Počítačové laboratoře bez tajemství aneb naučme se učit algoritmizaci a programování s využitím robotů
Lekce 1 – FisherTechnik (3,5 vyuč. hodiny)
„Tento projekt CZ.1.07/1.3.12/04.0006 je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.“
`
`
Seznámit se stavebnicí FisherTechnik pro přípravu ukázkových příkladů v hodinách fyziky, zaměřených na obnovitelné zdroje energie Obsahem lekce jsou vybrané příklady, demonstrující ◦ ◦ ◦ ◦
`
Vyžití vodní energie Využití větrné energie Vyžití solární energie Využití palivového článku
V příkladech je ukázáno
◦ Přímé využití energie k pohodu strojů (vodní a větrná energie) ◦ Výroba elektrické energie ◦ Využití vyrobené elektrické energie k pohonu strojů
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
2
`
FisherTechnic Oeco Tech ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
`
Fotovoltaický článek Elektromotor/generátor Dioda Spojovací vodiče Kondenzátor Mechanické díly pro 10 ukázkových modelů
FisherTechnic Hydro Cell Kit ◦ Palivový článek ◦ Fotovoltaický článek
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
3
`
Solární panel (fotovoltaický článek)
◦ Max. výstupní napětí 1,2 V, proud 440 mA
+ CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
4
`
Stejnosměrný elektromotor
◦ Jmenovité napětí 2 V ◦ Chod naprázdno od 0,3 V ◦ Směr otáčení záleží na polaritě připojeného zdroje
-
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
+
+
-
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
5
`
Světelná dioda (LED)
◦ Vyzařuje světlo pouze, pokud je zapojena se správnou polaritou Množství světla závisí na napětí (inicializační napětí cca 1,75 V) ◦ Max. 2 V (při vyšším napětí dojde k nevratnému poškození)
-
+
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
6
`
Kondenzátor
◦ Kapacita 10 F ◦ Připojení ke zdroji max. 2,3 V (při napětí vyšším než 2,7 V může dojít k nevratnému poškození, případně explozi) ◦ Nehrozí přebití a nízké vybití (jako u některých akumulátorů)
+
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
7
`
`
Sestavte model stroje, využívající ke své činnosti vodní energii (energii tekoucí vody) Otázky k zamyšlení:
◦ Jaké první přírodní zdroje využíval člověk pro získání energie pro pohyb strojů? ◦ Kdy bylo vynalezeno vodní kolo? ◦ Jaká je výhoda nevýhoda přímé přeměny vodní/větrné energie na energii mechanickou? ◦ Na čem závisí rychlost a síla pily? ◦ K jaké přeměně energie zde dochází? ◦ Jaké další stroje využívaly (využívají) hydroenergii? ◦ Jaké existují druhy vodních turbín?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
8
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
9
`
`
Sestavte model stroje, přeměňující větrnou energii na energii elektrickou Otázky k zamyšlení: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
Pomocí multimetru měřte výstupní napětí. Na čem závisí výstupní napětí na generátoru? Jak měříme sílu větru? K jaké přeměně energie zde dochází? Jaké další stroje využívaly (využívají) větrnou energii?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
10
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
11
`
Vyzkoušejte solární panel Vyzkoušejte zapojení dvou solárních panelů (z Hydro Cell Kit)
`
Otázky k zamyšlení:
`
◦ Pomocí multimetru měřte výstupní napětí. ◦ Na čem závisí výstupní napětí solárního panelu? ◦ Jak se projeví různá vzdálenost konkrétního zdroje od solárního panelu? ◦ Vyzkoušejte různé zdroje světla, vyzkoušejte venku při různé intenzitě slunečního světla. ◦ Kolik panelů by bylo potřeba např. pro rozsvícení 100 W žárovky?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
12
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
13
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
14
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
15
`
`
Vyzkoušejte zapojení solárního panelu a akumulátoru (kondenzátoru) Otázky k zamyšlení:
◦ Pomocí multimetru měřte nabíjecí napětí a proud. ◦ Jaké množství energie lze uložit? ◦ Za jako dlouho je kondenzátor plně nabit? Záleží za intenzitě osvětlení? ◦ Kolik energie je možno opětovně použít? Jaká je účinnost tohoto způsobu uchování energie?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
16
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
17
`
`
Sestavte model vozidla s elektromotorem, který je napájen ze solárních článků. Otázky k zamyšlení:
◦ Jak závisí rychlost vozidla na intenzitě osvětlení? ◦ Jak se změní rychlost vozidla, pokud použijeme dva solární panely? ◦ Jaký má vliv na rychlost vozidla sériové nebo paralelní zapojení článků? ◦ Pojede vozidlo z kopce i bez sluneční energie? ◦ Jede vozidlo z kopce rychleji než do kopce?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
18
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
19
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
20
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
21
`
`
`
Model řeší dočasný výpadek solárního napájení elektromobilu Doplňte předchozí model kondenzátor pro akumulaci energie Otázky k zamyšlení:
◦ Jaké procesy v soustavě probíhají? ◦ Bude se model pohybovat rychleji nebo pomaleji, než v případě bez kondenzátoru? ◦ Bude se model pohybovat s vybitým kondenzátorem? ◦ Jak dlouho vydrží plně nabitý kondenzátor pohánět elektromobil bez solární energie?
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
22
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
23
` `
`
`
Sestavte model dle návodu Zapojte paralelně dva fotovoltaické články vzájemně s opačnou polaritou (inverzně) Pokud na oba články dopadá stejné množství světla, výsledné napětí zdroje je nulové, motor se netočí Pokud na jeden z článků dopadá více světla, výsledné napětí je kladné nebo záporné a motor se točí příslušným směrem
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
Zdroj: FisherTechnik OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
24
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
25
`
Princip palivového článku
◦ Přeměna chemické energie vodíku a kyslíku na energii elektrickou, vodu a teplo ◦ Membrána (případně elektrolyt) oddělující palivo (vodík) a okysličovadlo (kyslík) ◦ Elektrody + elektrický obvod ◦ 2 H2 + O2 -> 2 H20 + elektrický proud + teplo
`
Opačná reakce
◦ Vznik paliva elektrolýzou vody ◦ Přivedením napětí na elektrody ◦ 2 H20 + elektrický proud -> 2 H2 + O2
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
26
Zásobník na kyslík
Plnící zátky
Zásobník na vodík
Kladný pól
Záporný pól
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
27
◦ Membránový palivový článek ◦ Nízká provozní teplota 10 – 40 °C ◦ Objem zásobníků 2 x cca 15 ml ◦ Elektrolýza x Pracovní napětí: 1.4 – 2 V x Pracovní proud: 0 – 0.5 A x Rychlost produkce vodíku: 3.5 ml/min ◦ Energie palivového článku x Napětí: cca 1 V, po zatížení 0.5 – 0.9 V x Proud: 0.5 A x Výkon: 0.25 W CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
28
◦ Palivový článek otočíme zátkami nahoru ◦ Vyjmeme zátky a naplníme oba zásobníky destilovanou vodou až po horní okraj vnitřní trubičky ◦ ! Při použití obyčejné vody dojde ke zničení membrány ◦ Uzavřeme zásobníky tak, aby neobsahovaly bublinky vzduchu ◦ Otočíme do pracovní polohy (zátkami dolů) ◦ Připojením stejnosměrného napětí začne probíhat elektrolýza (červený pól = PLUS) ◦ V jednotlivých zásobnících se shromažďuje kyslík a vodík
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
29
3. Uzavřít zátkami, a překlopit
2. Naplnit po okraj vnitřní trubičky 1. Překlopit, odstranit zátky
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
30
◦ Připojte zdroj stejnosměrného napětí (dva fotovoltaické články zapojené do série) ◦ Dbejte na správnou polaritu
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
31
◦ Připojte k článku elektromotor ◦ Směr otáčení závisí na způsobu připojení ◦ Multimetrem měřte napětí a proud, který je schopen palivového článek produkovat
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
32
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
33
` ` `
`
Jaký je význam palivového článku Kde je v současnosti tato technologie používaná Jaká je účinnost palivového článku, dochází při procesu uschování (přeměny) energie ke ztrátám? Pokuste se experimentálně ověřit jaké jsou ztráty u tohoto modelu. Pokuste se zjistit:
◦ Jakou vzdálenost by tento model auta (poháněný elektromotorem napájeným přímo z fotovoltaických článků ) ujel za stálého osvětlení, za dobu např. 5 minut. Změřte napájecí napětí a proud. ◦ Jakou vzdálenost ujede podobný model napájený palivovým článkem, který byl nabíjen po dobu 5 minut za stejného osvětlení. Jakou dobu se pohyboval a jaké napětí a proud po tuto dobu palivový článek produkoval? ◦ Porovnejte výsledky a vyvoďte závěry.
CZ.1.07/1.3.12/04.0006
OZZS_L1 (verze 01/2012) - FisherTechnik
34