Počítačové laboratoře bez tajemství aneb naučme se učit algoritmizaci a programování s využitím robotů Lekce 1 FisherTechnik (3,5 vyuč. hodiny) Tento projekt 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 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 3
Solární panel (fotovoltaický článek) Max. výstupní napětí 1,2 V, proud 440 ma + - 4
Stejnosměrný elektromotor Jmenovité napětí 2 V Chod naprázdno od 0,3 V Směr otáčení záleží na polaritě připojeného zdroje - + + - 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) - + 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) + - 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? 8
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? 10
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? 12
13
14
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? 16
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? 18
19
20
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? 22
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 Zdroj: FisherTechnik 24
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 H 2 + O 2 -> 2 H 2 0 + elektrický proud + teplo Opačná reakce Vznik paliva elektrolýzou vody Přivedením napětí na elektrody 2 H 2 0 + elektrický proud -> 2 H 2 + O 2 26
Zásobník na kyslík Zásobník na vodík Plnící zátky Kladný pól Záporný pól 27
Membránový palivový článek Nízká provozní teplota 10 40 C Objem zásobníků 2 x cca 15 ml Elektrolýza Pracovní napětí: 1.4 2 V Pracovní proud: 0 0.5 A Rychlost produkce vodíku: 3.5 ml/min Energie palivového článku Napětí: cca 1 V, po zatížení 0.5 0.9 V Proud: 0.5 A Výkon: 0.25 W 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 29
3. Uzavřít zátkami, a překlopit 2. Naplnit po okraj vnitřní trubičky 1. Překlopit, odstranit zátky 30
Připojte zdroj stejnosměrného napětí (dva fotovoltaické články zapojené do série) Dbejte na správnou polaritu 31
Připojte k článku elektromotor Směr otáčení závisí na způsobu připojení Multimetrem měřte napětí a proud, který je schopen palivového článek produkovat 32
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. 34