Transcript Pobierz - Fizyka w XXVI LO w Łodzi

Sprawozdanie z eksperymentu
oraz przedstawienie procesu budowy
Prezentacja projektu
uczniów XXVI LO
im. Krzysztofa Kamila
Baczyńskiego
Co chcieliśmy osiągnąć?
Zbudować niewielki model elektrowni wiatrowej o jak
największej wydajności przy sile wiatru przybliżonej do
ruchu powietrza w pobliżu domowego wiatraka.
Wymiary: 25x25x25 cm
Prędkość wiatru: 2 m/s
Budżet: mocno ograniczony ;-)
Termin: koniec marca 2012
Od czego zaczęliśmy pracę ?
Wielkie dzieła nie wychodzą z rąk stolarzy bez żmudnej fazy
projektowania. Jako osoby zupełnie niewtajemniczone w
energetykę wiatrową najpierw zajęliśmy się przeglądem źródeł
zarówno książkowych, jak i internetowych. Uzbrojeni w potężną
wiedzę (jak nam się wtedy wydawało), stworzyliśmy kilka
projektów, które porzuciliśmy… ze względów technicznych.
Okazało się, że bycie inżynierem w praktyce wcale nie jest takie proste…
Turbina wiatrowa o osi poziomej wyposażona w dyfuzor
Nasz pierwszy projekt zakładał stworzenie
elektrowni wiatrowej w układzie klasycznym
wzbogaconej o dyfuzor.
Dlaczego dyfuzor?
Zgodnie z z prawem Bernoulliego, gdy standardową turbinę zabudujemy
w przewężeniu rurowego tunelu, to wirnik będzie poruszał się w powietrzu
przepływającym szybciej niż wiatr poza tym tunelem. Ostatecznie
da to zdecydowanie więcej energii, niż gdyby turbina pracowała bez dyfuzora.
Pojawiły się jednak pytania:
Jaki kształt łopat będzie najlepszy?
Jak najlepiej przymocować oś do dyfuzora?
Uzbrojeni w odpowiednią (jak nam się wydawało) wiedzę,
rozpoczęliśmy budowę turbiny.
Podczas prac natrafiliśmy na kilka przeszkód:
•Optymalny sposób mocowania osi do podstawy
Użyliśmy łożysk kulkowych w odpowiednim rozmiarze.
Sposób ich mocowania okazał się problematyczny. Łożyska
opadały wewnątrz metalowych nóg.
•Nadal nierozwiązany problem optymalnej ilości śmigieł i ich kształtu
Planowaliśmy dojść do optymalizacji metodą prób i błędów.
O wiele lepszym sposobem wydało nam się jednak wprowadzenie
w życie innego rozwiązania inżynieryjnego…
(ciekawostka)
Owe niekształtne twory stanowią jeden
z modeli śmigieł naszego wiatraka.
W planach miały przyjąć kształt półkola.
Do ich budowy zużyliśmy:
1.
2.
3.
4.
Żarówki
Silikon
Folię aluminiową spożywczą
Taśmę klejącą z papieru
Jak widać podczas budowy towarzyszyły nam
porażki, mniejsze i większe…
Teraz już wiemy, że nie należy utrudniać prac
wydumanymi pomysłami.
Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu
Charakterystyka:
Przekrój poziomy wirnika jest zbliżony do litery "S". Wirnik ma cztery ramiona. Różnica sił
oddziaływania wiatru na wklęsłą i wypukłą stronę łopat powoduje obrót wirnika.
Zalety:
→ prosta w budowie
→ duża wytrzymałość
Wady
:
→ jeszcze nie odkryliśmy żadnych wad
(wcale nie z powodu niezawodności
takiego rozwiązania, po prostu… za mało
szukaliśmy)
Moc turbiny wiatrowej wyraża się wzorem
p – gęstość powietrza, v -prędkość wiatru, F – przekrój poprzeczny strumienia
powietrza,
e - współczynnik wykorzystania energii
Zatem, gdybyśmy stworzyli „perpetuum mobile”,
gdzie e = 100% osiągnęłoby ono P = 1,65W
Niestety, jak na nasze możliwości jest to nie do
osiągnięcia, w teorii współczynnik
wykorzystania energii może byś równy 59,3%,
lecz w praktyce można co najwyżej osiągnąć go
na poziomie 50%, co było naszym celem. Czyli
aby P = 0,83W
1. Bloczek
2. Koniec osi
3. Obudowa konstrukcji
4. Oś i łożyskowanie
5. Łopaty
W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 30g, a Δh=0,03 ± 0,01m
Numer Pomiaru
Czas
Moc
1
10,47 s
0,0086 W
Max
2
12,23 s
0,0073 W
Min
3
9,50 s
0,0094 W
4
11,74 s
0,0076 W
-
Moc
0.0082 ± 0,0013 W
Niepewność pomiarowa.
0,0086 W – 0,0073 W = 0,0013 W
Jako grupa doszliśmy do konkluzji, iż wynik
naszego wiatraka jest niesatysfakcjonujący,
ponieważ osiągnęliśmy mniej niż 1%
spodziewanego wyniku.
1. Koniec osi
2. Bloczek
3. Obudowa konstrukcji
4. Oś i łożyskowanie
5. Łopaty
Zostaliśmy poinformowani, że nasza
konstrukcja miała zbyt mały moment
obrotowy w stosunku do długości osi,
na którą nawijała się nitka (wykonana
de facto z nogi od szafy o średnicy
ok.4 cm). Rozwiązaliśmy problem,
zastępując dotychczasową końcówkę
śrubą.
Okazało się również, że nitka
zawijała się nam do środka
łożyska, dlatego byliśmy
zmuszeni podnieść nasz
bloczek do góry.
Zdjęliśmy część obudowy, aby nie rozbijać
strumienia wiatru. Z tego powodu, iż wiatraki tego
typu działają na różnicy oporów powietrza
padającego na część wklęsłą i wypukłą, uznaliśmy
za dobry pomysł osłonięcie wypukłych części łopat
specjalną ścianką. Podstawa i szkielet wykonane są
z drewna, reszta z tworzyw sztucznych.
Początkowo w płomieniach młodego
inżynieryjnego szału osadziliśmy oś na 3 łożyskach
kulkowych, dodatkowo używając w górnej części
czwartego. Usunęliśmy na dole 2 łożyska, aby
zmniejszyć opór, który one powodowały oraz
usunęliśmy ich obudowy, aby wyczyścić gęsty
smar, który się w nich znajdował i zastąpiliśmy go
o wiele bardziej wydajnym.
Łopaty wykonaliśmy z
plastikowej rury o
średnicy ok.8,5cm i
wysokości 18cm.
Zmiana polegała na
wycięciu drewnianych
podpórek, które
mających zapobiec
rozklejeniu się
konstrukcji.
Pomimo iż różnica ciężaru była niewielka, to
usunięcie podpórek korzystnie wpłynęło na cyrkulacje
powietrza wewnątrz łopaty. Niestety, obniżając jej
wytrzymałość, ale wytrzymała ona jej testy
W jest to ΔEp = mgΔh, P = W / t, gdzie m = 160g, a Δh=0,03 ± 0,01m
Numer Pomiaru
Czas
Moc
1
25,45 s
0,0189 W
2
17,44 s
0,0275 W
3
24,38 s
0,0197 W
4
22,33 s
0,0215 W
Moc
0,0200 ± 0,0026 W
Musieliśmy usunąć
drugi pomiar z naszej
analizy, ponieważ za
bardzo odstawał od
reszty i
prawdopodobnie
wkradł się tam jakiś
błąd pomiaru.
Niepewność pomiarowa.
0,0215 W – 0,0189 W = 0,0026 W
Jak widać po poprawkach znacznie
podniosła się sprawność naszego
wiatraka, lecz dalej pozostała na bardzo
niskim poziomie, osiągnęliśmy zaledwie
2,3% tego, co zamierzaliśmy.
Min
Max
Nawet takie kosmetyczne poprawy znacznie poprawiły sprawność naszego
wiatraka. Opierały się głównie na usuwaniu zbędnych elementów. Stąd wniosek
na przyszłość – należy każdy element budowy dokładnie przemyśleć
•Ze źródeł specjalistycznych dowiedzieliśmy się, że turbiny o osi pionowej
mają znacznie niższy współczynnik sprawności niż konstrukcje klasyczne
(śmigłowe), czyli około 30%.
•Pomimo niskiej sprawności udało nam się zdobyć wiele
doświadczeń z zakresu inżynierii. Mamy zamiar
wykorzystać je przy budowie kolejnej
turbiny. : )
Bibliografia:
 Mieczysław Jażewski „Fizyka
Ogólna”
 R.Resnick i D.Halliday „Fizyka
dla studentów nauk
przyrodniczych i technicznych”
Inne źródła informacji:
 Program wiatrak 1.1
 http://www.uwm.edu.pl/kolektory/
silownie/pionowe.html
 http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dyd
aktyka/inzynieria_srodowiska/c_o
dnaw_zrodla_en/
 http://zasoby1.open.agh.edu.pl/dyd
aktyka/inzynieria_srodowiska/c_o
dnaw_zrodla_en/files/inne_rozwia
zania.htm
 http://darmowaenergia.eko.org.pl/pliki/wiatr/prof_
cxy.html
Skład grupy:
 Aleksandra Sroczyńska
 Damian Kądrowski
 Łukasz Zimoń
Wszystkie grafiki wykorzystane w
prezentacji zostały stworzone przez
członków grupy.