УЧЕБНАЯ МОДЕЛЬ АППАРАТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ Андреев А.Н.,Гуляева Т.В.

Запорожский национальный технический университет


Номер: 1-4
Год: 2016
Страницы: 7-12
Журнал: Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук

Ключевые слова

альтернативные источники энергии, энергия ветра, измерение скорости ветра, анемометр, физические основы аэродинамики, alternative energy sources, wind energy, the measurement of wind speed, wind gauge, physical fundamentals of aerodynamics

Просмотр статьи

⛔️ (обновите страницу, если статья не отобразилась)

Аннотация к статье

В статье рассматривается проблема ознакомления учащихся с физическими основами альтернативной энергетики, в частности, с использованием энергии ветра. Рассмотрено техническое описание прибора для определения скорости и направления ветра. Определены перспективные отрасли его использования, в частности, в учебном процессе по физике.

Текст научной статьи

Постановка проблемы. Одним из приоритетных направлений решения энергетических проблем современности является внедрение альтернативных (возобновляемых) видов энергии. С учетом метеорологических факторов и географических условий важное значение для Украины и России имеет энергия ветра. Преобразование кинетической энергии воздушного потока в механическую или электрическую происходит с помощью ветроэнергетических установок (ВЭУ). Одной из важных характеристик ветра (от которой зависит мощность, которую развивает ветродвигатель) является его скорость. При этом работа ВЭУ сопровождается постоянным изменением скорости ветра и его направления во времени. Как определяют скорость ветра? Как достигают стабилизации частоты колебаний тока и амплитуды напряжения электрогенератора несмотря постоянную изменчивость скорости и направления ветра? Полноценное ознакомление учащихся с современными проблемами ветроэнергетики невозможно без рассмотрения этих вопросов. Какие аспекты обозначенной методической проблемы уже освещены в научной и учебной литературе? Существуют ли в перечне стандартного демонстрационного оборудования учебные приборы, которые объясняют физические основы использования ветровой энергии: модели ВЭУ, приборы для определения скорости и направления ветра и т.д.? Анализ последних исследований. Анализ учебно-методической литературы по физике обнаружил, что освещению проблемы использования энергии ветра (в контексте формирования у учащихся компетентности в сфере энергосбережения) уделяется достаточно слабое внимание. Сегодня можно привести лишь единичные публикации методического характера, посвященные физическим основам использования этого важного альтернативного источника энергии. В учебном пособии для внеклассного чтения [1] освещены некоторые аэродинамические явления и физические основы применения законов аэродинамики в технике (в том числе, при создании ветродвигателей) и в природе (полет птиц, насекомых; аэродинамические явления в атмосфере и т.д.). Ряд демонстрационных опытов по аэродинамике в руководстве по М.М. Шахмаев и В.Ф. Шилова [2, с. 73-76]: «Зависимость давления в жидкости и газе от скорости их течения", "Строение и действие пульверизатора, водоструйного насоса и карбюратора", "Подъемная сила крыла самолета". Методические вопросы проведения учениками простых аэродинамических исследований при конструировании моделей ракет, кораблей, самолетов представлены в [3, с. 120]. Авторами этого пособия описано, в частности, установку для исследования аэродинамического сопротивления обтекателей модели ракеты, приведены способы определения ее центра масс, а также рассмотрены экспериментальные пути определения тяговых характеристик двигателей, силы полного сопротивления среды (равной равнодействующей сил лобового, волнового и вихревого сопротивлений, а также силы вязкого трения) и др. В пособии [4], который рассчитан на учащихся общеобразовательных учебных заведений, приведены краткие сведения о современном состоянии развития ветровой энергетики, а также представлены методические рекомендации по изготовлению простых моделей ветроколес. В сборнике творческих задач В.Г. Разумовского [5] находим задачи, связанные с проблемой использования ветровой энергии (в том числе, с измерением скорости ветра). Приведем их условия. Задача 1. Одним изобретателем было предложено использовать энергию ветра для обогрева жилых помещений, теплиц и других сельскохозяйственных зданий. При этом в его "генераторе тепла" механическая энергия ветра непосредственно превращалась в тепловую энергию воды. а) Как можно осуществить такое превращение? б) Какое количество воды можно нагреть от 0 ° С до 50 ° С с помощью флаги?? с диаметром колеса 6 м за один час при скорости ветра 10 м / с? КПД установки составляет 20%. Задача 2. Воспользовавшись зависимостью сопротивления металлического проводника от температуры, сконструировать прибор для измерения скорости ветра. Разработать схему электрической цепи и объяснить принцип действия прибора. Отметим, что некоторые аэродинамические устройства присутствуют в перечне стандартного экспериментального оборудования физического кабинета. Среди них: аэродинамическая труба, воздуходувка, действующая модель ветродвигателя с горизонтальной осью вращения. Однако отсутствуют приборы для измерения скорости ветра. Цель статьи. В данной статье мы хотим рассмотреть техническое описание (конструкцию и принцип действия) предлагаемого нами прибора для определения скорости и направления ветра и определить перспективные отрасли его использования (в частности, выяснить его место в учебном процессе по физике). Изложение основного материала статьи. Приборы для измерения скорости ветра (или вообще газовых потоков) называются анемометрами (от греческого анемос - ветер, и метрео - измерение). Первый анемометр был изобретен итальянцем Леоном Батиста Альберти (в 1450 году). Перед учениками (разработчиками прибора) была поставлена задача предложить такую конструкцию анемометра, который был приспособлен к работе в ветроэнергетических установках и был бы лишен некоторых недостатков уже существующих устройств аналогичного назначения. Среди которых: - отсутствие возможности одновременного измерения скорости и определения направления ветра с помощью одного устройства; - невозможность или сложность осуществления цифровой обработки результатов, что, в свою очередь, затрудняет хранения данных, полученных с датчика; - пониженная точность измерения за счет достаточно большого количества механических соединений. Техническое описание прибора. Конструкция анемометра содержит (рис. 1): парус 1, главную ось (стержень) 2, эластичную и герметичную прокладку 3, ударопрочный цилиндрический корпус 4, направленный источник света 5, пружины 6, подставку для регистрирующей части 7, регистрирующее устройство 8, фотоэлементы 9 и микроамперметры 10. Принцип действия предложенного анемометра заключается в следующем. При возникновении ветра, ветровой поток оказывает давление на парус, который неподвижно закреплен на главной оси (стержне). Эта ось образует определенный угол φ с вертикалью, который зависит от скорости ветра. Наклон оси относительно корпуса обеспечивает эластичная герметичная прокладка. На другом конце главной оси закреплен источник света, который излучает направленный на регистрирующее устройство пучок света. Рис. 1. Прибор для измерения скорости и направления ветра: а) - схема устройства; б) - схема его регистрирующей части. Регистрирующее устройство состоит из фотоэлементов и микроамперметров (рис. 1, б). К главной оси присоединены четыре пружины. Парус и источник света находятся на таком расстоянии от прокладки и имеют такие массовые пропорции, чтобы сумма моментов сил тяготения, действующих на верхнюю и нижнюю части оси равнялась нулю. Благодаря пружинам обеспечивается сила реакции, которая создает крутящий момент, что противодействует моменту силы давления ветра на парус (с помощью пружин главная ось возвращается в вертикальное положение при отсутствии ветра). При отклонении главной оси изменяется положение светового пучка относительно регистрирующего устройства. Приближение пучка света в фотоэлементов регистрирующего устройства приводит к возникновению в них электрического тока в результате фотоэлектрического эффекта. Фотоэлементы соединены в индикаторный мост, позволяющий измерять разницу токов в диагоналях моста микроамперметрами. Это и будет выходным сигналом, который затем будет поступать в нуль-орган системы регулирования ветродвигателя или к компьютеру. Важно то, что сигнал будет электрическим - это значительно упрощает связь между частями системы регулирования ветроэнергетической установки; повышает точность измерения скорости ветра и определения его направления; делает хранения данных, полученных с датчика, а также цифровую обработку результатов измерения. Учащимися было проведено теоретическое исследование опасного прибора. Оно заключалось в определении: - необходимой жесткости пружины, которая поворачивает ось прибора в вертикальное положение (для этого нужно учесть, что отклонение оси на заданный предельный угол должна происходить при известной максимальной скорости ветра); - зависимости угла отклонения оси от скорости ветра. Учебная модель анемометра. Для того, чтобы убедиться в работоспособности предложенного технического решения и экспериментально проверить результаты теоретических исследований, учениками нашей экспериментальной группы была разработана и изготовлена действующая модель аппарата. Главным разработчиком модели был Александр Оленев (в то время, ученик 11 класса Запорожского многопрофильного лицея № 99). В первой действующей модели анемометра (рис. 2), которую изготовили ученики, роль регистрирующей части выполняли два одинаковых индикаторные моста (рис. 3). Каждый из них состоял из двух фотодиодов, двух реостатов и двух микроамперметров. Для определения направления ветра фотодиоды одного из мостов были ориентированы на север и юг, а другой - на запад и восток (на рис. 3 изображен мост "Запад - Восток"). Рис. 2. Действующая модель анемометра, изготовленная учащимися: а) общий вид модели; б) регистрирующая часть прибора. Рис. 3. Схема регистрирующей части действующей модели анемометра. Микроамперметры в диагонали моста подключены друг к другу однополярным концами. Это позволяет измерять силу тока на обоих фотодиодах. При этом направление ветра определяется по положительными показаниям соответствующего микроамперметра (понятно, что вместо двух приборов можно использовать один, ноль шкалы которого находится в средней части). Реостаты установленны для корректировки чувствительности микроамперметров. Также в модели был сделан своеобразный отражатель (см. рис. 2, б) для фокусировки светового пучка на фотодиодах. На основе анализа результатов экспериментальных исследований описанной действующей модели анемометра, учениками был предложен ряд ее конструктивных усовершенствований. Они были учтены при изготовлении экспериментального образца прибора (рис. 4), который уже можно использовать на практике (в том числе, как учебную модель в процессе изучения физики). Главное усовершенствование, которое реализовано в экспериментальном образце, относится к регистрирующей части анемометра. Так, вместо индикаторных мостов с фотодиодами было использовано матрицу от цифровой фотокамеры, которая имеет много пикселей (рис. 4, б). Это значительно повышает точность определения положения пучка света от движущегося световода (а, следовательно, повышается точность определения скорости и направления ветра). Кроме того, это дает возможность осуществлять цифровую обработку информации и ее вывод с помощью программного обеспечения компьютера. Рис. 4. Экспериментальный образец анемометра (учебная модель): а) общий вид модели; б) регистрирующая часть прибора. Основными отраслями использования предложенного нами устройства для определения скорости и направления ветра являются: - учебный эксперимент по физике: ознакомление учащихся с описанной учебной моделью анемометра целесообразно проводить при изучении основ аэродинамики (10 класс), а также при рассмотрении вопросов, связанных с использованием ветровой энергии (наиболее благоприятные условия для ознакомления учащихся с данным прибором создает внеурочная деятельность в различных ее формах); - системы автоматического регулирования рабочих параметров ветроэнергетических установок (в частности, регулирование (стабилизация) частоты вращения ветродвигателя и частоты тока и амплитуды напряжения генератора): в этом случае анемометр выступает датчиком скорости ветра, а рассматриваемая конструкция анемометра позволяет измерять скорость ветра независимо от его направления, находить это направление и отправлять результат в виде электрического сигнала в регистрирующий орган ветроэнергетической установки; - метеорологические исследования: описанный прибор может быть использован на школьных метеоплощадках или быть частью глобальной сети. Апробация устройства. На рассмотренное в данной статье устройство для измерения скорости и направления ветра нами (в соавторстве с учениками экспериментальной группы) был получен патент на полезную модель "Анемометр" (патент Украины №43782 [6]). Приведем формулу этой полезной модели. Формула полезной модели. 1. Анемометр, который содержит парус, неподвижно закрепленный на вертикальной оси, регистрирующее устройство, которое отличается тем, что содержит корпус, эластичную и герметичную прокладку, направленный источник света, закрепленное в нижней части вертикальной оси, по меньшей мере одну пружину, которая одним концом закреплена к корпусу, а другим - к направленному источника света, причем парус и источник света соединены на таком расстоянии от прокладки и имеют такие массовые пропорции, чтобы сумма моментов сил тяготения, действующих на верхнюю и нижнюю части главной оси (стержня), равнялась нулю, а регистрирующее устройство расположено под источником света. 2. Анемометр по пункту 1, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим и / или ударопрочным. 3. Анемометр по пункту 1 или пункту 2, отличающийся тем, что регистрирующее устройство выполнено из фотоэлементов и микроамперметров, соответственно соединенных между собой. Сравнивая предложенный нами анемометр с известными устройствами аналогичного назначения, можно выделить следующие его преимущества: - реализация измерения скорости ветра во всех направлениях и определение его направления на базе одного прибора; - получение результатов измерения в виде электрического сигнала; - возможность цифровой обработки результатов измерения с помощью компьютера; - относительная простота конструкции прибора. Отметим, что рассматриваемая нами учебная модель анемометра прошла экспертную оценку на международных и всеукраинских ученических конкурсах. В качестве примера, укажем на два конкурса: - Международный конкурс научно-технического творчества школьников Intel International Science and Engineering Fair (Intel ISEF - 2009). Международный этап этого конкурса состоялся в мае 2009г. В г. Рено (штат Невада, США). На секции "Физика и астрономия" ученик, который представлял нашу страну, занял III место в секции "Физика и астрономия" и получил победу еще в нескольких номинациях (в частности, получил Первую премию Американской метеорологической ассоциации и Вторую премию Американской ассоциации интеллектуальной собственности). - Всеукраинский конкурс-защита научно-исследовательских работ учеников - членов Малой академии наук (МАН) Украины (государственный этап МАН, 2009, г. Киев, диплом II степени). Выводы. Предложенный прибор для определения скорости и направления ветра может быть использован в учебном процессе как демонстрационный прибор при изучении физических основ аэродинамики, некоторых вопросов альтернативной энергетики (в частности, использование энергии ветра) и для метеорологических исследований. Перспективной областью использования прибора являются системы автоматического регулирования рабочих параметров ветроэнергетических установок (в этом случае прибор может выступать датчиком скорости ветра). Дальнейшие исследования будут посвящены разработке физических демонстраций и экспериментальных задач, связанных с использованием предложенной учебной модели анемометра.

Научные конференции

 

(c) Архив публикаций научного журнала. Полное или частичное копирование материалов сайта возможно только с письменного разрешения администрации, а также с указанием прямой активной ссылки на источник.