Tua bin gió

Trong giáo án STEM Vật lý – Kỹ thuật – Năng lượng này, học sinh sẽ thiết kế, chế tạo và thử nghiệm những tua bin gió/ cối xay gió được làm từ nhiều vật liệu khác nhau để tạo ra năng lượng cơ học.

Chuyên đề STEM liên quan: Năng lượng, Kỹ thuật, Vật lý

Bậc học: Tiểu học (Lớp 4-5), THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)

Tài liệu tải về:

• Phiếu hoạt động tua bin gió
• Tài liệu ghi chép hoạt động tua bin gió

Mục tiêu chính

Trong bài học này, các em sẽ học về năng lượng tái tạo và truyền tải năng lượng bằng cách đo lường vôn, dòng điện và công suất, cũng như quy trình kỹ thuật, xử lý các biến số và tính toán nguồn lực.

Kiến thức tích hợp

Cối xay gió, còn gọi là tua bin gió, là một mô hình chuyển đổi năng lượng từ động năng (gió) sang cơ năng (chuyển từ các cánh quạt sang nguồn cho máy phát điện) rồi thành điện năng (tiếp nhận vào dây dẫn và phát ra năng lượng ở đầu ra).

Điện năng được truyền tải đi xa qua dây dẫn thông qua các chuyển động của các nguyên tử mang điện tích âm được gọi là các electron. Điện được sử dụng để sạc điện thoại di động, hâm nóng thức ăn trong lò vi sóng, và để thắp sáng.

Tuy nhiên, chúng ta không tạo ra năng lượng điện, chúng ta chỉ chuyển hóa năng lượng điện từ các nguồn khác (ví dụ: năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt, nhiên liệu hóa thạch và hạt nhân). Việc này được biết đến thông qua Định luật Nhiệt động lực học Đầu tiên.

Hầu hết lượng điện chúng ta sử dụng hiện nay được tạo ra thông qua các tua bin quạt hơi nước. Các nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo được đốt để đun nóng nước thành hơi nước, làm quay các tuabin để tạo ra điện. Trong quá trình này, carbon dioxide được giải phóng vào khí quyển. Carbon dioxide là một loại khí nhà kính góp phần gây ra biến đổi khí hậu.

Trong thập kỷ qua, một sự chuyển dịch từ năng lượng không tái tạo sang năng lượng tái tạo (năng lượng gió, mặt trời, thủy điện, sinh khối và địa nhiệt) đã và đang góp phần cung cấp năng lượng điện cho chúng ta. Sự chuyển dịch này được thể hiện trong các chính sách quốc gia và quốc tế.

Điện gió là một trong những cách chuyển đổi hiệu quả nhất từ động năng thành điện năng. Hầu hết các tua bin gió thường ở trên cao vì gió nhanh hơn và ổn định hơn, vươn tới độ cao khoảng 60m. Cánh của tua bin gió không đều để thu gió và làm quay tuabin. Trong khi những các cánh quạt chỉ quay với tốc độ 18 vòng / phút, mỗi cánh quạt có thể dài bằng chiều dài của một sân bóng đá 40m.

Cánh quạt của tua bin gió được gắn vào trụ đỡ (hub) và trụ đỡ được gắn vào phần vỏ của động cơ (nacelle). Bên trong vỏ của động cơ, một trục rôto quay khi các cánh quạt quay. Trục rôto quay với một loạt bánh răng có tốc độ khoảng 1800 vòng quay mỗi phút. Các vòng quay này giúp cung cấp năng lượng cho máy phát điện và máy phát điện chuyển đổi động năng của gió thành điện năng cung cấp cho các gia đình và các thành phố.

Tuy nhiên, một tua bin gió có giá thành sản xuất gần 4 triệu đô la.

Hoạt động

Trước khi lắp ráp

Bước 1: Cắt 3m ống PVC bằng máy cắt PVC Racheting

• 1 đoạn từ 50 đến 75cm
• 1 đoạn 6,5cm
• 6 đoạn 14 cm

Bước 2: Khoan một lỗ ở giữa mặt ngang dài của thanh nối chữ T. Đây là nơi mà hai sợi cáp sẽ được luồn qua thanh nối chữ T để nối với đồng hồ vạn năng/ vôn kế.

Bước 3: Cắt ống nhựa thành 5 đoạn. Cắt đủ để mỗi nhóm có 2 ống và dư ra để các nhóm học sinh “mua” khi cần.

Lắp ráp đỉnh tháp

Bước 1: Gắn Máy phát Tua bin gió vào khớp nối. Gắn cho chắc khi thêm ống dẫn bên trong.

Bước 2: Gắn chặt khớp nối với ống PVC 6,5cm.

Bước 3: Gắn một thanh nối chữ L vào ống PVC.

Bước 4: Gắn ống PVC 50-75cm vào thanh nối chữ L sao cho vuông góc.

Lưu ý: Hai dây điện được luồn phải thừa tối thiểu một đoạn 12,5cm trở lên. Nếu không, hãy cắt ống PVC của bạn ngắn hơn.

Lắp ráp chân tháp

Bước 1: Đặt thanh nối chữ T với một lỗ khoan ở chính giữa.

Bước 2: Nối ống PVC dài 14cm đến cả hai đầu.

Bước 3: Kết nối thanh nối chữ L với hai đầu của ống PVC.

Bước 4: Kết nối ống PVC 14cm đến cả hai đầu của ổ cắm.

Bước 5: Gắn thanh nối chữ L đến tất cả các đầu ống PVC.

Bước 6: Xoay để chân tháp đứng trên bàn.

Kết nối và đọc Đồng hồ vạn năng

Bước 1: Cắm dây màu đỏ vào ổ cắm đầu vào bên trái nhất có nhãn “10ADC” và dây màu đen vào ổ cắm đầu vào bên phải nhất có nhãn “VΩmA”

Bước 2: Gắn các kẹp cá sấu vào các đầu dây của tháp. Sau đó kẹp các đầu của chiếc kẹp cá sấu vào đồng hồ vạn năng.

Bước 3: Vặn đồng hồ vạn năng sang trái 200m vôn (V). Điều này sẽ hiển thị vôn tính bằng milivôn (mV) do tua bin gió tạo ra trên màn hình LCD.

Bước 4: Xoay đồng hồ vạn năng sang phải đến 200m Amps hiển thị trong phần A của mặt đồng hồ. Điều này sẽ hiển thị dòng điện tính bằng miliampe (mI) đang được tạo ra bởi tua bin gió trên màn hình LCD.

Lưu ý: Bạn nhân số milivôn được hiển thị với số mili được hiển thị để có công suất đầu ra của tua bin gió tính bằng milivôn (mW). Nếu các đơn vị này được chuyển đổi thành SI của Vôn (V) của Amps / Dòng điện (I), bạn cần nhân chúng với .0001 vì 1 milivôn hoặc miliamp hoặc miliwatt bằng 0,001 (hoặc 10-3) vôn hoặc amps hoặc watt.

Thiết kế Tua bin gió

Bước 1: Bạn hãy giới thiệu cho học sinh hiểu về sự chuyển đổi năng lượng từ Gió thành Điện. Điều này rất hữu ích trong việc cho học sinh thấy tua bin gió là gì, kích thước của chúng và thiết kế của chúng có thể biến đổi như thế nào.

Bước 2: Phát tài liệu phát cho học sinh. Hãy đảm bảo cho học sinh biết mục tiêu là tạo ra thiết kế tốt nhất và họ phải giải thích những thay đổi mà họ đang thực hiện khi chuyển từ thiết kế này sang thiết kế tiếp theo. Ngoài ra, bạn hãy giúp học sinh biết họ sẽ phải quyết định về đặc điểm của cánh quạt như chất liệu, chiều dài, chiều rộng và góc, số lượng, khoảng cách giữa các cánh quạt.

Bước 3: Chia học sinh thành các nhóm 3 – 5 người, phát mỗi nhóm bộ dụng cụ, đặt tên nhóm và phân vai. Lưu ý, vai trò này có thể thay đổi trong suốt hoạt động và phức tạp hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào nhu cầu, sở thích hoặc mong muốn của học sinh.

• Diễn giả / Người có ý tưởng lớn: Diễn giả và người có ý tưởng sẽ kéo cả nhóm (thỉnh thoảng) trở lại mục đích khoa học của hoạt động (thường thì một nhóm sẽ bị cuốn vào việc thực hiện các chỉ dẫn như học vẹt), cũng như chia sẻ trong khi trình bày.
• Người mua / Người hỏi: Người này đặt các câu hỏi thăm dò trong quá trình hoạt động và đi mua các vật tư cần thiết. Những người này lắng nghe các câu hỏi do các thành viên khác trong nhóm đặt ra và sau đó lặp lại các câu hỏi để đảm bảo rằng cả nhóm dành một chút thời gian để nghe và thảo luận các câu hỏi từ mọi người. 
• Người ghi chép: Người này cố gắng củng cố công việc của nhóm bằng cách thăm dò những điểm yếu trong giải thích hoặc mô hình đang phát triển, đồng thời ghi lại thông tin về thiết kế (ví dụ: mV, mil và thẩm mỹ của thiết kế).
• Kế toán / Giám sát tiến độ: Người này yêu cầu những người khác định kỳ đo lường tiến độ của nhóm và theo dõi số tiền đã chi tiêu.

Bước 4: Cho phép học sinh suy nghĩ về thiết kế một tua bin gió, sau đó vẽ nó ra và lập ngân sách tài liệu.

• Kế toán theo dõi tiền. 
• Người mua mua các vật liệu cần thiết. 
• Lắp ráp tua bin gió.

Lưu ý: Điều này có thể được thực hiện trước khi tiến hành hoạt đông. Một tua bin gió có thể được thiết lập ở phía trước của phòng, và sau đó mỗi nhóm có thể đến và thử nghiệm thiết kế của họ tại một thời điểm.

Bước 5: Mỗi nhóm sẽ có 2 phút để thực hiện kiểm tra (hoặc nhóm có thể mua thêm thời gian). Người ghi chép sẽ ghi điện áp đầu ra năng lượng trên bo mạch. 

Đầu ra được tính: Volts (mV) x Amps (I) = Năng lượng (Watts) 

• Học sinh có thể mua thêm thời gian để thử nghiệm vì hầu hết các nhóm đều đánh giá thấp tầm quan trọng của việc kiểm thử bản dựng của họ.
• Học sinh được cung cấp tài liệu để ghi chép lại 3 lần thử cho mỗi thiết kế, cũng như không gian để học sinh trình bày cho những thay đổi của họ trong thiết kế và theo dõi chi phí cho tua bin gió.

Bước 6: Yêu cầu các nhóm quay lại bàn để thiết kế lại hoặc điều chỉnh tua bin gió để tối đa hóa năng lượng phát ra.

Bước 7: Khi quá trình thử nghiệm hoàn tất, hãy chuẩn bị một bài phát biểu ngắn 2 phút về quá trình thiết kế kỹ thuật và những phát hiện của họ. Trước khi cả lớp chia sẻ, bạn cũng có thể cho từng nhóm chia sẻ thiết kế tua bin gió của mình để nhận phản hồi từ các nhóm khác. 

Bước 8: Sau đó cả lớp trình bày thiết kế tua bin gió và bình chọn về tính thẩm mỹ (thang điểm từ 1 đến 5). Bạn có thể cho học sinh thêm thời gian để trang trí cánh quạt tua bin gió của họ.

Bước 9: Tính điểm cuối cùng theo công thức:

Số điểm cuối cùng = ((Trung bình năng lượng của thiết kế tốt nhất) / (Số tiền đã sử dụng)) + Điểm thẩm mỹ 

Bảng Giá trị tiền

Chốt	1 triệu/cái
Bìa các tông	0.5 triệu/tấm
Giấy bìa	1 triệu/tấm
Thẻ kho	1.5 triệu/tấm
Thời gian thử nghiệm	0.5 triệu/lần

Ví dụ bảng điểm

Tên nhóm	mV	I	Năng lượng (mW) = (mV*mI)	Số tiền đã sử dụng (triệu)	Điểm thẩm mỹ (1-5)	Số điểm cuối cùng
Ducks				3.5	4	((mV*I)/3.5)+4=
Beavers				2	5	((mV*I)/2)+5=

Câu hỏi

1. Làm thế nào chúng ta có thể thiết kế tua bin gió để biến đổi một cách hiệu quả từ gió sang điện sử dụng được, đồng thời đáp ứng các tiêu chí thiết kế?
2. Năng lượng cần thiết để quay tua bin gió đến từ đâu và nó được chuyển thành dạng năng lượng nào khi nó quay? Làm thế nào để năng lượng đó được chuyển đổi thành năng lượng điện?
3. Bạn có thể đưa ra yêu cầu nào giữa sản lượng điện và các biến số bạn đã thay đổi? 

Vấn đề

• Sự chao đảo trông giống như một vòng quay không đồng đều về tốc độ. Nếu tua bin gió đang lắc lư, thì hãy nhắc học sinh tìm các cánh quạt không đồng đều về chiều dài, trọng lượng, chất liệu hoặc góc.
• Tua bin gió không quay: Tua bin gió không quay có thể có các cánh quá nặng hoặc các cánh ở các góc không bổ sung cho nhau, do đó sẽ triệt tiêu lực đẩy vì gió mà mỗi cánh đang hứng sẽ ngược chiều nhau. Đôi khi năng lượng cần thiết để cánh quạt hoạt động nhiều hơn sức gió. Nếu đúng như vậy, hãy quay nhẹ tua bin gió để hoạt động bình thường.
• Góc của các cánh so với hướng của gió: Nếu góc nhọn thì các cánh quạt có thể không đón được gió, nếu chúng phẳng thì điều tương tự cũng có thể xảy ra và nếu các cánh ở các góc đối diện thì tua bin gió có thể không di chuyển hoặc nó có thể khó quay được.
• Luôn dán băng dính ở mặt không đối diện với gió. Điều này cho phép nhiều bề mặt hơn để “đón” gió. Vật liệu hoạt động tốt nhất như giấy bìa cứng, hộp đựng ngũ cốc và bất kỳ vật liệu nào giữ được hình dạng, nhẹ và có thể uốn cong một chút. 

Các thách thức

• Học sinh sẽ thiết kế, kiểm tra và sửa đổi một mô hình truyền năng lượng. 
• Học sinh sẽ đo / tính điện áp, dòng điện và công suất. 
• Học sinh sẽ học và tìm hiểu về năng lượng tái tạo.
• Học sinh sẽ thực hành tiết kiệm tài nguyên và luyện tập lập ngân sách.

Tiêu chí đánh giá thiết kế tua bin gió

Với ngân sách 4 triệu đô la, học sinh phải thiết kế một tua bin gió để tối đa hóa sản lượng năng lượng trong khi vẫn tiết kiệm tài nguyên và tiền bạc mà cũng trông đẹp mắt về mặt thẩm mỹ.

Quan sát kết quả thực hành 

Học sinh có thể muốn thay đổi nhiều hơn cho mỗi thiết kế. Bạn hãy giúp học sinh xác định những thay đổi đang ảnh hưởng đến sản lượng điện. Điều này có thể hướng họ đi đúng hướng là chỉ thay đổi một biến mỗi lần cho mỗi giai đoạn thiết kế. Trong thí nghiệm này, biến điều khiển (độc lập) là tốc độ của quạt hộp bạn đang sử dụng để thổi trên tua bin gió. Các biến phụ thuộc, mà học sinh đang thay đổi và đo lường, là số lượng, kích thước, góc của cánh quạt và công suất do tua bin gió tạo ra.

Đối với các sinh viên nhỏ tuổi, việc xem xét các biến độc lập và phụ thuộc có thể vô cùng hữu ích để đảm bảo họ thay đổi và kiểm tra thiết kế của mình một cách có hệ thống.

Trên đây, Sylvan Learning Việt Nam đã chia sẻ một hoạt động nhóm đầy hấp dẫn về thiết kế và thử nghiệm một tua bin gió. Hy vọng qua bài viết này, các em học sinh sẽ cảm thấy hứng thú hơn và yêu thích các giáo án STEM đầy thú vị này.