Lekce 1 FisherTechnik (3,5 vyuč. hodiny)

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


3

`

Solární panel (fotovoltaický článek)

◦ Max. výstupní napětí 1,2 V, proud 440 mA

+ CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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

+

+

-


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


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


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


8

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


10

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


12

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


13

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


14

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


16

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


18

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


19

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


20

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


22

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


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


26

Zásobník na kyslík

Plnící zátky

Zásobník na vodík

Kladný pól

Záporný pól

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


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


29

3. Uzavřít zátkami, a překlopit

2. Naplnit po okraj vnitřní trubičky 1. Překlopit, odstranit zátky

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


30

◦ Připojte zdroj stejnosměrného napětí (dva fotovoltaické články zapojené do série) ◦ Dbejte na správnou polaritu

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


32

CZ.1.07/1.3.12/04.0006


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


34

Lekce 1 FisherTechnik (3,5 vyuč. hodiny)

Recommend Documents