1o ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΓ.ΙΩΑΝ.ΡΕΝΤΗ Σχολικό Έτος : ΤΑΞΗ Γ2α ομάδα 2η Μάθημα : Τεχνολογία ΜΕΛΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ

Transcript

1 1o ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΓ.ΙΩΑΝ.ΡΕΝΤΗ Σχολικό Έτος : ΤΑΞΗ Γ2α ομάδα 2η Μάθημα : Τεχνολογία ΤΙΤΛΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ Πώς επηρεάζει το ύψος της υδατόπτωσης, την τιμή της ισχύος (τάσης) που παράγεται σε «υδροηλεκτρική» γεννήτρια. ΜΕΛΗ ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΗΣ ΟΜΑΔΑΣ Καλαντζής Καλαϊτζή Κανατσούλη Θωμόπουλος Αθανάσιος Χριστίνα Αθηνά Γιώργος Καθηγητής : ΗΡ. ΝΤΟΥΣΗΣ

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΑ-ΕΝΟΤΗΤΕΣ ΣΕΛ. ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΧΡΟΝΟΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 2α.Περιγραφή του προβλήματος.3 2β. Περιγραφή του σκοπού της έρευνας γ.Περιγραφή των κοινωνικών αναγκών που εξυπηρετεί η έρευνα δ.Διαμόρφωση της υπόθεσης της έρευνας ε.Ανάλυση των παραμέτρων που θεωρήθηκαν ότι δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα της έρευνας στ.Περιγραφή των ορίων περιορισμών της έρευνας...6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΟ ΥΛΙΚΟ / ΕΝΝΟΙΕΣ-ΟΡΙΣΜΟΙ 3α. Ιστορική αναδρομή..7 3β.Ορισμοί εννοιών. 9 3γ.Πίνακες- σχεδιαγράμματα και φωτογραφίες σχετικές με την έρευνα. 10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 4α. Σχεδιασμός πειραματικής διάταξης αιτιολόγηση επιλογών. 12 4β. Διάγραμμα διαδικασίας του πειράματος γ. Εκτέλεση και φωτογραφίες του πειράματος..13 4δ. Κατάλογος υλικών- συσκευών- μηχανών-εργαλείων πειράματος και εκτίμησης κόστους της έρευνας ε. Παρουσίαση δεδομένων μετρήσεων 16 4στ. Ανάλυση αποτελεσμάτων.. 16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο: ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΑΠΟ ΑΛΛΟΥ ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ 17 ΠΗΓΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗΣ

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το θέμα επιλέχθηκε από την ομάδα μας διότι θεωρήσαμε την έρευνα αυτή πιο ενδιαφέρουσα καθώς επίσης μας αρέσουν οι κατασκευές οι οποίες απαιτούν νερό. Επιπλέον, θα ήταν καλύτερα να ασχοληθούμε με κάτι το οποίο γνωρίζουμε εννοώντας την τάση του ρεύματος που έχουμε μάθει από το μάθημα της Φυσικής Γ Γυμνασίου. Στην εργασία που ακολουθεί, θα διαβάσετε την έρευνα που κάναμε σχετικά με την απόδοση που προσφέρει ο υδροστρόβιλος ανάλογα με το ύψος της υδατόπτωσης. Υπάρχουν διάφορα μέρη της εργασίας που βοηθούν στην καλύτερη κατανόηση της έρευνάς μας όπως το θεωρητικό και το πληροφοριακό μέρος. Το συμπέρασμα της έρευνάς μας είναι ότι όντως το ύψος της υδατόπτωσης επηρεάζει την τιμή της ηλεκτρικής τάσης. που παράγεται στην υδροηλεκτρική γεννήτρια. Εικόνα 1 1

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: ΧΡΟΝΟΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΕΒΔΟΜΑΔΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΕΚΛΟΓΗ ΘΕΜΑΤΟΣ 2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΣΥΛΛΟΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ ΣΥΛΛΟΓΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ- ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΕΚΤΕΛΕΣΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΟΣ ΥΛΙΚΩΝ- 6 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 8 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 9 ΣΥΓΓΡΑΦΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 10 ΣΕΜΙΝΑΡΙΑ 11 ΑΥΤΟ-ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ 2

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο: ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΡΕΥΝΑΣ 2α. Περιγραφή του προβλήματος Η έρευνα που επιλέξαμε, είχε σαν στόχο, να βγάλουμε συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση του ύψους της υδατόπτωσης στην απόδοση που προσφέρει σε τάση ηλεκτρικού ρεύματος. Θα πραγματοποιηθεί με πειραματική διάταξη, που δημιουργήσαμε στην τάξη, με περιορισμένη την δυνατότητα να έχουμε σημαντικό ύψος για την πτώση του νερού, που περιόρισε την δυνατότητα λήψης περισσότερων μετρήσεων και συνεπώς τιμές υδατόπτωσης που θα μας εξασφάλιζαν περισσότερες και μεγαλύτερου εύρους μετρήσεις. Οι μεταβλητές που σχετίζονται με την έρευνα μας είναι Ανεξάρτητη μεταβλητή: Ύψος πτώσης νερού Εξαρτημένη μεταβλητή: Τιμή τάσης ηλεκτρογεννήτριας Σταθερές μεταβλητές: Όγκος νερού Μήκος και διατομή σωλήνα νερού Μήκος πτερυγίων υδροστρόβιλου Κλίση πτερυγίων υδροστρόβιλου Γωνία πρόπτωσης νερού 2β. Περιγραφή του σκοπού της έρευνας Το νερό αποτελεί φυσικό πόρο, η αξία του οποίου και η σπουδαιότητα συνεχώς αυξάνεται για όλους τους τοµείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, ενώ η διαθεσιμότητα του δεν είναι πάντα εξασφαλισμένη. Η διαχείριση του συνεπώς θα πρέπει να στοχεύει στην ορθολογιστική χρήση του µε σκοπό την ικανοποίηση των αναγκών µε τον βέλτιστο και πιο αποδοτικό τρόπο. Σκοπός της έρευνας είναι να εξετάσουμε πως επιδρά το ύψος της υδατόπτωσης, στη τιμή της ηλεκτρικής τάσης που παράγεται σε μία υδροηλεκτρική γεννήτρια. Ανεξάρτητα από το μέγεθός τους τα υδροηλεκτρικά έργα παρουσιάζουν σημαντικά θετικά χαρακτηριστικά. Πρώτον, οι υδατοπτώσεις αποτελούν ανανεώσιμη πηγή ενέργειας κι έτσι δεν αντιμετωπίζουν ορατό κίνδυνο εξαντλήσεώς τους, όπως τα συμβατικά καύσιμα, ενώ για τον ίδιο λόγο, συμβάλλουν στη μείωση των εκπομπών καυσαερίων στην ατμόσφαιρα Η Υδροηλεκτρική Ενέργεια (Υ/Ε) είναι η ενέργεια η οποία Εικόνα 2 στηρίζεται στην εκμετάλλευση και τη μετατροπή της δυναμικής ενέργειας του νερού των λιμνών και της κινητικής ενέργειας του νερού των ποταμών σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή αυτή γίνεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο, μέσω της πτερωτής του στροβίλου, έχουμε την μετατροπή της κινητικής ενέργειας του νερού σε μηχανική ενέργεια με την μορφή περιστροφής του άξονα της πτερωτής και στο δεύτερο στάδιο, μέσω της γεννήτριας, επιτυγχάνουμε τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το σύνολο των έργων και εξοπλισμού μέσω των οποίων γίνεται η μετατροπή της υδραυλικής ενέργειας σε ηλεκτρική, ονομάζεται Υδροηλεκτρικό Έργο (ΥΗΕ). 3

6 Η δέσμευση/ αποθήκευση ποσοτήτων ύδατος σε φυσικές ή τεχνητές λίμνες, για ένα Υδροηλεκτρικό Σταθμό, ισοδυναμεί πρακτικά με αποταμίευση Υδροηλεκτρικής Ενέργειας. Η προγραμματισμένη αποδέσμευση αυτών των ποσοτήτων ύδατος και η εκτόνωσή τους στους υδροστροβίλους οδηγεί στην ελεγχόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Με δεδομένη την ύπαρξη κατάλληλων υδάτινων πόρων και τον επαρκή εφοδιασμό τους με τις απαραίτητες βροχοπτώσεις, η Υ/Ε καθίσταται μια σημαντικότατη εναλλακτική πηγή ανανεώσιμης ενέργειας. Τα περιβαλλοντικά οφέλη ενός Υδροηλεκτρικού Σταθμού είναι ποικίλα. Ακόμα και το μειονέκτημα των περιβαλλοντικών επιπτώσεων εξ αιτίας των μεγάλης κλίμακας έργων πολιτικού μηχανικού, τα οποία ένα μεγάλο υδροηλεκτρικό έργο προϋποθέτει, με μια καλοσχεδιασμένη μελέτη, μπορεί να μετατραπεί σε πλεονέκτημα. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση της λίμνης Πλαστήρα, κατά την οποία ο κατακλυσμός της περιοχής από ύδατα μετά τη δημιουργία του φράγματος, δημιούργησε ένα νέο υγροβιότοπο, ο οποίος σύντομα μετατράπηκε σε πόλο τουριστικής έλξης δίνοντας ταυτόχρονα νέες αρδευτικές δυνατότητες στη γύρω περιοχή. Τα Μικρής κλίμακας Υδροηλεκτρικά έργα (ΜΥΗΕ) είναι κυρίως "συνεχούς ροής", δηλαδή δεν περιλαμβάνουν σημαντική περισυλλογή και αποταμίευση ύδατος, και συνεπώς ούτε κατασκευή μεγάλων φραγμάτων και ταμιευτήρων. Γι αυτό το λόγο γίνεται συνήθως και ο διαχωρισμός μεταξύ μικρών και μεγάλων υδροηλεκτρικών. Ένας μικρός υδροηλεκτρικός σταθμός αποτελεί ένα έργο απόλυτα συμβατό με το περιβάλλον, καθώς το σύνολο των επιμέρους παρεμβάσεων στην περιοχή εγκατάστασης του έργου μπορεί να ενταχθεί αισθητικά και λειτουργικά στα χαρακτηριστικά του περιβάλλοντος, αξιοποιώντας τους τοπικούς πόρους. 2γ.Περιγραφή των κοινωνικών αναγκών που εξυπηρετεί η έρευνα Το συμπέρασμα αυτής της έρευνας μπορεί να βοηθήσει στην καλύτερη κατασκευή εργοστασίων υδροηλεκτρικής ενέργειας προσφέροντάς τους τη γνώση για το ποιο είναι το πιο κατάλληλο ύψος για την υδατόπτωση. Πλεονεκτήματα από τη χρήση της υδροηλεκτρικής ενέργειας είναι : Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί είναι δυνατό να τεθούν σε λειτουργία αμέσως μόλις ζητηθεί επιπλέον ηλεκτρική ενέργεια, σε αντίθεση με τους θερμικούς σταθμούς (γαιανθράκων, πετρελαίου), που απαιτούν χρόνο προετοιμασίας Είναι μία "καθαρή" και ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, με τα γνωστά πλεονεκτήματα (εξοικονόμηση συναλλάγματος, φυσικών πόρων, προστασία περιβάλλοντος) Μέσω των υδροταμιευτήρων δίνεται η δυνατότητα να ικανοποιηθούν και άλλες ανάγκες, όπως ύδρευση, άρδευση, ανάσχεση χειμάρρων, δημιουργία υγροτόπων, αναψυχή, αθλητισμός. Είναι πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας και συμβάλλει στη μείωση της εξάρτησης από συμβατικούς ενεργειακούς πόρους, Είναι εγχώρια πηγή ενέργειας και συνεισφέρει στην ενίσχυση της ενεργειακής ανεξαρτητοποίησης και της ασφάλειας του ενεργειακού εφοδιασμού σε εθνικό επίπεδο, Είναι διάσπαρτη γεωγραφικά και οδηγεί στην αποκέντρωση του ενεργειακού συστήματος αλλά και δίνει τη δυνατότητα ορθολογικής αξιοποίησης τοπικών ενεργειακών πόρων, 4

7 Μπορεί να αποτελέσει πυρήνα για την αναζωογόνηση οικονομικά και κοινωνικά υποβαθμιζόμενων περιοχών καθώς και να συμβάλλει στην τοπική ανάπτυξη, με την προώθηση σχετικών επενδύσεων, Δεν παράγει ατμοσφαιρικούς ρύπους και θόρυβο (παρά μόνο μικρής έντασης και χρονικής διάρκειας στη φάση των κατασκευών), Ο ταμιευτήρας (όταν επιλέγεται η κατασκευή φράγματος) μπορεί να οδηγήσει στην δημιουργία υγρότοπου. Η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας, που στηρίζεται στην εκμετάλλευση των ποταμών και των τεχνητών ή φυσικών φραγμάτων. Οι Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί ως Εγκαταστάσεις Πολλαπλού σκοπού παίζουν πολύ σοβαρό ρόλο στην Εθνική Οικονομία και συμβάλλουν τα μέγιστα στην κοινωνική ζωή των περιοχών που βρίσκονται και λειτουργούν. Οι Υδροηλεκτρικοί Σταθμοί συμβάλλουν σε ποσοστό περισσότερο από 9% στην συνολική παραγωγή της ΔΕΗ Εικόνα 3 Α.Ε. Η παραγόμενη ενέργεια είναι «πράσινη καθαρή» δηλαδή δεν επιβαρύνει με εκπομπές και υψηλής ποιότητας δηλαδή καλύπτει αιχμές φορτίου, έχει δε μεγάλη ευελιξία στην ένταξη της. Οι ΥΗΣ εξαιτίας των ειδικών τους χαρακτηριστικών παρέχουν επικουρικές υπηρεσίες στο Ηλεκτρικό Σύστημα δηλαδή εφεδρεία ισχύος, ρύθμιση συχνότητας, τάσης, κ.λ.π. Άλλα σημαντικά οφέλη που προκύπτουν από την δημιουργία υδροηλεκτρικών σταθμών είναι τα εξής : Αντιπλημμυρική προστασία : Οι κύριοι ταμιευτήρες των ποταμών με την αποθηκευτική τους ικανότητα δημιουργούν ανάσχεση των πλημμυρικών φαινομένων παρέχοντας την αντιπλημμυρική προστασία στις κατάντη των ΥΗΣ περιοχές. Αρδεύσεις : Από τους ταμιευτήρες των ΥΗΣ αρδεύονται περίπου στρέμματα συμβάλλοντας έτσι στην γεωργική παραγωγή της χώρας. Ύδρευση : Οι πληθυσμοί πολλών πόλεων υδρεύονται από τους ταμιευτήρες των ΥΗΣ (π.χ. Θεσσαλονίκη, Καρδίτσα, Αγρίνιο, Άρτα κ.λ.π.). Ναυταθλητισμός: Πολλές περιοχές των λιμνών των ΥΗΣ χρησιμοποιούνται για ναυταθλητικές δραστηριότητες όπως θαλάσσιο σκι, κωπηλασία, καγιάκ κ.λ.π. (λίμνη στράτου, λίμνη πολυφύτου κ.λ.π.). Αλιεία : Η αλιεία τόσο σε επαγγελματικό όσο και ερασιτεχνικό επίπεδο είναι μία από τις πολλές δραστηριότητες στους ταμιευτήρες των ΥΗΣ, οι οποίοι διαθέτουν καθαρό νερό και τους οποίους η ΔΕΗ Α.Ε. εμπλουτίζει με γόνο ψαριών. Αναψυχή : Οι όχθες των λιμνών είναι ιδανικές θέσεις για δημιουργία πόλων αναψυχής και τουρισμού. Χαρακτηριστικά παραδείγματα η λίμνη πηγών Αώου, η πλαζ λαμπερού στη λίμνη πλαστήρα κ.λ.π. Αναβάθμιση περιβάλλοντος : Γενικά οι ΥΗΣ αναβαθμίζουν το περιβάλλον τους με τη δημιουργία οικοσυστημάτων στην περιοχή των λιμνών και με τη διατήρηση εντός των κοιτών των ποταμών των οικολογικών παροχών για τη διατήρηση της ιχθυοπανίδας. 5

8 2δ.Διαμόρφωση της υπόθεσης της έρευνας Αν ρίξουμε το νερό από μεγαλύτερο ύψος σε έναν υδροστρόβιλο, τότε θα παραχθεί περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. 2ε.Ανάλυση των παραμέτρων που θεωρήθηκαν ότι δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα της έρευνας Οι παράμετροι οι οποίες δεν επηρεάζουν τα αποτελέσματα της έρευνάς μας είναι οι εξής: Το είδος του νερόμυλου (υδροστρόβιλου) Τα πλαστικά δοχεία συλλογής του νερού Το είδος της ηλεκτρογεννήτριας Η διατομή των αγωγών σύνδεσης με την συσκευή μέτρησης Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες στο εργαστήριο κατά την διεξαγωγή του πειράματος 2στ.Περιγραφή των ορίων περιορισμών της έρευνας Εκτελώντας το πείραμα μόνο για μία μόνο φορά ( και μία δοκιμαστική), καταλήξαμε στα εξής όρια και περιορισμούς, που είναι καλό μελλοντικοί ερευνητές να τα λάβουν υπόψη τους και να αποκτήσει η έρευνα τους μεγαλύτερη αξιοπιστία : Διεξαγωγή περισσότερων πειραμάτων : Το γεγονός ότι η ομάδα μας σε πρώτη φάση, προσπάθησε να λύσει θέματα όπως α) πως η πτώση του νερού στη λεκάνη συγκέντρωσης και ότι η εκτίναξή τους, δεν θα δημιουργεί προβλήματα στη διεξαγωγή του πειράματος β) η ανεπιτυχής δοκιμή μικρού ακροφύσιου στο άκρο εξόδου του πλαστικού σωλήνα, για τυχόν αύξηση της μηχανικής ενέργειας του νερού και γ) η ασφαλής στήριξη ( και μετακίνηση) του άνω δοχείου της διάταξης στην ακριβή θέση μέτρησης του ύψους της υδατόπτωσης, χάθηκε πολύτιμος χρόνος, για διεξαγωγή πέραν του κυρίου πειράματος την Πέμπτη ( 2 επαναλήψεις ) και άλλων πειραμάτων Η αύξηση του ύψους της υδατόπτωσης της πειραματικής διάταξης και η λήψη περισσότερων μετρήσεων. Κάτι τέτοιο βέβαια απαιτεί πολύ προσεκτική μελέτη του τρόπου στήριξης της ξύλινης κατασκευής κατά την φάση των μετρήσεων Η παροχή μεγαλύτερου όγκου νερού για να περιστρέφεται σε μεγαλύτερο χρόνο η διάταξη της φτερωτής-ηλεκτρικού μοτέρ ( χρονομετρήθηκε στα 5 ) και να λαμβάνεται έτσι, πιο ακριβής μέτρηση της μέσης ηλεκτρικής τάσης από το πολύμετρο Η πιθανότητα ανθρώπινου λάθους στον ακριβή προσδιορισμό της μέσης τιμής της ηλεκτρικής τάσης, από το πολύμετρο 6

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΟ ΥΛΙΚΟ / ΕΝΝΟΙΕΣ-ΟΡΙΣΜΟΙ 3α. Ιστορική αναδρομή ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ: Το νερό έχει χρησιμοποιηθεί ως πηγή ενέργειας για αιώνες. Οι Έλληνες χρησιμοποίησαν τους νερόμυλους για να αλέσουν το σιτάρι σε αλεύρι πριν από χρόνια. Γύρω στα 1.800, αμερικανικά και ευρωπαϊκά εργοστάσια χρησιμοποιούν τη δύναμη του νερού για να δώσουν ενέργεια στα εργοστάσιά τους. Ο υδραυλικός τροχός είναι μια απλή μηχανή. Το νερό διοχετεύεται μέσω σωληνώσεων συνήθως στους κάδους που έχει περιμετρικά η πτερωτή του νερόμυλου. Το βάρος του νερού αναγκάζει το τροχό να γυρίσει. Οι υδραυλικοί τροχοί μετατρέπουν την ενέργεια του κινούμενου νερού σε χρήσιμη ενέργεια για να αλέσουν το σιτάρι (βίντεο 1,9 MB), για την κίνηση πριονιστηρίων ή στις αντλίες νερού. Οι Έλληνες χρησιμοποίησαν τη δύναμη του νερού για να κινήσουν μπαρουτόμυλους κατά την επανάσταση του 1821 (βίντεο 7,50 Mb) αλλά και αργότερα μέχρι να κατασκευαστούν τα σύγχρονα εργοστάσια μπαρούτης. Ακόμη και σήμερα σε πολλά μέρη της πατρίδας μας χρησιμοποιούνται οι νεροτριβές για το πλύσιμο μεγάλων υφασμάτων βίντεο 1,5 MB (κουβέρτες, φλοκάτες, μοκέτες). Προς το τέλος του 19ου αιώνα, η δύναμη του νερού χρησιμοποιήθηκε για να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Οι πρώτες υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις κατασκευάστηκαν στον ποταμό Νιαγάρα το Στο ίδιο χρονικό διάστημα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας με χρήση ορυκτών καυσίμων άρχισαν να είναι δημοφιλείς. Αυτά τα εργοστάσια μπορούσαν να παράγουν πιο φθηνή ηλεκτρική ενέργεια από ότι τα υδροηλεκτρικά. Όταν η τιμή του πετρελαίου ανήλθε στα ύψη στη δεκαετία του 70 οι άνθρωποι άρχισαν να ενδιαφέρονται και πάλι για τη δύναμη του νερού. Σήμερα παράγουμε πιο φθηνή ενέργεια από τα υδροηλεκτρικά απ ότι από τα θερμοηλεκτρικά (0,0060 η Kwh στο υδροηλεκτρικό απ ότι 0,053 στο θερμοηλεκτρικό.) ΥΔΡΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΣΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ: Από την εποχή της αρχαίας Αιγύπτου, οι άνθρωποι έχουν χρησιμοποιήσει την ενέργεια σε ρέοντα ύδατα για τη λειτουργία μηχανημάτων και άλεσμα σιτηρών και καλαμποκιού. Ωστόσο, η υδροηλεκτρική ενέργεια έχει τη μεγαλύτερη επιρροή στις ζωές ανθρώπων κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα από ό,τι σε οποιαδήποτε άλλη στιγμή στην ιστορία. Η υδροηλεκτρική ενέργεια έπαιξε σημαντικό ρόλο στην υλοποίηση των θαυμάτων της ηλεκτρικής ενέργειας και βοήθησε στην ώθηση της βιομηχανικής ανάπτυξης. Υδροηλεκτρική ενέργεια συνεχίζει να παράγει 24 τοις εκατό της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 4 Ο πρώτος υδροηλεκτρικός σταθμός 7

10 χτίστηκε το 1882 στο Appleton, Wisconsin και παρήγαγε 12,5 kw, και παρείχε φως σε δύο χαρτοβιομηχανίες και ένα σπίτι. Υδροηλεκτρικά εργοστάσια ποικίλουν σε μέγεθος από αρκετές εκατοντάδες κιλοβάτ σε αρκετές εκατοντάδες MW, αλλά μερικοί υδροηλεκτρικοί σταθμοί έχουν ικανότητες μέχρι και MW, και παρέχουν ηλεκτρισμό σε εκατομμύρια ανθρώπους. Σε παγκόσμιο επίπεδο, υδροηλεκτρικά εργοστάσια έχουν χωρητικότητα μεγαβάτ ετησίως και παράγουν πάνω από 2,3 τρισεκατομμύρια-κιλοβατώρες ηλεκτρικής Εικόνα 5 ενέργειας, ισοδύναμη ενέργεια με 3,6 δισ. βαρέλια πετρελαίου. ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ Η ανάπτυξη του Υδροδυναμικού της Ελλάδας ουσιαστικά συμπίπτει µε την ίδρυση της ΕΗ ηµόσιας Επιχείρησης Κοινής Ωφέλειας το Πριν από την ίδρυση της ΕΗ (1950), είχαν τεθεί σε λειτουργία πολύ μικρά Υδροηλεκτρικά Εργοστάσια την περίοδο (Γλαύκος, Βέρµιο, Αγιά Χανίων, Αγ. Ιωάννης Σερρών), συνολικής εγκατεστημένης ισχύος περίπου 6MW. Την περίοδο κατασκευάσθηκαν οκτώ (8) Μεγάλοι Υδροηλεκτρικοί Σταθµοί (Άγρας, Λάδωνας, Λούρος, Ταυρωπός/Πλαστήρας, Κρεµαστά, Καστράκι, Εδεσσαίος και Πολύφυτο), συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 1.410Μ. Μεταξύ αυτών συμπεριλαμβάνονται και οι τρείς (3) µεγαλύτεροι: Κρεµαστά, Καστράκι, Πολύφυτο. Την περίοδο 1976 Σήµερα κατασκευάσθηκαν 8 μεγάλοι και 3 μικροί ΥΗΣ (Πουρνάρι Ι και ΙΙ, Σφηκιά, Ασώµατα, Στράτος Ι, Στράτος ΙΙ, Πηγές Αώου, Θησαυρός, Πλατανόβρυση, Γκιώνα και Μακροχώρι), συνολικής εγκατεστημένης ισχύος 1.630MW. Μεταξύ αυτών περιλαμβάνονται και δύο αναστρέψιμοι Αντλητικοί Σταθµοί (Σφηκιά και Θησαυρός). Εικόνα 6 8

11 3β.Ορισμοί εννοιών Στην έρευνα μας, οι ορισμοί για τις έννοιες των μεταβλητών που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής: Υδραυλική και εν μέρει υδροηλεκτρική ενέργεια : είναι η ενέργεια που αποταμιεύεται ως δυναμική ενέργεια μέσα σε βαρυτικό πεδίο με τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων νερού σε υψομετρική διαφορά από τη συνέχιση της ροής του ελεύθερου νερού, και αποδίδεται ως κινητική μέσω της υδατόπτωσης. Η κινητική ενέργεια, στη συνέχεια, μπορεί είτε να χρησιμοποιείται αυτούσια επιτόπου (π.χ. νερόμυλοι), είτε να μετατρέπεται σε ηλεκτρική ή άλλες, που την αποθηκεύουν, ώστε τελικά να μεταφέρεται σε μεγάλες αποστάσεις. Στον γήινο κύκλο του νερού η ενέργεια προέρχεται κυρίως από τον ήλιο που εξατμίζει, σηκώνει ψηλά δηλαδή (στην ατμόσφαιρα), μεγάλες ποσότητες νερού. Η εκμετάλλευση της ενέργειας στον κύκλο αυτό γίνεται με τη χρήση υδροηλεκτρικών έργων (υδατοταμιευτήρες, φράγματα, κλειστοί αγωγοί πτώσεως, υδροστρόβιλοι, ηλεκτρογεννήτριες, διώρυγες φυγής). Η λειτουργία των υδροηλεκτρικών μονάδων βασίζεται στην κίνηση του νερού λόγω διαφοράς μανομετρικού ύψους μεταξύ των σημείων εισόδου και εξόδου. Για το σκοπό αυτό κατασκευάζεται ένα φράγμα που συγκρατεί την απαιτούμενη ποσότητα νερού στον δημιουργούμενο ταμιευτήρα. Κατά τη διέλευσή του από τον αγωγό πτώσεως κινεί έναν στρόβιλο ο οποίος θέτει σε λειτουργία τη γεννήτρια. Η ποσότητα της παραγόμενης ενέργειας καθορίζεται από τον όγκο του νερού που ρέει, τη διαφορά μανομετρικού ύψους μεταξύ της ελεύθερης επιφάνειας του ταμιευτήρα και του στροβίλου, κ.α.. Συνεπώς, ο παραγόμενος ηλεκτρισμός εξαρτάται από την ποσότητα του νερού του ταμιευτήρα. Για το λόγο αυτόν μόνο σε περιοχές με σημαντικές βροχοπτώσεις, πλούσιες πηγές και κατάλληλη γεωλογική διαμόρφωση είναι δυνατόν να κατασκευαστούν υδροηλεκτρικά έργα. Συνήθως η ενέργεια που τελικώς παράγεται, χρησιμοποιείται μόνο συμπληρωματικά ως προς άλλες συμβατικές πηγές ενέργειας, καλύπτοντας φορτία αιχμής. Στην Ελλάδα η υδροηλεκτρική ενέργεια ικανοποιεί περίπου το 9% των ενεργειακών μας αναγκών σε ηλεκτρισμό. Ηλεκτρική ενέργεια : αναφέρεται στην κινητική ενέργεια των κινούμενων ηλεκτρονίων (ηλεκτρικό ρεύμα), λόγω της ύπαρξης διαφοράς δυναμικού στα άκρα ενός αγωγού. Ηλεκτρική γεννήτρια : Η γεννήτρια είναι μια μηχανή που μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική. Η λειτουργία των γεννητριών στηρίζεται στο φαινόμενο της επαγωγής σύμφωνα με το οποίο, αν ένας κλειστός αγωγός κινηθεί κοντά σε ένα μαγνήτη, στον αγωγό θα δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα. Σε μια γεννήτρια έχουμε μια συρμάτινη περιέλιξη (πηνίο) ανάμεσα στους δύο πόλους ενός μαγνήτη (συνήθως ηλεκτρομαγνήτη). Αν περιστρέψουμε το σύρμα μέσα στο μαγνητικό πεδίο, τότε ηλεκτρικό ρεύμα θα διαρρεύσει τον αγωγό μας. Στις μεγάλες γεννήτριες της βιομηχανίας, το κινητό μέρος (ρότορας) είναι ο μαγνήτης, ενώ το ακίνητο (στάτορας) είναι το πηνίο. Υπάρχει τέλος και ένας μηχανισμός, ο μεταλλάκτης, ο οποίος αναγκάζει το ρεύμα να ρέει συνεχώς προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτή είναι η γεννήτρια συνεχούς ρεύματος (D.C.) ή «δυναμό». 9

12 Αν η γεννήτρια δεν έχει μεταλλάκτη, μας δίνει ρεύμα του οποίου η φορά συνεχώς αλλάζει, δηλαδή εναλλασσόμενο ρεύμα (A.C.). Μάλιστα το πόσο γρήγορα αντιστρέφεται η φορά του ρεύματος, καθορίζεται από την ταχύτητα περιστροφής του αγωγού. Τέτοιες γεννήτριες λέγονται «ενναλλάκτες». Εικόνα 7 3γ.Πίνακες- σχεδιαγράμματα και φωτογραφίες σχετικές με την έρευνα Εικόνα 8 10

13 Εικόνα 9 Εικόνα 10 11

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΕΡΕΥΝΗΤΙΚΟ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 4α. Σχεδιασμός πειραματικής διάταξης αιτιολόγηση επιλογών Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήσαμε για το πείραμα μας, αποτελείτο από α) Ξύλινη βάση 30εκ. Χ 8εκ. στην οποία μέσω κοινού μεταλλικού άξονα και σε κατάλληλα ξύλινα στηρίγματα τοποθετήθηκαν η φτερωτή, η γεννήτρια, μεταλλικό στέλεχος 10 θέσεων και επικολλήθηκε πλαστικό δοχείο για την συλλογή του νερού από την υδατόπτωση. Στο μεταλλικό στέλεχος 10 θέσεων βιδώθηκε ξύλινο τμχ., για να προσαρμοσθεί στη συνέχεια το άκρο του πλαστικού σωλήνα (μέσω ξύλινης προθήκης) και να υπάρχει έτσι η δυνατότητα μετατόπισης του άκρου του πλαστικού σωλήνα σε διάφορες θέσεις απέναντι στο ίδιο κάθετο επίπεδο με την φτερωτή. β) Στη ξύλινη βάση βιδώνεται με ξύλινο τριγωνικό σύνδεσμο, κατακόρυφο ξύλινο τμχ. 3εκΧ1εκΧ100εκ.και στην κορυφή του προσαρμόζεται με μεταλλικό στέλεχος σε σχήμα Π ξύλινο τμχ. στο οποίο βιδώνεται πλαστικό δοχείο. Το πάνω αυτό δοχείο θα αξιοποιηθεί για να το γεμίζουμε με την ποσότητα του νερού που θα διεξάγεται το πείραμα, ενώ έχει και την δυνατότητα να «σύρεται» κατακόρυφα με την βοήθεια του μεταλλικού στελέχους, για να μεταβάλλεται το ύψος στήριξης του δοχείου. Στο πίσω μέρος επίσης επικολλάται πλαστική μετροταινία για τον προσδιορισμό του ύψους που είναι τοποθετημένο κάθε φορά που διεξάγεται κάποια μέτρηση. γ) Στο πλαστικό δοχείο ανοίγουμε οπή στο κάτω μέρος του ( διάμετρος 8mm) και επικολλάμε με σιλικόνη τον ελαστικό σωλήνα κυκλοφορίας του νερού.το άλλο άκρο του όπως προαναφέραμε, επικολλάται σε κατάλληλη θέση στο ξύλινο τμχ. που είναι τοποθετημένο απέναντι από την φτερωτή. Για να σφραγίζουμε και αποσφραγίζουμε το νερό του δοχείου, χρησιμοποιήσαμε ξύλινη κυλινδρική σφήνα διαμέτρου 8mm. Στην εικόνα 11 διακρίνονται τα κυριότερα μέρη της πειραματικής διάταξης, Εικόνα 11 : Τμήματα της πειραματικής διάταξης 12

15 4β. Διάγραμμα διαδικασίας του πειράματος 1.Προετοιμασία πειραματικής διάταξης - Συγκέντρωση απαιτούμενων οργάνων και υλικών 2.Τοποθέτηση ξύλινης «σφήνας» στο άνω δοχείο στην κορυφή της διάταξης και γέμισμα με νερό όλου του δοχείου. Ακριβής ρύθμιση τοποθέτησης του δοχείου στο μέγιστο ύψος των 85 εκ. 3. Αφαίρεση της ξύλινης σφήνας από το άνω δοχείο και κατά την περιστροφή του νερόμυλου, καταγραφή της παραγόμενης τάση στο πολύμετρο. Άδειασμα του νερού από το κάτω δοχείο και επανάληψη των μετρήσεων για ύψη, ανά 5 εκ. από εκ. 4. Επανάληψη του πειράματος, αντίστροφα και σύγκριση των τιμών των 2 πειραμάτων 4γ. Εκτέλεση και φωτογραφίες του πειράματος Η ομάδα μας πραγματοποίησε ένα δοκιμαστικό και ένα κύριο πείραμα. Στο δοκιμαστικό πείραμα μας ( ) διορθώθηκαν κάποιες ατέλειες της πειραματικής μας διάταξης και έτσι την Πέμπτη , πραγματοποιήθηκε το πείραμα σε 2 επαναλήψεις. Εικόνες από την εκτέλεση, παρουσιάζονται παρακάτω: Εικόνα 12 : Απεικόνιση της διάταξης και εκτέλεση πειράματος. 13

16 Εικόνα 13 : Απεικόνιση της διάταξης μετά την εκτέλεση κάποιας εκ των μετρήσεων 4δ. Κατάλογος υλικών- συσκευών- μηχανών-εργαλείων πειράματος και εκτίμησης κόστους της έρευνας Α/Α 1. Υλικό συσκευήεργαλείο- μηχανή Ξύλo κόντρα πλακέ 80εκ.Χ 30εκ.Χ 8χιλ. ΠΟΣΟΤΗΤΑ ΚΟΣΤΟΣ 1τμχ. 3,50 2. Καδρονάκι 3εκ.Χ3εκ.Χ 50 εκ. 1τμχ. 2,30 3. Ελαστικός διάφανος σωλήνας 8χιλ. 1,5 μέτρο 3,75 4. Φτερωτή 1 τμχ. 2,45 5. Μεταλλικό στέλεχος με 10 τρύπες 1 τμχ. 1,10 6. Μεταλλικό στέλεχος σε σχήμα Π 1 τμχ. 1,10 ΣΥΝΟΛΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ 14,20 7. Λαστιχάκι 1 τμχ. Άνευ αξίας 14

17 8. Μοτεράκι 1,5-4,5 V 1τμχ. 9. Στικ σωληνάριο σιλικόνης 2 τμχ. Από σχολ. εργ/ριο Από σχολ. εργ/ριο 10. Λεκάνες πλαστικές 2τμχ. Άνευ αξίας 11. Πευκοσανίδα 100εκ.Χ1εκ.Χ3εκ. 1τμχ. 12. Κροκοδειλάκια 2 τμχ. 13. Διάφορες Κατσαβιδόβιδες 14, Τρυπάνι 3εκ-5εκ.-8εκ. 15, Πιστόλι σιλικόνης (εργ/ριο) 16. Φορητό Δράπανο (-κατσάβιδο) εργ/ριου Από σχολ. εργ/ριο Από σχολ. εργ/ριο Από σχολ. εργ/ριο Από σχολ. εργ/ριο Συγκόλληση πλαστικών δοχείων και πλαστικού σωλήνα Για διάνοιξη οπών και διάφορες εργασίες με βιδώματα 17. Γυαλόχαρτο σφουγγάρι (εργ/ριο) Λείανση ξύλων 18. Μεταλλική γωνιά ορθογωνιάσματος 19. Ψηφιακό πολύμετρο (εργ/ριο) Για χάραξη και ορθογώνιασμα διαφόρων ξύλων Για μέτρηση της ηλεκτρικής τάσης 20. Ηλεκτρική σέγα ( εργ.) Κοπή ξύλων 15

18 Ηλεκτρική τάση ( mv) 4ε. Παρουσίαση δεδομένων μετρήσεων Μετρήσεις πειράματος ( Πέμπτη 7/4/2016) Εργαστήριο τεχνολογίας Ύψος υδατόπτωσης ( cm) Πείραμα / Τάση (mv) στ. Γράφημα - Ανάλυση αποτελεσμάτων Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων προκύπτει ότι, στο διάστημα της μεταβολής του ύψους υδατόπτωσης κατά 35 εκ. που διεξήχθη το πείραμα, μεταξύ των 2 ακραίων τιμών της ηλεκτρικής τάσης ( 68 mv και 110 mv), σημειώθηκε αύξηση κατά 61%. Επίσης ότι η μεταβολή της, δεν είναι γραμμική και περιορίσθηκε σημαντικά μεταξύ 75-85εκ. Μεταβολή τιμής ηλεκτρικής τάσης, συναρτήσει του ύψους υδατόπτωσης Ύψος υδατόπτωσης (cm) 16

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων σε προηγούμενα ενότητα,παρατηρούμε ότι επιβεβαιώθηκε η αρχική υπόθεση και καταλήγουμε στο παρακάτω συμπέρασμα : Αν αυξηθεί το ύψος της υδατόπτωσης, σε μία υδροηλεκτρική κατασκευή, αυξάνεται και η τιμή της ηλεκτρικής τάσης που παράγεται. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6ο: ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΑΠΟ ΑΛΛΟΥΣ ΕΡΕΥΝΗΤΕΣ Προτεινόμενες έρευνες που στηρίζονται στις μεταβλητές που σχετίζονται με το πείραμα μας και θα ήταν καλό να πραγματοποιηθούν από μελλοντικούς ερευνητές, είναι οι εξής : Πως επηρεάζει η κλίση των πτερυγίων υδροστρόβιλου, την τιμή της ηλεκτρικής τάσης που παράγεται σε υδροηλεκτρική κατασκευή. Πως επηρεάζει η διατομή του σωλήνα παροχής νερού την τιμή της παραγόμενης ηλεκτρικής τάσης σε μία υδροηλεκτρική κατασκευή. Πως επηρεάζει ο όγκος του νερού την τιμή της παραγόμενης ηλεκτρικής τάσης σε μία υδροηλεκτρική κατασκευή 17

20 ΠΗΓΕΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΗΣΗΣ seis/5.1.pdf %BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CE%B9%CE%BA%CF%8C_%CE%B5 %CF%81%CE%B3%CE%BF%CF%83%CF%84%CE%AC%CF%83%CE%B9%CE% BF %CF%84%CE%B7%CF%81%CE%B9%CE%B1%CE%BA%CE%AD%CF%82_%CE %91%CF%83%CE%BA%CE%AE%CF%83%CE%B5%CE%B9%CF%82_%CE%91% CE%A0%CE%95_05-06_B.pdf 18