Sissejuhatus
Teema | Füüsika |
Raskusaste | Algajad |
Tasemeskaala | 3–6 |
Kestus | 45 min õppetund, |
Selles koolitunnis kasutavad õpilased printerit 3D-mikrotuulegeneraatori valmistamiseks, mis võib muuta tuuleenergia elektrienergiaks. Me saame määrata tekitatud voolu, kui kasutame seadmeid energia muundamiseks. Selle teema käsitlemisel uurivad õpilased tiivikulabade kuju mõju tuuleturbiiniga toodetavale energiale.
Õpieesmärgid
- Arusaamine energia muundamisest tuuleturbiini abil.
- Õppida uurimistöö koostamist muutujate muutmise teel.
- Aru saada tiivikulabade kuju mõjust energia muundamisele.
- Õppida objektide loomist Tinkercadi abil.
Vajalikud vahendid (ühe inimese kohta)
Õpetajad
- 1 tk internetiühenduse ja Snapmakeri tarkvaraga arvuti
- 1 tk valmis tuuleturbiin
- 1 tk nihkmõõdik
- 1 tk alalisvoolumootor
- 1 tk kahepoolne teip
- 1 tk digitaalne multimeeter
- 1 tk USB-mäluseade
- 1 tk tiivik
- 1 tk A4 paberileht
- 1 tk leht kavanditabeliga (koostatud õpilaste arvu arvestades, vt 3. osa visandi kujundus)
Õpilased
- 1 tk internetiühenduse ja Snapmakeri tarkvaraga arvuti
- 1 tk pliiats
- 1 tk kustutuskumm
- 1 tk joonlaud
- 1 tk nihkmõõdik
- 1 tk alalisvoolumootor
- 1 tk kahepoolne teip
- 1 tk USB-kettaseade
- 2 tk A4 paberileht
Asjakohased õppematerjalid
Vajalik varustus
- Snapmaker Originali kolm-ühes 3D-printer (3D-printimismoodul)
- 1,75 mm PLA
Tööetapid
1. Empaatia rakendamine
Tuuleenergia on õhuvoolu tekitatav energialiik. See on taastuvenergia, mida saab kasutada erinevates kohtades. Võrreldes söe, nafta ja teiste energiaallikatega ei kaasne tuuleenergia kasutamisega saasteprobleeme ning tuuleenergia varud on ammendamatud ja esinevad kõikjal. Seetõttu on inimesed projekteerinud tuuleturbiine, mis suudavad tuuleenergiat ära kasutada. Tuulegeneraatoreid kasutatakse paljudel juhtudel, näiteks elektrienergia tootmiseks erinevates piirkondades või mõnede elektriseadmete toitmiseks, näiteks sprinklerid, tänavavalgustus.
Võtame näiteks tänavavalgustuse. Kuigi see tagab inimestele mugava liikumise öösel, vajatakse selleks ka võimsaid elektritarbimisseadmeid ja süsteemi käigushoidmiseks suurt energiahulka. Linnavalitsuse ehitusosakonna alla kuuluv tehnikafirma kavatseb tänavavalgustusseadmed välja vahetada uute vastu, mis kasutavad nii tuule- kui ka päikeseenergiat, et vähendada elektrijaamas toodetava energia kasutamist tänavavalgustuseks. Päikeseenergia kasutamiseks on päikesepaneelide valik juba tehtud, kuid tuuleenergia korral on probleemiks kõige tõhusamat tüüpi labadega tiiviku leidmine. Kas te saate projekteerida mõned tiivikulabad ja aidata neist katsetuste alusel parim välja valida?
2. Teoreetiline taust ja praktilised nõuanded
Energia muundamine tuuleturbiiniga: tuuleenergia muundub mehaaniliseks energiaks, seejärel muundub mehaaniline energia elektrienergiaks, mis edastatakse elektroonikaseadmetele.
Tuuleenergia → Mehaaniline energia → Elektrienergia → Elektroonikaseadmed |
Energia muundamist tuuleturbiinis mõjutab mitu tegurit, näiteks tuule kiirus, geograafiline asukoht ja tiivikulabade kuju. Need on vaid mõned näited tuuleenergia muundamist mõjutavatest teguritest. Analüüsime tiivikulabasid, võttes aluseks järgmised neli aspekti:
- labade mõõtmed
- labade arv
- labade kuju
- labade kaldenurk
Selles õppetunnis disainime 3D-printimise abil erinevaid labasid ja teeme kindlaks muundamise suure tõhususega tiiviku mudeli. Samade tingimuste tagamiseks katsetuste ajal kasutame järgmisi kriteeriume:
- mootori kronsteini mõõtmed ja asukoht peavad jääma samaks;
- mootor peab olema sama;
- tuule kiirus peab olema sama (vajalik on võimsam tiivik).
3. Ideede genereerimine
Laske õpilastel projekteerida erineva suuruse, arvu, kuju ja kaldenurgaga tiivikute labasid ning visandada need paberil. Registreerige andmed ja täitke kavandileht. Pärast tuuleenergia saamise katset kirjutage sinna tulemused.
Märkus
- Ebaõigete tulemuste vältimiseks peavad mõjuvad tegurid olema iga projekti korral samad.
- Kavandilehe peavad koostama ja õpilastele andma õpetajad. Õpetajad võivad olukorrast olenevalt lisada (või eirata) mõjutegureid, näiteks lisada „tuule kiiruse“ kui mõjuva teguri.
4. Prototüüp
Tuuleturbiinide mudeli projekteerimiseks kasutage programmi Tinkercad.
- 1. samm: Tinkercadi ettevalmistamine
Juhendage õpilasi, et nad läbiksid Tinkercadi sissejuhatava õppe (vt „Asjakohased juhendid") ja tunneksid Tinkercadi põhifunktsioone. - 2. samm: tuuleturbiini mootori kronsteini projekteerimine
Õpetajad juhendavad õpilasi mootori kronsteini disainimisel. Kronsteinid peavad olema samade mõõtmetega.
Kujundamise põhipunktid- Kronsteini alus peab olema piisava suurusega, et detail seisaks laual vertikaalasendis.
- Projekteerige mootori suurusele vastav ava, kuhu saab kinnitada mootori.
- 3. samm: tiiviku labade projekteerimine
Tehke klõps Tinkercadi liidese paremal poolel oleval ikoonil „Shape Generators“
(Generaatorite kuju) → seejärel klõpsake labade kujundamiseks ikoonil „Featured“ (Parameetrid).
Kujundamise põhipunktid
Tiiviku labade erinevaid mudeleid saab genereerida laba mudeli parameetrite muutmisega. - 4. samm: faili eksportimine
Klõpsake Tinkercadi paremal ülaosas oleval nupul „Export“, genereerige fail OBJ- või STL-vormingus ja laadige see alla oma arvutisse.
Nõuanded
Kui te ekspordite faile labade erinevate mudelite jaoks eraldi, siis on otstarbekas nimetada neid kujul „FanParameter + number“. Näiteks FanParameteer 1.
5. Faili töötlemine – 3D-printimine
Failitöötlus on OBJ- ja STL-faili töötlemine Snapmakeri juhtprogrammiga ja selle konverteerimine töötlustuvastusfailiks. Esmalt peate avama tarkvara ja sisenema 3D-printeri G-koodi generaatori liidesesse.
Sammud: 3D-printimine
Klõpsake nupul „Upload File“, importige Tinkercadist eksporditud OBJ- või STL-fail ja kasutage soovitatavaid parameetreid järgmisel viisil:
Parameetrite seadistamine | |
Model: bracket and fan blade models (Mudel: kronsteini ja tiivikulabade mudelid) | |
Import method (Impordimeetod) | Upload files (Failide üleslaadimine) |
Material (Materjal) | 1,75 mm PLA |
Support (Tugi) | Touch Building Plate |
Printing Settings (Printimisseaded) | Custom - Normal Quality (Kohandatud – normaalne kvaliteet) |
Parameetrite muutmine Normal Quality tingimusele vastavaks | |
Infill Density (Täitetihedus) | 8% |
Initial Layer Print Speed (Lähtekihi printimiskiirus) | 10 mm/s |
Inner Wall Speed (Kiirus siseseina korral) | 30 mm/s |
Travel speed (Teisalduskiirus) | 40 mm/s |
Initial layer travel speed (Teisalduskiirus lähtekihi korral) | 30 mm/s |
- Klõpsake nupul „Generate G-Code“.
- Jälgige materjali, et tagada mudeli tõhus printimine.
- Klõpsake nupul „Export G-code to File“, andke sellele nimeks FanParameter1 ja dubleerige see USB-mäluseadmele.
Märkus
Kuna kronstein (kronsteini korral soovitatakse lameprintimist) ja labad on õõnsad, peate seadistama parameetri „support“ väärtuseks „Touch Building Plate“, et tagada tagasiliikumisel korrektne printimine.
6. 3D-printimine
Kasutage kronsteinide ja tiivikulabade printimiseks Snapmaker Originali kolm-ühes 3D-printerit. (3D-printimismoodul)
- 1. samm: ohutus
Palun lugege enne printeri kasutamist läbi lisas olevad ohutusjuhised. - 2. samm: printeri ettevalmistamine
- Paigaldage Snapmaker Originali kolm-ühes printeri 3D-printimismoodul.
- Ühendage USB-mäluseade ja lülitage printeri toide sisse.
- Paigaldage PLA. Ärge unustage enne PLA paigaldamist düüsi soojendada.
- Loodige alusplaat.
- 3. samm: 3D-printimine
- Puudutage puuteekraanil ikooni „Files“ ja valige kujundusfail.
- Viige töö lõpule.
- 4. samm: tuuleturbiini kokkupanek
- Valmistage ette kõik tuuleturbiini osad.
- Pange tuuleturbiin kokku.
- Viige töö lõpule.
- Kleepige kahepoolne teip kronsteini põhjale ja suruge seejärel kronstein katsetamiseks laua külge.
Märkus
Hoiatage õpilasi, et nad ei puudutaks katsetamise ajal vooluahela metallosi. Vajaduse korral hoidke käepärast isoleermaterjalist kindad. Samuti ärge pange käsi labade lähedale. Võite saada vigastusi.
7. Tegevus – tuuleturiini katsetamine
Ühendage digitaalse multimeetri punane ja must juhe alalisvoolugeneraatori kahe klemmiga, tiiviku labad pöörlevad tugeva välise tuule toimel. Mootori välismähis lõikab magnetvoogu ja genereeritakse elektrivool. Kasutage pinge mõõtmiseks multimeetrit režiimis „DC voltage“ (alalispinge) Samades tingimustes saame erinevate labade kasutamisel erinevad pinged. Laske õpilastel registreerida tiiviku erinevate labade korral saadud pinged ja märkige need üles.
Märkus
Hoiatage õpilasi, et nad ei puudutaks katsetamise ajal vooluahela metallosi. Vajaduse korral hoidke käepärast isoleermaterjalist kindad. Samuti ärge pange käsi labade lähedale. Võite saada vigastusi.
8. Arutelu
Laske õpilastel vahetada mõtteid oma projektide üle, lähtudes järgmistest aspektidest:
- millised tegurid mõjutavad tuuleenergia muundamise tõhusust?
- milliseid seadmeid soovite kasutada koos tuuleturbiinidega?
- kas on olemas võimalusi optimeerimiseks?
- järeldused õpitust.
9. Arendus
Tuuleenergia ja päikeseenergia on nn puhas energia. Innustage õpilasi kasutama päikesepaneeli, liitiumakusid, RGB-tulesid ja 3D-printimise tehnoloogiat, et projekteerida lüliti ja päikesepaneeliga öölamp.
