Сталий розвиток суспільства: запорізький регіональний досвід: монографія



Сторінка54/61
Дата конвертації23.10.2016
Розмір6.43 Mb.
1   ...   50   51   52   53   54   55   56   57   ...   61

Рис. 3.16. Фото діючих моделей хвильової енергетичної установки:

а) дволопатева модель; б) удосконалена трилопатева модель.


а) б)


Рис. 3.17. Блок автоматики моделі хвильової енергетичної установки:

а) схема автоматичного ввімкнення/вимкнення світлосигнального елемента (світлодіода);б) фото конкретного виконання блоку автоматики.


Електричний блок моделі містить електрогенератор (трифазний, з постійними магнітами) та блок автоматики (див. Рис. 3.17). Завдання останнього полягає в автоматичній подачі напруги на світлосигнальний елемент (у моделі ним є світлодіод) залежно від рівня освітленості. Це зроблено для можливості продемонструвати учням один із варіантів використання хвильової установки на практиці, а саме для автономного електропостачання навігаційних світлосигнальних пристроїв (бакенів, буїв). Вночі вони здійснюють періодичні світлові спалахи (або також періодичні звукові сигнали).

Методичні особливості використання моделі при вивченні фізики. Наведемо далі деякі методичні пропозиції щодо використання розглядуваної моделі на занятті, присвяченому розгляду альтернативних джерел енергії. Таке заняття можна провести під час вивчення розділу «Механіка», зокрема, після вивчення теми «Закони збереження в механіці».

Перед безпосереднім ознайомленням учнів з конструкцією моделі хвильової електростанції вчитель має привернути їх увагу до аналізу самого джерела енергії – морських та річкових хвиль. Наприклад, можна розглянути фізичні основи утворення хвиль на поверхні водоймищ.

Слід також указати на передумови використання хвилевих енергетичних установок. Адже проблема використання енергії хвиль є особливо актуальною для тих країн, які мають відповідні гідроенергетичні ресурси. Так, у ряді країн (Великій Британії, Норвегії, Японії, США) вже діють промислові зразки хвильових електростанцій [119, с. 150]. Наприклад, у Норвегії побудовано хвильову енергетичну установку потужністю 500 кВт.

Україна теж має можливість використовувати енергію хвиль, адже вона має вихід до Чорного та Азовського морів, а також повноводні річки (Дніпро, Дністер, Дунай, Південний Буг, Десна, Прип’ять тощо). Хвильові енергетичні установки малої потужності (до таких відноситься і та, що була нами розглянута) можуть використовуватися як джерело електроенергії для буїв, бакенів та маяків, а також для автономного енергозабезпечення океанографічних зондів та годівниць для розведення риб.

Після ознайомлення учнів з конструкцією та принципом дії моделі хвильової електростанції їм можна поставити наступні задачі.

1. Запропонувати варіанти можливого використання хвильових електростанцій на Чорному та Азовському морях; на Дніпрі.

2. Знайти недоліки у розглянутій конструкції хвильової енергетичної установки.

3. Запропонувати власний спосіб перетворення енергії хвиль в інші види енергії (наприклад, в електричну).

Характерною особливістю таких задач є те, що вони не мають завершеної відповіді (мають кілька розв’язків). Досвід застосування цих задач показує, що їх із задоволенням розв’язують як учні, що цікавляться фізикою, так і ті, що зазвичай не виявляють особливого інтересу до її вивчення, а тому мають відносно невисокий рівень навчальних досягнень з предмета.

Наприкінці заняття (наприклад, в якості домашнього завдання) учням можна запропонувати зробити порівняльну характеристику джерел енергії, в яких поновлювана енергія рухомої води використовується для виконання роботи (ними є енергія річок, припливів, хвиль та течій).



Додаткові творчі завдання. Учням, які вивчають фізику поглиблено (особливо тим, хто готується до участі в олімпіадах та інших конкурсах фізико-технічного спрямування), можна запропонувати, окрім якісних, ще й кількісні задачі, пов’язані, наприклад, з визначенням деяких робочих параметрів хвильової установки, з теоретичним досліджуванням її робочих характеристик та ін. Для успішного проведення цієї форми навчальної роботи ми використовуємо наступний методичний прийом.

Спочатку формулюється технічне завдання, в якому визначається перелік основних робочих параметрів установки, які потрібно знайти. Після цього кожне з таких завдань учні розбивають на низку більш простих фізичних задач, які потім розв’язують. Як приклад, розглянемо два таких завдання (з ними учні стикалися на етапі розроблення хвильової установки).

1. Оцінити механічну потужність хвильової установки в залежності від площі, яку охоплює лопатевий гвинт, і параметрів хвиль (висоти та періоду).

1) Знайдемо потужність водяного потоку через площадку площею , що перпендикулярна до напряму швидкості води .



Розв’язання. Нехай за час через нерухому площадку площею проходить вода масою . Тоді потужність цього потоку

.

Враховуючи, що (густина води, – об’єм води, що проходить крізь площадку за час ), отримуємо:



. (1)

2) Врахуємо, що не вся потужність потоку води перетворюється на механічну потужність лопатевого гвинта.



Розв’язання. Введемо коефіцієнт використання енергії водяного потоку– відношення механічної потужності на валу гвинта до потужності водяного потоку, який проходить через площу, що охоплює гвинт при своєму обертанні. Як правило, знаходиться експериментальним шляхом. Застосування коефіцієнта дозволяє записати формулу для механічної потужності на валу гвинта у вигляді:

. (2)

3) Оцінимо середню швидкість вертикального переміщення гвинтового перетворювача енергії на хвилях висотою і періодом .



Розв’язання. Швидкість вертикального переміщення точки на поверхні води при наявності хвиль висотою і періодом руху можна оцінити як . Проте використання штанги дозволяє збільшити цю швидкість у декілька, нехай у , разів. Тому для швидкості підйому труби хвильової установки разом із гвинтовим перетворювачем енергії дістаємо формулу:

. (3)

Після підстановки (3) у (2), з урахуванням , отримуємо формулу для визначення механічної потужності хвильової установки:



. (4)

Вихідні дані для розрахунку: середні параметри хвиль у Чорному морі: висота 1 м, період 4 с; радіус кола, яке описує гвинт при обертанні 0,5 м; коефіцієнт використання потоку води 0,4; густина води 1000 кг/м3; коефіцієнт збільшення швидкості вертикального переміщення гвинта k=2. Обчислення за формулою (4) дають

 Вт.

1. Оцінити мінімальний об’єм плавучості для забезпечення даної механічної потужності хвильової установки.



Розв’язання. Рух установки вгору обумовлюється піднімальною силою, що діє на плавучість:

, (5)

де – прискорення вільного падіння, – маса установки (разом із плавучістю та електрогенератором).

З іншого боку, необхідне значення , яке залежить від потужності хвильової установки, можна оцінити за формулою:

. (6)

Порівнюючи (5) і (6) з урахуванням (3), знаходимо мінімальний об’єм плавучості



. (7)

Вихідні дані для розрахунку: механічна потужність установки 160 Вт; маса установки 15 кг; прискорення вільного падіння 9,8 м/с2; значення інших параметрів такі самі, як і у попередньому розрахунку. Отримуємо:

0,031 м3.

Отже, для отримання механічної потужності 160 Вт мінімальний об’єм плавучості повинен складати 0,031 м3.



Висновки. Запропонована модель хвильової енергетичної установки може бути використана у навчальному процесі з фізики як наочний демонстраційний засіб при вивченні навчального матеріалу, пов’язаного з енергозбереженням, екологічно безпечними технологіями, розвитком альтернативної енергетики. Демонстрація моделей (макетів), зроблених учнями, виступає дієвим засобом щодо підвищення зацікавлення до вивчення фізики, а також мотивує інших школярів до творчої діяльності.

Подальші дослідження ми пов’язуємо з розробкою навчально-методичного забезпечення уроків фізики (у першу чергу, для учнів фізико-математичних класів), присвячених питанням енергозберігаючих технологій.



Каталог: jspui -> bitstream -> 123456789
123456789 -> Використання науково-технічних бд у наукових дослідженнях Васильєв О. В., к т. н
123456789 -> Розвиток банківського споживчого кредитування
123456789 -> Реферат дипломна робота містить 128 сторінок, 17 таблиць, 21 рисунок, список використаних джерел з 108 найменувань, 6 додатків
123456789 -> Методичні рекомендації до організації самостійної роботи студентів заочної форми навчання
123456789 -> Методичні рекомендації для студентів денної форми навчання Оздоровче і прикладне значення занять
123456789 -> «Аналіз розподілу та використання прибутку банку»


Поділіться з Вашими друзьями:
1   ...   50   51   52   53   54   55   56   57   ...   61


База даних захищена авторським правом ©uchika.in.ua 2019
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка