111. Енергія вітру. Частина 1
Матеріал
Урок №111. Енергія вітру. Частина 1
Мета уроку: формувати в учнів розуміння причин виникнення вітру та способів використання енергії вітру; ознайомити з історичними та сучасними прикладами застосування вітрової енергії, зокрема вітрильними суднами, вітряками та вітровими насосами; сприяти усвідомленню важливості відновлених джерел енергії та їх ролі в розвитку технологій.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 7. Відновлювальна енергетика
- 12. Відповідальне споживання
- 13. Боротьба зі зміною клімату
Ключові слова: вітер, денний та нічний бриз, вітрильне судно, вузол, вітряк (горизонтальний та вертикальний), вітряний насос.
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Тобі може знадобитися
- Використання енергії вітру.
- 3.1. Вітрильне судно
- 3.2. Вітряки
- 3.3. Вітряний насос
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
Очікувані результати для вчителя:
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Одним з найперших винаходів використання вітру було вітрило десь у 5-му тисячолітті до н.е.
У першому сторіччі до нашої ери давньогрецький вчений Герон Александрійський винайшов вітряк, що керував органом.
Коли і як вперше була використана енергія вітру?
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 7 хв.
Під час викладення матеріалу учні повинні зрозуміти причини виникнення вітрів та як географічне розташування впливає на виникнення потоків повітря.
- Денний бриз : вітер дме з моря на берег (оскільки суші швидше нагрівається, повітря над нею підвищується, створюючи зону низького тиску).
- Нічний бриз : вітер змінює напрямок і дме з берега в море (оскільки суша швидше охолоджується, а вода залишається теплою).
Одним з перших стабільних джерел енергії, освоєних людиною, був вітер.
Завдяки вітру відбулися великі географічні відкриття, людство одержало можливість подорожувати, зрошувати поля, молоти зерно і, нарешті, воно навчилося перетворювати вітер у чисту енергію у вигляді електрики.
Вітер — це потік повітря, що рухається в горизонтальному напрямку від області високого тиску до області низького тиску. Він є частиною глобальної циркуляції атмосфери Землі та виникає через нерівномірне нагрівання поверхні планети Сонцем.
Ця різниця у нагріванні впливає на густину та температуру повітря:
- Нагріте повітря розширюється, стає менш густим і підіймається вгору, утворюючи зону низького тиску .
- Холодне повітря стискається, стає більш густим і залишається ближче до поверхні, утворюючи зону високого тиску .
Чим більша різниця тиску між двома точками, тим швидкий вітер. На метеорологічних картах ці зони зображують у вигляді ізобар (лінійного однакового тиску).
Якщо ізобари розташовані близько однієї до одної — це означає сильний вітер.
Скористайся посиланням на якому в режимі онлайн можна переглядати метеорологічну карту, відшукай в якому місті в Україні найбільша та найменша швидкість вітру.
Завдання 1. Результати занеси до табл.1
Табл.1
| Місто | Швидкість вітру |
|---|---|
Крім глобальних атмосферних потоків, місцеві вітри також є джерелом енергії:
1. Бриз.
- Денний бриз — вітер дме з моря на берег.
- Нічний бриз — вітер дме з берега в море (рис.1).
Завдання 2. Подумай та опиши, які причини виникнення денного та нічного бризу.
2. Фьони та бора
- Фьон — теплий і сухий вітер, що спостерігається при русі повітря через гори.
- Бора — сильний холодний вітер, який різко знижує температуру в прибережних районах.
3. Гірсько-долинні вітри
- Вдень повітря нагрівається і зростається вгору по схилах гір (долинний вітер).
- Вночі холодне повітря спускається вниз (гірський вітер).
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
Відео
3.1. Вітрильне судно
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 28 хв.
На цьому уроці ми не будемо обговорювати вітрогенератори, спочатку ми почнемо з того, як люди використовували енергію вітру в давнину і як це впливало на розвиток суспільства.
У даному пункті увага приділено вітрильним суднам.
Обговорюючи це питання можна згадати деякі фізичні закони (аеродинаміку, перетворення одного виду енергії в інший), переведення одних фізичних величин в інші (1 вузол=1,852 км/год).
Специфічні паруси можуть використовуватися і на сучасних вантажних кораблях, обов’язково обговоріть, як це може при масштабних використаннях впливали на екологію.
Сучасні археологи та історики вважають, що якщо не перший, то один із перших вітрильних човнів з’явився на території Стародавнього Єгипту 4000 років до н.е. Посередині човна вони поставили вертикальну балку – щоглу – і повісили на неї шматок тканини. Так і з’явилося вітрило (рис.2).
Довгий час вітрильні судна залишалися складовою багатьох країн, що впливало військовий та економічний розвиток. Завдяки вітрильним суднам мореплавцям вдалося зробити багато географічних відкриттів.
На початку ХХ століття вітрильні судна поступово витіснялися суднами на пару, а потім човнами з двигунами внутрішнього згорання.
У сучасному світу вітрильні кораблі в більшості випадків використовуються для відпочинку та туризму. Однією з олімпійських дисциплін є вітлильний спорт (комплекс дисциплін, в яких боротьба ведеться на різноманітних човнах і суднах, які приводять в рух за допомогою вітрил).
У табл.2 представлена швидкість вітру та що від такого вітру можна очікувати.
Часто швидкість вітру подають у вузлах.
- Ознайомся з таблицею та заповніть її до кінця.
Табл.2
| Швидкість вітру (вузли) | Швидкість вітру (км/год) | Опис |
|---|---|---|
| 5-7 | мінімальна швидкість вітру, необхідна для плавання | |
| 8-10 | легкий вітерець і невеликі хвилі; зазвичай розглядається як найлегший вітрильний вітер | |
| 11-20 | помірний вітер і хвилі; може бути складним для початківців, але захоплюючим для моряків середнього та просунутого рівня | |
| 21-33 | Сильний, білий вітер; безпечний лише для досвідчених моряків у великих човнах |
Керування вітрилами досить складний процес. Коли човен рухається у напрямку, куди дме вітер, це називається «за вітром». Вітрила у такому разі налаштовані, щоб лише вловлювати повітря (вітер) і використовувати кінетичну енергію його руху. Вітер фактично штовхає вітрило вперед, а з ним і все судно.
Проте бувають ситуації, коли вітер дме збоку. В такому випадку вітрило повертають трохи під кутом, щоб створити силу, що рухає корабель вперед.
Зрозуміло, що прямо проти вітру рухатися неможливо!
- Що роблять мореплавці щоб приборкати вітер та продовжити рух у раніше заданому напрямку? Можна зробити пояснювальний малюнок.
Для зниження витрат палива та зменшення вуглецевого сліду судноплавства починають з’являтися прототипи вантажних кораблів зі справжніми вітрилами. Pyxis Ocean є першим судном, модернізованим двома крилами WindWings від BAR Technology, кожне з яких має висоту до 37,5 метрів (рис.3). Крила виготовлені з того ж матеріалу, що й вітряні турбіни. Великі вітрила із суцільним крилом можуть бути встановлені на палубі вантажних суден, щоб використати силу вітру та допомогти знизити витрату палива та викиди CO2 на 30%.
- Чим відрізняються жорсткі вітрила від традиційних тканинних вітрил, які створені на вітрильних суднах? Які переваги можуть бути у жорстких вітрилах?
- Які ти вбачаєш позитивні фактори використання таких вітрил (для компаній та екології)?
- Які недоліки використання таких великих вітрил на вантажних суднах? Як їх можна мінімізувати, щоб забезпечити стабільність і безпеку судна?
3.2. Вітряки
Дружня порада вчителю
У даному пункті ми поговоримо про вітряки: їх конструкцію, принцип роботи та області використання. Знову важливо акцентувати увагу на різних фізичних процесах, що можна спостерігати при його роботі.
Вітряки — це одні з найдавніших механізмів, які використовували природну енергію вітру для виконання корисної роботи.
Вважається, що перші вітряки з’явилися в Персії (сучасний Іран) близько IX століття (рис.4). Це були вертикальні вітряки, у яких лопаті оберталися навколо вертикальної осі. Вони використовувалися для перемелювання зерна.
Перші горизонтальні вітряки (із горизонтальною віссю обертання) з’явилися у Франції та Англії приблизно в XII столітті (рис.5). На відміну від перських вертикальних вітряків, європейські млини мали великі горизонтальні лопаті, які могли уловлювати більше вітру.
Табл.3
| Характеристика | Вертикальні (Перські) вітряки | Горизонтальні (Європейські) вітряки |
|---|---|---|
| Конструкція | Лопаті обертаються навколо вертикальної осі | Лопаті обертаються навколо горизонтальної осі |
| Принцип роботи | Вітер проходив крізь вертикальні щілини, обертаючи лопаті | Вітер діяв на великі горизонтальні лопаті |
| Орієнтація на вітер | Не потребували орієнтації, працювали при вітрі з будь-якого напрямку | Потрібен був механізм повороту до вітру |
| ККД | ~20-30% | ~30-40% |
Скористайся інформацією з табл.3 та дай відповіді на наступні питання.
- Як кліматичні умови впливали на вибір типу вітряка в різних регіонах?
- Які конструкційні особливості дозволяли горизонтальним вітрякам бути більш потужними?
Основні елементи та етапи роботи вітряного млина
- 1) Вітер штовхає лопаті млина, які закріплені на великій горизонтальній осі.
- 2) Горизонтальна вісь з лопатями з’єднана із зубчастим механізмом усередині млина. Цей механізм передає обертання на вертикальний вал, який опускається вниз.
- 3) Вертикальний вал з’єднаний із верхнім жорном (великим круглим каменем). Верхнє жорно починає обертатися над нерухомим нижнім жорном.
- 4) Між двома жорнами (верхнім і нижнім) засипається зерно через спеціальний отвір. Коли верхнє жорно обертається, зерно поступово розтирається, перетворюючись на борошно.
- 5) Готове борошно висипається через бічні жолоби.
На рис.6 ти можеш побачити вітряний млин у розрізі.
- Встанови відповідність основними елементами млина та їх цифровим позначенням (табл.4)
Табл.4
| Елемент вітряного млина | Цифрове позначення на рис.6 |
|---|---|
| горизонтальна вісь вітряка | 2 |
| верхнє жорно | 4 |
| нижнє жорно | 5 |
| скриня для борошна | 6 |
| зубчастий механізм | 3 |
| крило вітряка | 1 |
- Як можна було контролювати швидкість обертання жорен?
- Що потрібно було робити, якщо вітер ставав сильним, для запобіганню поломок?
- Навіщо горизонтальні вітряки мали два входи на протилежних сторонах будівлі?
- Який плюси та мінуси використання кам’яних жорен під час помелу зерна?
- Як передача руху від лопатей до жорен могла бути покращена?
- Для переробки яких плодів крім зерна міг використовуватися млин?
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 5 хв.
Дане завдання може бути як індивідуальне так і групове.
Воно розраховано по часу звичайно не на урок, це проєкт для реалізації якого потрібно підготувати не тільки матеріали, а й технічно реалізувати модель.
Ми багато дізналися про використання енергії вітру.
Створіть одну модель з трьох запропонованих:
вітрильне судно, вітряк чи вітровий насос.
Рівень А: запропонуй список матеріалів, які потрібні для виготовлення моделі.
Рівень В: + опиши план виготовлення моделі.
Рівень С: + створи модель, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки роботи моделі.
Дружня порада вчителю
Тривалість: до 2 хв.
Продовжіть речення
Я думаю енергію вітру ще можна використати для….
Відео
Відео
Урок №111. Енергія вітру. Частина 1
Мета уроку: формувати в учнів розуміння причин виникнення вітру та способів використання енергії вітру; ознайомити з історичними та сучасними прикладами застосування вітрової енергії, зокрема вітрильними суднами, вітряками та вітровими насосами; сприяти усвідомленню важливості відновлених джерел енергії та їх ролі в розвитку технологій.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 7. Відновлювальна енергетика
- 12. Відповідальне споживання
- 13. Боротьба зі зміною клімату
Ключові слова: вітер, денний та нічний бриз, вітрильне судно, вузол, вітряк (горизонтальний та вертикальний), вітряний насос.
План уроку:
- Мотиваційна частина
- Тобі може знадобитися
- Використання енергії вітру.
- 3.1. Вітрильне судно
- 3.2. Вітряки
- 3.3. Вітряний насос
- Попрактикуймо самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
Коли і як вперше була використана енергія вітру?
Одним з перших стабільних джерел енергії, освоєних людиною, був вітер.
Завдяки вітру відбулися великі географічні відкриття, людство одержало можливість подорожувати, зрошувати поля, молоти зерно і, нарешті, воно навчилося перетворювати вітер у чисту енергію у вигляді електрики.
Вітер — це потік повітря, що рухається в горизонтальному напрямку від області високого тиску до області низького тиску. Він є частиною глобальної циркуляції атмосфери Землі та виникає через нерівномірне нагрівання поверхні планети Сонцем.
Ця різниця у нагріванні впливає на густину та температуру повітря:
- Нагріте повітря розширюється, стає менш густим і підіймається вгору, утворюючи зону низького тиску .
- Холодне повітря стискається, стає більш густим і залишається ближче до поверхні, утворюючи зону високого тиску .
Чим більша різниця тиску між двома точками, тим швидкий вітер. На метеорологічних картах ці зони зображують у вигляді ізобар (лінійного однакового тиску).
Якщо ізобари розташовані близько однієї до одної — це означає сильний вітер.
Скористайся посиланням на якому в режимі онлайн можна переглядати метеорологічну карту, відшукай в якому місті в Україні найбільша та найменша швидкість вітру.
Завдання 1. Результати занеси до табл.1
Табл.1
| Місто | Швидкість вітру |
|---|---|
Крім глобальних атмосферних потоків, місцеві вітри також є джерелом енергії:
1. Бриз.
- Денний бриз — вітер дме з моря на берег.
- Нічний бриз — вітер дме з берега в море (рис.1).
Завдання 2. Подумай та опиши, які причини виникнення денного та нічного бризу.
2. Фьони та бора
- Фьон — теплий і сухий вітер, що спостерігається при русі повітря через гори.
- Бора — сильний холодний вітер, який різко знижує температуру в прибережних районах.
3. Гірсько-долинні вітри
- Вдень повітря нагрівається і зростається вгору по схилах гір (долинний вітер).
- Вночі холодне повітря спускається вниз (гірський вітер).
Посилання на відео джерела:
Відео
Відео
Відео
Відео
3.1. Вітрильне судно
Сучасні археологи та історики вважають, що якщо не перший, то один із перших вітрильних човнів з’явився на території Стародавнього Єгипту 4000 років до н.е. Посередині човна вони поставили вертикальну балку – щоглу – і повісили на неї шматок тканини. Так і з’явилося вітрило (рис.2).
Довгий час вітрильні судна залишалися складовою багатьох країн, що впливало військовий та економічний розвиток. Завдяки вітрильним суднам мореплавцям вдалося зробити багато географічних відкриттів.
На початку ХХ століття вітрильні судна поступово витіснялися суднами на пару, а потім човнами з двигунами внутрішнього згорання.
У сучасному світу вітрильні кораблі в більшості випадків використовуються для відпочинку та туризму. Однією з олімпійських дисциплін є вітлильний спорт (комплекс дисциплін, в яких боротьба ведеться на різноманітних човнах і суднах, які приводять в рух за допомогою вітрил).
У табл.2 представлена швидкість вітру та що від такого вітру можна очікувати.
Часто швидкість вітру подають у вузлах.
- Ознайомся з таблицею та заповніть її до кінця.
Табл.2
| Швидкість вітру (вузли) | Швидкість вітру (км/год) | Опис |
|---|---|---|
| 5-7 | мінімальна швидкість вітру, необхідна для плавання | |
| 8-10 | легкий вітерець і невеликі хвилі; зазвичай розглядається як найлегший вітрильний вітер | |
| 11-20 | помірний вітер і хвилі; може бути складним для початківців, але захоплюючим для моряків середнього та просунутого рівня | |
| 21-33 | Сильний, білий вітер; безпечний лише для досвідчених моряків у великих човнах |
Керування вітрилами досить складний процес. Коли човен рухається у напрямку, куди дме вітер, це називається «за вітром». Вітрила у такому разі налаштовані, щоб лише вловлювати повітря (вітер) і використовувати кінетичну енергію його руху. Вітер фактично штовхає вітрило вперед, а з ним і все судно.
Проте бувають ситуації, коли вітер дме збоку. В такому випадку вітрило повертають трохи під кутом, щоб створити силу, що рухає корабель вперед.
Зрозуміло, що прямо проти вітру рухатися неможливо!
- Що роблять мореплавці щоб приборкати вітер та продовжити рух у раніше заданому напрямку? Можна зробити пояснювальний малюнок.
Для зниження витрат палива та зменшення вуглецевого сліду судноплавства починають з’являтися прототипи вантажних кораблів зі справжніми вітрилами. Pyxis Ocean є першим судном, модернізованим двома крилами WindWings від BAR Technology, кожне з яких має висоту до 37,5 метрів (рис.3). Крила виготовлені з того ж матеріалу, що й вітряні турбіни. Великі вітрила із суцільним крилом можуть бути встановлені на палубі вантажних суден, щоб використати силу вітру та допомогти знизити витрату палива та викиди CO2 на 30%.
- Чим відрізняються жорсткі вітрила від традиційних тканинних вітрил, які створені на вітрильних суднах? Які переваги можуть бути у жорстких вітрилах?
- Які ти вбачаєш позитивні фактори використання таких вітрил (для компаній та екології)?
- Які недоліки використання таких великих вітрил на вантажних суднах? Як їх можна мінімізувати, щоб забезпечити стабільність і безпеку судна?
3.2. Вітряки
Вітряки — це одні з найдавніших механізмів, які використовували природну енергію вітру для виконання корисної роботи.
Вважається, що перші вітряки з’явилися в Персії (сучасний Іран) близько IX століття (рис.4). Це були вертикальні вітряки, у яких лопаті оберталися навколо вертикальної осі. Вони використовувалися для перемелювання зерна.
Перші горизонтальні вітряки (із горизонтальною віссю обертання) з’явилися у Франції та Англії приблизно в XII столітті (рис.5). На відміну від перських вертикальних вітряків, європейські млини мали великі горизонтальні лопаті, які могли уловлювати більше вітру.
Табл.3
| Характеристика | Вертикальні (Перські) вітряки | Горизонтальні (Європейські) вітряки |
|---|---|---|
| Конструкція | Лопаті обертаються навколо вертикальної осі | Лопаті обертаються навколо горизонтальної осі |
| Принцип роботи | Вітер проходив крізь вертикальні щілини, обертаючи лопаті | Вітер діяв на великі горизонтальні лопаті |
| Орієнтація на вітер | Не потребували орієнтації, працювали при вітрі з будь-якого напрямку | Потрібен був механізм повороту до вітру |
| ККД | ~20-30% | ~30-40% |
Скористайся інформацією з табл.3 та дай відповіді на наступні питання.
- Як кліматичні умови впливали на вибір типу вітряка в різних регіонах?
- Які конструкційні особливості дозволяли горизонтальним вітрякам бути більш потужними?
Основні елементи та етапи роботи вітряного млина
- 1) Вітер штовхає лопаті млина, які закріплені на великій горизонтальній осі.
- 2) Горизонтальна вісь з лопатями з’єднана із зубчастим механізмом усередині млина. Цей механізм передає обертання на вертикальний вал, який опускається вниз.
- 3) Вертикальний вал з’єднаний із верхнім жорном (великим круглим каменем). Верхнє жорно починає обертатися над нерухомим нижнім жорном.
- 4) Між двома жорнами (верхнім і нижнім) засипається зерно через спеціальний отвір. Коли верхнє жорно обертається, зерно поступово розтирається, перетворюючись на борошно.
- 5) Готове борошно висипається через бічні жолоби.
На рис.6 ти можеш побачити вітряний млин у розрізі.
- Встанови відповідність основними елементами млина та їх цифровим позначенням (табл.4)
Табл.4
| Елемент вітряного млина | Цифрове позначення на рис.6 |
|---|---|
| горизонтальна вісь вітряка | |
| верхнє жорно | |
| нижнє жорно | |
| скриня для борошна | |
| зубчастий механізм | |
| крило вітряка |
- Як можна було контролювати швидкість обертання жорен?
- Що потрібно було робити, якщо вітер ставав сильним, для запобіганню поломок?
- Навіщо горизонтальні вітряки мали два входи на протилежних сторонах будівлі?
- Який плюси та мінуси використання кам’яних жорен під час помелу зерна?
- Як передача руху від лопатей до жорен могла бути покращена?
- Для переробки яких плодів крім зерна міг використовуватися млин?
Ми багато дізналися про використання енергії вітру.
Створіть одну модель з трьох запропонованих:
вітрильне судно, вітряк чи вітровий насос.
Рівень А: запропонуй список матеріалів, які потрібні для виготовлення моделі.
Рівень В: + опиши план виготовлення моделі.
Рівень С: + створи модель, придумайте ряд дослідів, які можна виконати для перевірки роботи моделі.
Продовжіть речення
Я думаю енергію вітру ще можна використати для….
Відео
Відео
Ділись та обговорюй важливе