту. Вимкніть джерело живлення і зачекайте, поки вітрогенератор перестане обертатися. Зніміть один з роторів з осі генератора. Тепер вітрогенератор має лише три лопаті ротора замість шести (рис. 10).
Виконання роботи (2/3)
Рисунок 11
Рисунок 13
4.Увімкніть джерело живлення і запишіть напругу, яку показує мультиметр. Вимкніть джерело живлення. Повторіть вимірювання для напруги джерела живлення 7, 8, 9, 10, 11 і 12 В.
5. Зберіть схему лампи відповідно до рис. 11 і підключіть її до генератора (рис. 12).
Підключіть мультиметр до генератора так, щоб можна було виміряти напругу (рис. 13).
Рисунок12
Виконання роботи (3/3)
Рисунок 14
6.Повторіть вимірювання, як зазначено раніше, і запишіть результати.
7. Замініть патрон лампи на світлодіод (рис. 14) і повторіть вимірювання. Запишіть результати.
Протокол
Завдання 1
Вставте слова у відповідні пропуски ____ ротора не плоскі, а стають тоншими з одного боку, тому, коли вітер проходить закруглення, він діє на них з силою, перпендикулярною до напрямку потоку, створюючи ____. Чим більше лопатей ротора має вітрогенератор, тим більшу ____ він створює для дії вітру з прискорювальною силою. Таким чином, ____ лінійно залежить від кількості лопатей ротора. Важливо переконатися, що всі лопаті ротора знаходяться на однаковій ____ одна від одної, інакше ____ не буде відцентрований і обертання проти сили тяжіння буде ускладнене.
Завдання 2
Вставте слова у відповідні пропуски Однак, якщо встановлено занадто багато лопатей ротора, значно більша маса обертатиметься набагато швидше, що може призвести до розриву вітрогенератора на частини від ____. Це вже можливо при ураганних ____ з трьома лопатями ротора. Зростання кількості також пов'язане зі збільшенням ____ і ударами птахів. Щороку в Німеччині через ____ з вітряками гине до 100 000 птахів. Загалом, три роторні лопаті зарекомендували себе як хороший компроміс між продуктивністю, ____ та іншими аспектами, про які ми вже згадували.
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: Площа поверхні A; v_{рот.} пропорційна до:; Тиск повітря \rho; Температура повітря T; Швидкість вітру v_w; Кут падіння \gamma; ККД \mu. Місця на схемі: Реквізит.
До яких фізичних величин лінійно пропорційна швидкість обертання?