ΘΕΜΑ: «Επίδραση της μεταβολής της γωνίας πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στον ηλιακό συλλέκτη στη λειτουργία ηλιακού μοντέλου ελικοπτέρου»

Transcript

1 ΣΧΟΛΕΙΟ: 1 ο ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΠΑΠΑΓΟΥ ΣΧ. ΈΤΟΣ: ΜΑΘΗΜΑ: ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΜΕΘΟΔΟΣ: ΈΡΕΥΝΑ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΣΜΟΣ (Research and Experimentation) ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: Α. ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΘΕΜΑ: «Επίδραση της μεταβολής της γωνίας πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στον ηλιακό συλλέκτη στη λειτουργία ηλιακού μοντέλου ελικοπτέρου» ΟΜΑΔΑ ΜΑΘΗΤΩΝ: 1) Τσολακίδης Γεώργιος - Φίλιππος 2) Τσούμπας Στέφανος ΤΑΞΗ: Γ 5β 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ.2 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Κεφάλαιο 1 ο 3 Κεφάλαιο 2 ο 6 ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Κεφάλαιο 3 ο 10 Κεφάλαιο 4 ο 15 Κεφάλαιο 5 ο 16 Κεφάλαιο 6 ο 17 Βιβλιογραφία.18 2

3 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ (STATEMENT OF THE PROBLEM) Το ηλιακό ελικόπτερο εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια για την κίνησή του. Απαραίτητη προϋπόθεση για την πτήση ενός ελικοπτέρου είναι οι έλικες. Για να κινηθούν οι έλικες και να πετάξει το ελικόπτερο πρέπει οι έλικες να τροφοδοτηθούν με ενέργεια από τον ήλιο, μέσω των κινητήρων του ελικοπτέρου. Η λειτουργία των κινητήρων και άρα του ηλιακού ελικοπτέρου επηρεάζεται από διάφορους παράγοντες, μεταξύ των οποίων και αυτός που θα μελετήσουμε στο παρόν πείραμα. Μία, λοιπόν, από τις εξαρτημένες μεταβλητές είναι ο αριθμός των περιστροφών των ελίκων, δηλαδή η λειτουργία-απόδοση του ελικοπτέρου, σε σχέση με την γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων (ανεξάρτητη μεταβλητή) στον ηλιακό συλλέκτη του ελικοπτέρου. 1.1 Περιγραφή του σκοπού της έρευνας (statement of the purpose) Ο σκοπός του πειράματος είναι να μετρήσουμε τον αριθμό των περιστροφών των ελίκων του ηλιακού ελικοπτέρου, δηλαδή την απόδοση στη λειτουργία του ελικοπτέρου, ανάλογα με τη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων πάνω στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη. 1.2 Περιγραφή των κοινωνικών αναγκών που εξυπηρετεί η έρευνα Με το πείραμα αυτό θα γίνει αντιληπτή από τους κατασκευαστές ηλιακών ελικοπτέρων η εφεύρεση ενός νέου τύπου ηλιακού συλλέκτη, ο οποίος θα στηρίζεται σε ένα σύστημα «διορθωτή κλίσης», που θα επανακαθορίζει «διορθώνει» τη θέση του ηλιακού συλλέκτη, ανάλογα με το επίπεδο/ άξονα συντεταγμένων της πορείας πτήσης του ηλιακού ελικοπτέρου, έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων να είναι πάντα η πλέον ενεργειακά συμφερότερη. Το γεγονός αυτό θα εξυπηρετήσει το κοινωνικό σύνολο, γιατί η πτήση του ηλιακού ελικοπτέρου θα είναι ενεργειακά οικονομικότερη, φιλικότερη για το περιβάλλον και πιθανότατα και ταχύτερη. Γενικότερα, η ηλιακή ενέργεια, και επομένως οι ηλιακές συσκευές, αποτελεί σήμερα μια ελκυστική λύση, καθώς παρουσιάζει μια πλειάδα πλεονεκτημάτων: Ο ήλιος είναι ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Δεν εκλύονται στην ατμόσφαιρα ρύποι και έτσι δεν υπάρχουν επιπτώσεις στο περιβάλλον σε σύγκριση με συμβατικά καύσιμα. Χαρακτηριστικά η χρήση μιας ηλιακής συσκευής δεδομένης ισχύος, σε κανονικές συνθήκες αποτρέπει την ελευθέρωση διπλάσιας ποσότητας (σε τόνους) CO2 ετησίως, που θα αποβάλλονταν στο περιβάλλον, αν χρησιμοποιείτο άλλη πηγή για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, όπως π.χ. άνθρακας. Τα οικονομικά οφέλη μιας περιοχής από την ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας είναι αξιοσημείωτα. Η ηλιακή ενέργεια είναι σήμερα η φθηνότερη μορφή ενέργειας, αφού το κόστος της εξαρτάται μόνον από τη χρηματοδότηση ή μη του εκάστοτε προγράμματος παραγωγής ενέργειας. Συστήματα εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας μπορούν να εγκατασταθούν στην ύπαιθρο, όπου δεν εμποδίζονται με οποιονδήποτε τρόπο οι ηλιακές 3

4 ακτίνες, και φυσικά ιδιαίτερα σε περιοχές όπου η ετήσια ηλιοφάνεια είναι αρκετά υψηλή, ωφελώντας την οικονομία των περιοχών αυτών, αφού δεν επηρεάζουν αρνητικά οποιαδήποτε κοινωνική, αγροτική, εμπορική ή βιομηχανική δραστηριότητα. Μπορούν να βοηθήσουν την ενεργειακή αυτάρκεια μικρών και αναπτυσσόμενων χώρων, καθώς και να αποτελέσουν την εναλλακτική πρόταση σε σχέση με την οικονομία του πετρελαίου. Ο εξοπλισμός δεν είναι πολύπλοκος ως προς την κατασκευή και τη συντήρηση και έχει μεγάλο χρόνο ζωής, αφού οι φθορές είναι σπάνιες και αμελητέες. Η ηλιακή ενέργεια ενισχύει την ενεργειακή ανεξαρτησία και ασφάλεια. Οι σύγχρονοι μηχανισμοί εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας είναι αισθητά αθόρυβοι. Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να επιφέρει σημαντική αλλαγή στα ενεργειακά και περιβαλλοντικά δεδομένα, ενώ δημιουργεί τις προϋποθέσεις για την οικονομική ανάπτυξη περιοχών με υψηλό ηλιακό δυναμικό και τη διασφάλιση ενός βιώσιμου μέλλοντος για τις επόμενες γενιές. Το στοίχημα για όλους μας είναι να διερευνήσουμε τις δυνατότητες, προκειμένου να έχουμε τη συμφερότερη από πλευράς λειτουργίας-απόδοσης αλλά και οικονομικού κόστους εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας με τη χρήση μηχανών/συσκευών που θα εξυπηρετούν πλήρως τις ανάγκες μας και θα σέβονται το περιβάλλον προς όφελος όλων μας. 1.3 Διαμόρφωση της υπόθεσης της έρευνας Υποθέτουμε ότι 1) γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων με την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη 30 ο θα αποδώσει περίπου 5-10 περιστροφές των ελίκων σε 1 λεπτό, 2) γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων με την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη 60 ο θα αποδώσει περίπου περιστροφές των ελίκων σε 1 λεπτό, 3) γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων με την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη 90 ο θα αποδώσει περίπου περιστροφές των ελίκων σε 1 λεπτό, 4) γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων με την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη 145 ο θα αποδώσει περίπου περιστροφές των ελίκων, 5) γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων με την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη 180 ο θα αποδώσει περίπου 1-5 περιστροφές των ελίκων σε 1 λεπτό. Η υπόθεσή μας είναι ότι όσο περισσότερο πλησιάζει στο μέτρο της ορθής γωνίας η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων επάνω στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη τόσο περισσότερη ενέργεια εγκλωβίζεται/δεσμεύεται από τον ηλιακό συλλέκτη και άρα και αποθηκεύεται από αυτόν και επομένως τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός περιστροφών των ελίκων, δηλαδή έχουμε μεγαλύτερη απόδοση στη λειτουργία του ηλιακού ελικοπτέρου. 1.4 Ανάλυση των παραμέτρων που θεωρήθηκαν ότι δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα της έρευνας Οι παράμετροι που δεν επηρεάζουν το αποτέλεσμα της έρευνας είναι: 1) Η αντίσταση του αέρα, δηλαδή η ταχύτητα και η φορά του, την ώρα του πειράματος, εφόσον αυτή έχει μικρές διακυμάνσεις. 2) Η τυχόν μικρή διακύμανση της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος. 4

5 3) Η μικρή ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας που ανακλάται αμέσως στο περιβάλλον, όπως συμβαίνει, μετά την πρόσπτωσή της σε οποιοδήποτε σώμα που βρίσκεται στην επιφάνεια της γης. Σημείωση: Η μάζα και οι διαστάσεις των ελίκων καθώς και το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένες θεωρούνται, για πειραματικούς λόγους, ως σταθερές μεταβλητές. Περιγραφή των ορίων περιορισμών της έρευνας Για την έρευνα έγιναν συνολικά πέντε (5) πειράματα, δηλαδή, μέτρηση 5 διαφορετικών γωνιών πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων προς την επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη. Η χρονική διάρκεια του πειράματος εκτείνεται σε μία (1) ημέρα. Τα πειραματικά αποτελέσματα θα απεικονισθούν σε διάγραμμα συντεταγμένων με τη βοήθεια του προγράμματος excel. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στην ταράτσα του σχολικού κτιρίου. Οι περιορισμοί για την αξιοπιστία της έρευνάς μας εντοπίζονται στο ύψος του κτιρίου, όπου έγινε το πείραμα, αφού αυτό επηρεάζει την πρόσπτωση των ηλιακών ακτίνων. Επιλέχθηκε, λοιπόν, ένα υψηλό κτίριο, προκειμένου να μηδενίσουμε τις απώλειες από την ανάκλαση μέρους της δέσμης των ηλιακών ακτίνων κατά την πρόσπτωσή τους σε επιφάνειες (π.χ. άλλων κτιρίων) πέραν της συγκεκριμένης επιλεγμένης επιφάνειας του ηλιακού συλλέκτη. Ένας άλλος περιορισμός για την αξιοπιστία του πειράματος ήταν η επιλογή των χρονικών στιγμών των μετρήσεων στη διάρκεια της συγκεκριμένης ημέρας που επιλέχθηκε. Επιλέξαμε, λοιπόν, μια ημέρα κατά την οποία ήταν γνωστό ότι η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στην επιφάνεια της γης και επομένως στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη δεν επηρεάζεται από ισχυρούς ανέμους, υψηλή θερμοκρασία κλπ. και αυτό κατέστη δυνατόν με τη βοήθεια του δελτίου προγνώσεως του καιρού, αφού επιλέχθηκε μια ημέρα με μηδενικές σχεδόν διακυμάνσεις στις τιμές αυτών των «σταθερών». Επίσης, επιλέξαμε να κάνουμε τις μετρήσεις σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές της ημέρας, αρχίζοντας από τις πρωινές ώρες (ανατολή ηλίου), συνεχίζοντας με τις μεσημεριανές ώρες και καταλήγοντας στις απογευματινές ώρες (δύση του ηλίου), έτσι ώστε να υπάρχει σαφής διαφοροποίηση στη γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων στον ηλιακό συλλέκτη. Από την άλλη πλευρά, δεν ήταν δυνατόν να αποφύγουμε μικρές αμελητέες απώλειες από το εύρος των αποκλίσεων στη μέτρηση της γωνίας πρόσπτωσης, που οφείλονται στις ελάχιστες διαφοροποιήσεις των καιρικών συνθηκών εντός των επιστημονικά αποδεκτών, όμως, ορίων. 5

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2o: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΟ ΥΛΙΚΟ / ΕΝΝΟΙΕΣ-ΟΡΙΣΜΟΙ α) Iστορική αναδρομή Αρχή εξέλιξης του ελικοπτέρου Ανατρέχοντας ο ερευνητής στο παρελθόν για να συναντήσει την απαρχή του ελικοπτέρου, φθάνει στην αρχιακή ιδέα του ανθρώπινου μυαλού να προσπαθήσει να πραγματοποιήσει μια κάθετη πτήση. Το ταξίδι αυτό στο παρελθόν οδηγεί σε εποχές προ Χριστού όταν ακόμη η φαντασία των παιδιών αλλά και οι πρόωρες νοητικές αναζητήσεις τους έφεραν στο προσκήνιο την προσπάθεια της κάθετης πτήσης σαν ένα παιδικό παιχνίδι. Η κατασκευή του ελικοπτέρου, δηλαδή μιας μηχανής που πραγματοποιεί κάθετη πτήση, αρχίζει με την πρωτόλεια ιδέα μιας ράβδου που είχε στην άκρη της έναν έλικα, τον οποίο στρίβοντάς τον στα χέρια μας, είχαμε την δυνατότητα να επιτύχουμε μια πτήση. Αργότερα, το 1754, χάρη στον Ρώσο Mikhail Lomonosov, η ράβδος και ο έλικας έδωσαν την θέση τους σε μια πιο σύνθετη κατασκευή, η οποία πραγματοποιούσε κάθετη πτήση με τη βοήθεια καυσίμου. Η δομή της κατασκευής της πτητικής μηχανής άλλαξε πολλές φορές με την πάροδο του χρόνου, όπως το 1783, όταν ο Γάλλος φυσικός Launoy, με τον φίλο του και επιστήμονα μηχανικής, Bienvenu, χρησιμοποίησαν μια νέα εκδοχή της ίδιας μηχανής, αλλά με κάποιες σημαντικές παραλλαγές. Τοποθέτησε, κατ αρχήν τον έλικα πάνω στην ράβδο, μετά τοποθέτησε ένα σχοινί που έκανε ένα ημικύκλιο κάτω από τον έλικα και το τέντωσε στο τέλος του ραβδιού. Αυτό έμοιαζε με βέλος, και την στιγμή που τραβούσαν το σχοινί πίσω, ο έλικας γυρνούσε από την αντίθετη πλευρά, ενώ όταν το άφηναν, εκείνο είχε μια κάθετα ανοδική πορεία και κατάφερνε να πηγαίνει ακόμα πιο ψηλά. Η τεχνολογική εξέλιξη αυτής της πτητικής μηχανής οδήγησε την κοινότητα των επιστημόνων σε συζητήσεις αλλά και νέες ερευνητικές δραστηριότητες σχετικές με το θέμα, όπως ο Γάλλος μαθηματικός, A. J. P. Paucton, που έγραψε το πρώτο του βιβλίο σχετικά, με την θεωρία της περιστροφικής κίνησης των φτερών. Αποδεικτικό υλικό για την πρώτη πτητική μηχανή μεταφοράς ανθρώπου προέρχεται από τον Leonardo da Vinci το 1438, αλλά παρουσιάστηκε για πρώτη φορά μετά από τρεις περίπου αιώνες. Ο Leonardo da Vinci είχε δει καθαρά, ποια ήταν η λύση για μια σωστή κάθετη πτήση και έφτιαξε μια μηχανή, αφού πρώτα μελέτησε τα φτερά, το υλικό και την απόσταση που πρέπει να έχει το ένα από το άλλο, με δύο έλικες αλλά περιστρεφόμενες αντίστροφα. Πολλές σημειώσεις του βοήθησαν πολύ αργότερα τους επιστήμονες και μηχανικούς που θα βελτίωναν και θα έφταναν σε άλλα επίπεδα τις πτητικές μηχανές κάθετης πτήσης. Αποτέλεσμα αυτού ήταν οι μελέτες του Sir George Cayley πάνω σε βασικά θέματα πτήσης από το 1790 και ύστερα. Το 1810 έφτιαξε μια κατασκευή με ξύλινο σκελετό και ήταν η πρώτη επιστημονική απόπειρα για σωστή πτήση, αφού είχε πολλά στρογγυλά πλαίσια, που πάνω τους είχαν ύφασμα και περιστρεφόντουσαν όχι όλα με την ίδια φορά. Το σχέδιο έμεινε σχέδιο και αυτή η κατασκευή δεν μπορούσε φυσικά να αντέξει σε πραγματική πτήση, αφού ήταν πολύ βαριά για να κρατηθεί στον αέρα. Όμως, η αρχή είχε γίνει και σε πολλούς 6

7 επιστήμονες αναπτύχθηκαν έντονες ιδέες για μια μηχανή που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί. Η πρώτη πραγματική προσπάθεια προέρχεται από τον Γάλλο Ponton d' Amecourt το 1860, αφού αυτός κατασκεύασε την πρώτη πτητική μηχανή με καύσιμο, όχι από ξύλο, που απέδωσε τουλάχιστον σε μια πρώτη μορφή. Το καύσιμο ήταν ένας μικρός βραστήρας, που απελευθέρωνε ατμό και πάνω του υπήρχε ένα μεταλλικό κομμάτι που συνδεόταν με έναν διπλό έλικα. Ο ατμός έκανε το κομμάτι να εκτοξεύεται και η μικρή αυτή μηχανή να μπορεί να πετά. Την ονόμασε helicopteres, από την Ελληνική λέξη Ελικοειδής, που σημαίνει σπιράλ. Από τότε, από το 1861 έως και το 1877 πολλές πτητικές μηχανές έκαναν την εμφάνισή τους. Το 1874 ο Γερμανός Wilheim von Achenbach, δημιούργησε την πρώτη μηχανή που είχε ουρά, για καλύτερη ισορροπία και πιο σταθερότητα στην πτήση. Το 1878 έκανε την εμφάνισή του ένα Ρωσικό ελικόπτερο έκανε την εμφάνιση του και την ίδια χρονιά ο Enrico Forlanini δημιούργησε μια πτητική μηχανή που λέγεται πως μπορούσε να πετάξει για 20 δευτερόλεπτα, σε ύψος γύρω στα 40 πόδια. Στη συνέχεια, από το 1907 και μετά η κατασκευή πολλών μοντέλων ελικοπτέρων επέφερε κάθε φορά πολλές αλλαγές στα σχέδια αυτών των πτητικών μηχανών με αποτέλεσμα η τεχνολογική εξέλιξη να συμμετέχει ολοένα και πιο ενεργά στην μετεξέλιξη των μηχανικών μερών, της ασφάλειας της πτήσης, της άνεσης αλλά και της αισθητικής εικόνας του ελικοπτέρου. Μετά το 1907 πολλές παραλλαγές είδαν το φως για τα επόμενα χρόνια, καμία μηχανή, όμως, δεν κατάφερε τελικά να πετάξει σωστά. Το ο Stephan Petroczy, μαζί με τον βοηθό του, ξεκίνησαν να κατασκευάζουν ένα ελικόπτερο. Κάτω από τα στροφεία, υπήρχε μια θέση για πιλότο, είχε ένα μηχανισμό που μπορούσε να βοηθήσει στην σταθερότητα, στο πίσω μέρος αλλά και στην προσγείωση του, ενώ είχε τρείς κινητήριες μηχανές. Χρησιμοποίησε επίσης δύο έλικες δεξιά και αριστερά τις κατασκευής, ενώ έγιναν πολλές δοκιμές. Οι αναλύσεις και τα σχέδια τους, έκαναν πολλούς να αρχίσουν να μελετάνε, τις δυνατότητες των στροφείων σε διάφορα σχήματα και την σχέση τους με την κάθετη πτήση. Στις ΗΠΑ οι Emile και Henry Berliner, πατέρας και γιός, κατασκεύασαν ένα καινούργιο σχέδιο ελικοπτέρου, δίνοντας για πρώτη φορά σημασία, στην δύναμη του στροφείου και κατά πόσο εκείνη επηρεάζει την σταθερότητα της πτήσης σε μεγαλύτερα ύψη, απ ό,τι σε χαμηλές πτήσης. Το 1918 και το 1919 έγιναν ακόμα κάποιες κατασκευές και το 1920 ο Louis Brennan εργάστηκε πάνω σε σχέδια στροφείων, με δύο έλικες κατά βάση, και χρησιμοποίησε servo-flaps, η ailerons ενσωματωμένα στους έλικες. Η μηχανή αυτή είχε ισχύ 230 ίππων. To 1921 και ενώ εξακολουθούσε να δουλεύει πάνω σε αυτό το σχέδιο, η Royal Aircraft Establishment (RAE), του πρόσφερε στέγη στις εγκαταστάσεις της και ό,τι χρειαζόταν για την μελέτη και κατασκευή της μηχανής. Το 1922 η πτητική μηχανή πέταξε και σε ανοικτό χώρο αλλά σε πολύ χαμηλό υψος. Στην 7η πτήση της η μηχανή, κατέπεσε και η προσπάθεια εγκαταλείφθηκε αλλά όχι για πολύ. Είχαν μπει κάποια θεμέλια για να δημιουργηθεί μια ακόμα μηχανή από τον Αργεντινό Raul Pescara, που ζούσε στην Γαλλία και την Ισπανία. Στην δική του κατασκευή που ήταν τεραστία και πολύπλοκη, υπήρχαν 4 στροφεία, όπου το καθένα από αυτά είχε από 4 ζεύγη blades. Αυτό έκανε την πτητική μηχανή να έχει ώθηση 20 φορές περισσότερη από τις υπόλοιπες κατασκευές. Όμως και 7

8 αυτή ήταν αδύνατον να σταθεί σταθερή στον αέρα. Έτσι το 1925, μετά από αρκετές ζημιές σε δοκιμαστικές πτήσεις αλλά και την πλήρη καταστροφή της, ο Raul Pescara εγκατέλειψε την προσπάθειά του. Την ίδια δεκαετία, ο Αυστραλός μηχανικός Raoul Hafner, κατασκεύασε μια μηχανή, με ένα στροφείο, δύο φτερών, αλλά και με φτερό στην ουρά του ελικοπτέρου, που θα παρείχε την δυνατότητα της εναλλαγής πορείας. Μετά από λίγα χρόνια, μετακόμισε στην Αγγλία και συνεργάστηκε με τον Juan de la Cierva, όπου ασχολήθηκαν ο καθένας ξεχωριστά, επάνω στον σχεδιασμό για καλύτερη απόδοση των στροφείων αλλά και των blades. Ο Ισπανός μηχανικός Juan de la Cierva το 1923 δημιούργησε μια μηχανή, που έμοιαζε περισσότερο με αεροπλάνο παρά με ελικόπτερο. Είχε έναν άξονα τοποθετημένο στο πάνω μέρος της ατράκτου, είχε σταθερή πτέρυγα και ένα στροφείο με δύο blades μεγάλα. Τα πτερύγια της ουράς ήταν επίπεδα και είχαν flaps που μπορούσαν να αλλάξουν την πορεία της μηχανής σε ανοδική και καθοδική. Ο Juan de la Cierva μηχανικός και πιλότος, ο οποίος, μετά την πτώση ενός τρικινητήριου αεροπλάνου που είχε κατασκευάσει τέσσερα χρόνια νωρίτερα, λόγω απώλειας στήριξης, αποζητούσε ένα πιο ασφαλές πτητικό μέσο, που να πραγματοποιεί κάθετες απογειώσεις και προσγειώσεις σε χαμηλές ταχύτητες, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η λύση βρισκόταν στα φτερά και όχι στο σώμα του αεροπλάνου. Έτσι, άρχισε να πειραματίζεται το 1920 με την κατασκευή ενός αεροσκάφους με περιστρεφόμενο πτερύγιο, θεωρώντας το ως μία πιο σταθερή κατασκευή από το αεροπλάνο. Η πρώτη επιτυχημένη επίδειξη έγινε στο αεροδρόμιο Κουάτρο Βιέντος της Μαδρίτης στις 9 Ιανουαρίου Ο Juan de la Cierva κατασκεύασε ακόμα 3 μοντέλα ενώ άφησε την Ισπανία για τη Σκοτία το 1925, όπου με τη χρηματοδότηση ενός ντόπιου βιομηχάνου, του Τζέιμς Γουίρ, ίδρυσε μια εταιρεία κατασκευής ελικοπτέρων. Πέθανε το 1936, σε ηλικία μόλις 41 ετών, σε αεροπορικό δυστύχημα. Πολλοί πιστεύουν ότι αν ζούσε θα είχε αυτός την πρωτιά της κατασκευής του ελικοπτέρου και όχι ο Σικόρσκι. Η τεχνολογική αυτή λύση αποτέλεσε τομή στην αεροναυτική, καθώς πάνω της στηρίχθηκε η κατασκευή του ελικοπτέρου, είκοσι χρόνια αργότερα, από τον ρώσο Εμιγκρέ Ιγκόρ Σικόρσκι. Το 1920 ο Etienne Oemichen, υπάλληλος της Γαλλικής εταιρίας Peugeot, κατασκεύασε μια μηχανή, σχεδόν στο ίδιο στυλ με του Bothezat, αλλά με 8 στροφεία για καλύτερο έλεγχο και σταθερότητα. Είχε κάποια χαρακτηριστικά ίδια με τα ελικόπτερα που είχαν δημιουργηθεί ως τότε. Η συγκεκριμένη μηχανή είχε για κινητήρια δύναμη, ένα μπαλόνι με υδρογόνο για να μπορεί να κινείται και να έχει καλύτερη άνωση. Όμως ούτε αυτό κατάφερε να βοηθήσει πολύ στην πτήση. Το 1922, ενας Ρώσος μηχανικός, που ήταν μετανάστης και ζούσε στις ΗΠΑ, ο Georges de Bothezat, δημιούργησε ένα από τα μεγαλύτερα ελικόπτερα του Αμερικάνικου στρατού. Ηταν μαθητής του μεγάλου Ρώσου καθηγητή Zhukowski, που είχε ασχοληθεί αλλά και γράψει μελέτες του, σχετικά με την κάθετη πτήση. Η κατασκευή αποτελείτε από ένα ελαφρύ σκελετό, με δύο στροφεία σε κάθε άκρη του και με ένα κεντρικό σημείο που μπορούσε ο πιλότος να ελέγχει το ελικόπτερο. Κάθε στροφείο είχε από 6 πλατιά πτερύγια-λεπίδες (blades), ενώ υπήρχαν και blades στην ουρά που ήταν δυνατόν να κινηθούν από τον πιλότο ανάλογα με το πώς ήθελε να πετάξει. Η κατασκευή αυτή που ονομάστηκε Ιπτάμενο Χταπόδι πέταξε αρκετές 8

9 φορές, σε χαμηλές πτήσεις και με όχι μεγάλη ταχύτητα, αλλά ήταν επιτυχής. Όμως, σε λίγο καιρό, πέρασε στην ιστορία, αφού το ενδιαφέρον για το ελικόπτερο ήταν πολύ μεγαλύτερο από όλους. Έγιναν πολλές και σημαντικές προσπάθειες, όπως το 1930 ο Ιταλός Corradino d'ascanio, το 1930 ο Maitland Bleeke και το ο Nicolas Florine. Η επιτυχία θα ερχόταν τα επόμενα χρόνια με την δημιουργία ελικοπτέρων, όπως τα γνωρίζουμε σήμερα. Τουλάχιστον στην εμφάνιση γιατί από τότε ως τώρα οι αλλαγές είναι πολλές κυρίως σε θέματα τεχνολογίας, αεροδυναμικής και υλικών. Κατά την διάρκεια του οι διάσημοι μηχανικοί, Louis Breguet και Rene Dorand κατασκεύασαν επιτέλους ένα ελικόπτερο που έμοιαζε πολύ με τα σημερινά. Σε ένα στροφείο υπήρχαν 2 ζευγάρια blades και στην ουρά επίσης ένας ακόμα έλικας. Τα blades είχαν βήμα κυκλικό, ενώ το σχήμα τους ήταν πιο φαρδύ κοντά στο στροφείο και πιο λεπτό προς την άκρη του. Στην ουρά χρησιμοποιήθηκαν οριζόντια και κάθετα συστήματα για να μπορέσουν να δώσουν μεγαλύτερη σταθερότητα στην κατασκευή. Για πρώτη φορά στην ιστορία, καταγράφηκαν πολλές πτήσεις, με πολλές επιτυχίες και με πρώτη από όλες την πτήση που διήρκησε 62 λεπτά και έκανε απόσταση 44 χιλιομέτρων. Η εξέλιξη του ελικοπτέρου, όμως, δυστυχώς διεκόπη από τον Β Παγκόσμιο Πόλεμο. Καθώς τα ελικόπτερα γινόντουσαν ολοένα και πιο επιτυχή, πολλοί ακόμα μηχανικοί και αεροδυναμιστές, άρχισαν να ασχολούνται περισσότερο με την μελέτη των στοιχείων αλλά και με την κατασκευή τους. β) Ορισμοί των διαφόρων μεταβλητών που εξετάσθηκαν στην έρευνα Η γωνία πρόσπτωσης µιας επιφάνειας, που θα εξεταστεί ως ανεξάρτητη μεταβλητή, ορίζεται ως η γωνία µεταξύ των ηλιακών ακτίνων και της καθέτου στην επιφάνεια αυτή. Η λειτουργία-απόδοση του ελικοπτέρου που θα εξεταστεί ως εξαρτημένη μεταβλητή, είναι ο αριθμός περιστροφών των ελίκων του ελικοπτέρου σε κάθε μέτρηση που αντιστοιχεί στην κάθε μεταβολή της γωνίας πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων. 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΤΗΣ ΕΡΕΥΝΑΣ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.1. Σχεδιασμός πειραματικής διάταξης αιτιολόγηση επιλογών -ενός νέου τύπου ηλιακού συλλέκτη, ο οποίος θα στηρίζεται σε ένα σύστημα «διορθωτή κλίσης», που θα επανακαθορίζει «διορθώνει» τη θέση του ηλιακού συλλέκτη, ανάλογα με το επίπεδο/ άξονα συντεταγμένων της πορείας πτήσης του ηλιακού ελικοπτέρου, έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων να είναι πάντα η πλέον ενεργειακά συμφερότερη. Χρονοδιάγραμμα έρευνας Η έρευνα διεξάχθηκε σε μία περίοδο 8 εβδομάδων: Πρώτες τρεις εβδομάδες: Έγινε η αναζήτηση των τμημάτων του ηλιακού ελικοπτέρου και η αγορά τους. Τέταρτη εβδομάδα: Έγινε η κατασκευή του ηλιακού ελικοπτέρου. Πέμπτη και έκτη εβδομάδα: Έγινε η συγγραφή της εργασίας. Έβδομη εβδομάδα: Μελετήθηκε το δελτίο του καιρού, επιλέχθηκε η κατάλληλη ημέρα και μάλιστα ορίστηκε το συγκεκριμένο χρονικό διάστημα με τις μικρότερες κτηματολογικές διακυμάνσεις και τέλος έγινε το πείραμα και συλλέχθηκαν οι μετρήσεις που πήραμε. Όγδοη εβδομάδα: Βγήκαν τα συμπεράσματα σχετικά με αυτά που παρατηρήσαμε στο πείραμά μας. Μεθοδολογία Πρώτα αποφασίσαμε να διερευνήσουμε τις δυνατότητες για τον προσφορότερο τεχνικά και οικονομικά τρόπο κατασκευής ενός ηλιακού ελικοπτέρου. Αφού επισκεφθήκαμε διάφορες ιστοσελίδες σχετικές με τεχνικά θέματα για το ηλιακό ελικόπτερο, καταλήξαμε στην ιστοσελίδα του Ευγενίδειου Ιδρύματος. Εκεί μετά από αναζήτηση, βρήκαμε το υλικό που θα χρειαζόμασταν για την κατασκευή του ηλιακού ελικοπτέρου. Ύστερα αγοράσαμε όλα τα υλικά και αρχίσαμε την κατασκευή. Κατά την διάρκεια της κατασκευής αντιμετωπίσαμε μικρά τεχνικά κατασκευαστικά προβλήματα κυρίως προερχόμενα από την απαίτηση να σταθεροποιηθούν μεταξύ τους τμήματα του ηλιακού ελικοπτέρου από διαφορετικό υλικό π.χ. χαρτί και μέταλλο. Μετά το πέρας της κατασκευής, δοκιμάσαμε αν η κατασκευή είναι σταθερή. Πιο αναλυτική μεθοδολογία της έρευνας και της κατασκευής: Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή του ηλιακού ελικοπτέρου: ηλιακός κινητήρας, σωλήνας στηρίγματος του μοτέρ, βασική πλάκα ελικοπτέρου, οροφή ελικοπτέρου, έλικες, ηλιακός συλλέκτης/φωτοβολταϊκό, βίδες, ελαστικό σωληνάκι, ψαλίδι, κόλλα, μικρό κατσαβίδι. Υλικά που χρησιμοποιήθηκαν αργότερα στο πείραμα: χρονόμετρο, κινητό τηλέφωνο, μαύρος μαρκαδόρος Οικονομικό κόστος έρευνας: Η έρευνα κόστισε 23,40. Παρακάτω θα γίνει μία παρουσίαση των υλικών και της διαδικασίας της κατασκευής του ηλιακού ελικοπτέρου, αλλά και του πειράματος που ακολούθησε. 10

11 3.2 Διάγραμμα διαδικασίας του πειράματος 11

12 3.3. φωτογραφίες εκτέλεσης πειράματος Περιγραφή της διαδικασίας που ακολουθήθηκε Υλικά κατασκευής: ηλιακός κινητήρας, σωλήνας στηρίγματος, βασική πλάκα ελικοπτέρου, στήριγμα φωτοβολταϊκού, θήκη φωτοβολταϊκού, 4 βίδες, οροφή ελικοπτέρου, κίτρινο στερεωτικό, ελαστικό σωληνάκι Διαδικασία κατασκευής 1 ο βήμα: Κολλάμε την οροφή του ελικοπτέρου με το ελικόπτερο 2 ο βήμα: Το αφήνουμε να στεγνώσει μερικά λεπτά 3 ο βήμα: Κολλάμε τις 2 άκρες του σωλήνα στηρίγματος έτσι ώστε να σχηματιστεί ένας κύλινδρος 4 ο βήμα: Το αφήνουμε να στεγνώσει μερικά λεπτά 5 ο βήμα: Παίρνουμε τον ηλιακό κινητήρα και περνάμε τα καλώδιά του, μέσα από τον σωλήνα. 6 ο βήμα: Τοποθετούμε τον κινητήρα μέσα στον σωλήνα στηρίγματος 7 ο βήμα: Συνδέουμε το μοτέρ με την προπέλα. Για να γίνει αυτό τοποθετούμε το πιλοτήριο του ελικοπτέρου πάνω από τον σωλήνα και προσέχουμε έτσι ώστε ο άξονας του κινητήρα να περάσειαπό την μεσαία τρύπα της οροφής 12

13 8 ο βήμα: Κολλάμε το κίτρινο στερεωτικό στον άξονα του μοτέρ, έτσι ώστε οι δύο τρύπες να βρίσκονται πάνω από τις τρύπες ελικοτομής 9 ο βήμα: Το αφήνουμε να στεγνώσει 10 ο βήμα: Βάζουμε τις βίδες για να σιγουρευτούμε ότι θα είναι σφιχτό 11 ο βήμα: Κόψε 2 μικρά κομμάτια από τον ελαστικό σωλήνα, το καθένα περίπου 3mm 12 ο βήμα: Το 1 ο κομμάτι το περνάμε πάνω στον άξονα του μοτέρ και το σπρώχνουμε προς τα κάτω 13 ο βήμα: Παίρνουμε την προπέλα και την τοποθετούμε προσεχτικά επάνω στον άξονα 14 ο βήμα: Το 2 ο κομμάτι του ελαστικού σωλήνα το περνάμε επίσης στον άξονα, για να κρατήσει την προπέλα πάνω στον άξονα του μοτέρ. Χωρίς αυτήν την σταθεροποίηση θα υπήρχε κίνδυνος να φύγει η προπέλα από τον άξονα, ενώ αυτός κινείται 15 ο βήμα: Κολλάμε προσεχτικά τον πάτο του σωλήνα στηρίγματος στην πλάκα στερεώσεως 16 ο βήμα: Το αφήνουμε να στεγνώσει για μερικά λεπτά 17 ο βήμα: Συνδέουμε τα καλώδια του ηλιακού κινητήρα με τον ηλιακό συλλέκτη Μετρήσεις Το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε μία ημέρα σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, αρχίζοντας από τις πρωινές ώρες (ανατολή ηλίου), συνεχίζοντας με τις μεσημεριανές ώρες και καταλήγοντας στις απογευματινές ώρες (δύση του ηλίου). Ελήφθησαν 5 διαφορετικές μετρήσεις, με γωνία πρόσπτωσης ηλιακών ακτίνων επάνω στον ηλιακό συλλέκτη 30 ο, 60 ο, 90 ο, 145 ο και 180 ο Κατάλογος υλικών- συσκευών- μηχανών-εργαλείων πειράματος και εκτίμησης κόστους της έρευνας Στην εργασία χρησιμοποιήσαμε έναν ηλιακό κινητήρα, ο οποίος είναι φτιαγμένος από μέταλλο, και από αυτόν εξείχαν δύο καλώδια φτιαγμένα από πλαστική γείωση. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε ένα υλικό φτιαγμένο από πεπιεσμένο χαρτί. Ένα ακόμα υλικό που χρησιμοποιήθηκε ήταν οι βίδες, οι οποίες ήταν φτιαγμένες από μέταλλο. Ακόμα ένα υλικό ήταν το πλαστικό ελαστικό σωληνάκι που βοήθησε στο να κρατήσουμε τον έλικα ενωμένο με το μοτεράκι. Αποφασίσαμε να ασχοληθούμε σχετικά με κάτι που θα παίρνει ενέργεια από έναν φωτοβολταϊκό συλλέκτη. Στο τέλος καταλήξαμε να κατασκευάσουμε ένα ηλιακό ελικόπτερο - μοντέλο. Υλικά Ηλιακός κινητήρας 4,00 Σωλήνας στηρίγματος 0,40 Βασική πλάκα ελικοπτέρου 0,60 Στήριγμα φωτοβολταϊκού 0,30 Θήκη φωτοβολταϊκού 0,20 Κόστος σε Ευρώ 13

14 Ζιλοτέιπ 2,20 4 Βίδες 0,50 Χρονόμετρο 5,00 Οροφή ελικοπτέρου 0,20 Κίτρινο στερεωτικό 0,40 Ελαστικό σωληνάκι 0,50 Μαύρος μαρκαδόρος 0,80 Κόλλα 3,20 Ψαλίδι 5,10 Σύνολο 23,40 14

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΣΥΛΛΟΓΗ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ 4.1. Συλλογή δεδομένων μετρήσεων 1 η μέτρηση 2 η μέτρηση 3 η μέτρηση 4 η μέτρηση 5 η Μέτρηση Μοίρες 30 ο 60 ο 90 ο 145 ο 180 ο Αριθμός περιστροφών Ανάλυση αποτελεσμάτων 25 Λειτουργία ηλιακού ελικοπτέρου y

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΣYMΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συμπεράσματα Από τα ανωτέρω συμπεραίνεται ότι επιβεβαιώνεται η υπόθεση της έρευνάς μας. Δηλαδή, όσο περισσότερο πλησιάζει στο μέτρο της ορθής γωνίας η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων επάνω στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη του ηλιακού ελικοπτέρου τόσο περισσότερη ενέργεια εγκλωβίζεται/δεσμεύεται από τον ηλιακό συλλέκτη και άρα και αποθηκεύεται από αυτόν και επομένως τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός περιστροφών των ελίκων, δηλαδή έχουμε μεγαλύτερη απόδοση στη λειτουργία του ηλιακού ελικοπτέρου. Η χρήση του ηλιακού ελικοπτέρου, αλλά και γενικότερα ηλιακών συσκευών, εκμεταλλεύεται την ηλιακή ενέργεια και σέβεται το περιβάλλον. 16

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο: ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΑΠΟ ΑΛΛΟΥΣ ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ Προτείνουμε να εξετασθεί στο μέλλον η κατασκευή ενός νέου τύπου ηλιακού συλλέκτη, ο οποίος θα στηρίζεται σε ένα σύστημα «διορθωτή κλίσης», που θα επανακαθορίζει «διορθώνει» τη θέση του ηλιακού συλλέκτη, ανάλογα με το επίπεδο/ άξονα συντεταγμένων της πορείας πτήσης του ηλιακού ελικοπτέρου, έτσι ώστε η γωνία πρόσπτωσης των ηλιακών ακτίνων να είναι πάντα η πλέον ενεργειακά συμφερότερη, όπως αποδείχθηκε στο παρόν πείραμά μας. Ερευνητές που θα ασχοληθούν με παρόμοια έρευνα στο μέλλον θα πρέπει να εστιάσουν στο να επιβεβαιώσουν το κατά πόσο τα δεδομένα αντιστοιχούν και σε ένα κανονικού μεγέθους ηλιακό ελικόπτερο, το οποίο θα ήταν δυνατόν να παραχθεί μαζικά σε βιομηχανικό επίπεδο. Επίσης, μία μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να δώσει απάντηση στο ερώτημα: Τι σχέση έχει η ρύπανση της ατμόσφαιρας από μικροσωματίδια με την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας που συλλέγεται από έναν ηλιακό συλλέκτη, προκειμένου να κινήσει μια ηλιακή πτητική μηχανή; 17

18 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ elikoptero.pdf 18