← Tilbake til «Vannkraftverk»
← Forslag Fagstoff Endringsforskjell

Vannkraft – teori og historie

Endrede felt

Tittel

Vannkraftverk

Vannkraft – teori og historie

Beskrivelse

Aktivitet der speiderne kan bygge sitt eget vannkraftverk og kretskort.

Fagstoff om vannkraftens virkemåte, fysikk og historie i Norge – fra vikingtidens kornmøller til moderne kraftverk. Nyttig bakgrunnskunnskap for aktiviteter om fornybar energi og vannkraft.

Fremgangsmåte

Beskriver her kun et enkelt opplegg, men vil anbefale å gi speiderne mulighet til å gjøre det mer avansert. Dersom dere ønsker å drive USB-laderen må nok vannhjulet lages litt bedre enn beskrevet her:

Vannkraft er Norges viktigste kilde til elektrisk energi. Her finner du teori om hvordan et vannkraftverk fungerer, litt fysikk bak energien i vann, og historien om vannkraftens utvikling i Norge.

Dam og overføring:

HistorikkHelt fra vikingtiden har vi i Norge utnyttet bekker og elver for å drive kornmøller. På 1300-tallet begynte man å bruke vannet til å drive sagbruk, og fra 1500-tallet ble det brukt i gruver for å drive heiser og pumper.

Sett en renne eller et rør rett i bekken/elva og led vann til vannhjulet.

Før elektrisitetens tid måtte fabrikkenes arbeidsmaskiner kobles mekanisk til turbinen, og kraften måtte brukes på stedet. Dette førte til at industri ble anlagt ved selve kraftkildene.

Turbin (Vannhjul):

Den første dynamoen ble laget i Tyskland i 1866, og i 1877 ble det første elektrisitetsverket bygget i Norge. Det var ganske lite, og forsynte Lisleby Brug med lys. Allerede i 1885 ble elektrisitet tatt i bruk som drivkraft for industri her til lands.

Bruk platene som sider til vannhjulet og plasser forskalingsbordene som vist på bildet.

Slik fungerer et vannkraftverkEt vannkraftverk består av fire hoveddeler:

Kutt 4,8x9,8cm treverk i tre biter og fest dem sammen som på bildet.

Dam: En dam kan brukes for å lage et magasin som gir en kontinuerlig vannstrøm til kraftverket.

Bor hull og plasser akslingen.

Overføring (vannvei): For å frakte vannet fra magasinet til turbinen trengs en vannvei. Denne kan være så enkel som en kanal eller et rør.

 

Turbin (Vannhjul): I en vannturbin overføres mekanisk energi i vannet til et turbinhjul som settes i rotasjon. Ulike typer turbiner og vannhjul er brukt gjennom tidene – fra enkle vannhjul til moderne Peltonturbiner.

Generator (Dynamo):

Generator (Dynamo): Rotasjonen fra turbinen overføres til en generator som produserer elektrisk energi.

Plasser dynamoen slik at denne går jevnt langs kanten på hjulet.

Energi og fysikkEnergi måles i joule (J). 1 joule er det samme som 1 newtonmeter (1 kg·m²·s⁻²). Energienheten som brukes til daglig – spesielt på strømregningen – er kilowattimer (kWh). En kWh er lik 3 600 000 J (3,6 MJ).

Koble ledningene til dynamo og koble videre enten til en pære eller en likeretter.

Vann som ligger høyere enn havet har potensiell energi – muligheten til å utføre et arbeid. Det er denne energien vi ønsker å utnytte.

Likeretter:

Eksempel: 1 liter vann 1 meter over bakken har en potensiell energi:

Komponentene kobles sammen som vist på tegningen. Bruk databladene (data sheets) for å finne ut hvilke "bein" som skal kobles sammen. Dere kan enten lodde det sammen på et veroboard eller skru beina sammen i en sukkerbit. Det viktige er at det er elektrisk kontakt mellom de riktige beina på komponentene.

“Ep = 1 kg × G × 1 m = 9,81 J = 9,81 Ws ≈ 0,0000027 kWh

• Husk på å få plussiden av kondensatoren mot plussiden på likeretterbrua.

(G = tyngdeakselerasjon = 9,81 m/s²)”

• Beina på spenningsregulatoren heter "In/V+", "GND" og "Out". Disse må dere slå opp i komponentens datablad (søk på nettet), og koble "In/V+" mot plussiden av kondensator og likeretter, "GND" mot minussida.

Det vil si at du trenger 1 liter vann som faller 1 meter for å drive en 1-watt pære i ett sekund (uten tap). 1 watt = 1 J/s.

• USB-ledningen eller -kontakten kobles slik: Den svarte ledningen (minus) mot minussida av kondensator og "GND" på spenningsregulator, den røde (pluss) kobles sammen med "Out" på spenningsregulatoren alene.

Energien i vannet kan utnyttes på to måter:

• Dynamoen kobles til de to beina merket med buede linjer (~). På noen dynamoer er det to ledninger ut, på andre må den ene fasen komme fra festeskruen som dynamoen er festet med.

- Vannet fyller et kammer i vannhjulet og bruker tyngden direkte.

Dette trenger dere av utstyr

- Energien omdannes til hastighet som dytter hjulet rundt.

Har laget flere muligheter for opplegg. Velg det som dere mener passer best for dere:

Energien knyttet til hastighet er: Ev = 0,5 × m × v² (der m er vannets masse og v er hastigheten).

• 1 stk rør eller renne (tilpasses stedet)

Likeretter – fra vekselstrøm til likestrømStrømmen som kommer ut av en dynamo er vekselstrøm (AC). Det betyr at i stedet for å bevege seg jevnt én retning i ledningen, går den frem og tilbake mange ganger i sekundet. Mange ting drives greit med vekselstrøm (lyspærer, varmeovner), men de fleste små elektroniske enheter trenger likestrøm (DC).

• 4 stk forskalingsbord: 20x5x1cm

En likeretter består av tre ledd:

• 2 stk runde plater med en diameter på 30 cm og tykkelse på 1,2 cm

1. Likeretterbru: Sørger for at strømmen bare går i én retning, men den stopper opp et lite øyeblikk ved hvert retningsskifte.
2. Kondensator: Tar til seg energi når likeretterbrua leverer strøm, og gir den tilbake i øyeblikkene likeretterbrua ikke leverer – nesten som et batteri som lades opp og ut mange ganger i sekundet.
3. Spenningsregulator: En liten elektronisk krets som sørger for at spenningen ut av likeretteren ikke overstiger en bestemt verdi. Elektroniske apparater kan bli ødelagte av for høy spenning. Det finnes spenningsregulatorer for både faste og regulerbare utspenninger.

• 1 stk treverk: 200x4,8x9,8cm 1 stk rund stokk i glattstål: 30x0,8cm

Turbintyper• Vannhjul – det enkleste prinsippet, brukt siden antikken
• Vannturbin – moderne varianter for kraftproduksjon
• Peltonturbin – bruker vannstråler mot skålformede skovler, egnet for høyt fall og liten vannmengde

• 1 stk dynamo 1 stk 3m lampettledning Skruer/spiker for å feste ting sammen Hammer/skrutrekker 8mm bor

• Sag Fast-/skiftenøkkel

1 stk pære/led eller lag Likeretter:

• Spenningsregulator, L7805

• Kondensator, Minimum 10V/1mF (Større verdier er bare bra)

• Likeretterbro, Minimum 100V/1A

• Micro-USB ledning eller USB hunnkontakt. •

• Sykkeldynamo (Kan erstattes med bildynamo eller en likestrømsmotor, men det krever mer forskning på hvor fort den må gå rundt o.l.) Denne kan dere ta av en gammel sykkel. 

• Dersom det ønskes en annen spenning ut enn 5V (NB: Nødvendig med 5V til USB!!) kan L7805 erstattes med L78XX hvor XX er den ønskede spenningen (Finnes for 3, 5, 8, 10, 12, 15 V etc), men da må dynamoen kunne levere så høy spenning (Den høyeste realistiske likespenningen dere kan få til er omtrent spenningen dynamoen er merket med ganger 1,5). Sykkeldynamoer gir vanligvis ca 6V, mens bildynamoer kan gi 10-15V når de snurrer fort nok. 

• Veroboard (Søk på nettet) eller sukkerbit. 

• De fleste komponentene kan kjøpes på blant annet www.ebay.com, men da må en voksen bestille. Husk at det kan ta opp til en måned, med frakt.

Hva med å lage et vannhjul som en Peltonturbin med skåler? Klarer dere lade noe med USB-utgangen? Bruk vannbestandige materialer om vannhjulet skal holde lenge.

Historie:

Helt fra Vikingtiden har vi i Norge utnyttet bekker og elver for å drive kornmøller. På 1300-tallet begynte man å bruke vannet til å drive sagbruk og fra 1500-tallet ble det brukt i gruver for å drive heiser og pumper.

Før elektrisitetens tid måtte fabrikkenes arbeidsmaskiner koples mekanisk til turbinen, og kraften måtte brukes på stedet.

Dette førte til at industri ble anlagt ved selve kraftkildene. Den første dynamoen ble laget i Tyskland i 1866, og i 1877 ble det første elektrisitetsverket bygget i Norge. Det var ganske lite, og forsynte Lisleby Brug med lys. Allerede i 1885 ble elektrisitet tatt i bruk som drivkraft for industri her til lands.

Forskjellige typer turbiner (vannhjul) er brukt gjennom tidene:

• http://no.wikipedia.org/wiki/Vannhjul

• http://no.wikipedia.org/wiki/Vannturbin

Teori:

• Energi: Energi måles i joule(J), 1 joule er det samme som 1 newtonmeter eller 1 kg*m2*s-2. Energienheten som brukes til daglig, spesielt på strømregningen, er kilowattimer (kWh). En kWh er lik 3 600 000 J (eller 3,6 MJ).

Vann som ligger høyere enn havet har potesiell engergi (mulighet til å utføre et arbeid), det er denne energien ønsker vi utnytte. 1 liter vann 1 meter over bakken har en potensiell energi: Ep = 1kg*G*1m = 9,81J = 9,81Ws = 0,000002725 kWh (G er her Tyngdeakselerasjon = 9,81m/s2</a>).

Det vil si at du trenger 1 L vann som faller 1m for å drive 1 watt pære per sekund (om du ikke har tap). 1 watt = 1 J/s Energien i vannet kan enten utnyttes ved at den fyller et kammer i vannhjulet og bruker tyngden direkte eller ved at energien går over til en hastighet som dytter hjulet.

Energien til hastigheten er Ev= 0,5*m*v2 der m er vannets masse og v er vannets hastighet.

Dam: En dam kan brukes for å lage et magasin for å kunne gi en kontinuerlig vannstrøm til kraftverket.

Overføring (vannvei): For å frakte vannet fra magasinet og til en turbin trengs en vannvei. Denne kan være så enkel som en kanal eller et rør.

Turbin (Vannhjul) og generator (Dynamo): I en vannturbin overføres mekanisk energi i vannet til et turbinhjul som settes i rotasjon. Denne rotasjonen overføres ofte til en generator som produserer elektrisk energi. Les litt om forskjellige turbiner og dynamo.

Likeretter: Strømmen som kommer ut av dynamoen er såkalt vekselstrøm. Det betyr at i stedet for å bevege seg jevnt én retning i ledningen, så går den frem og tilbake mange ganger i sekundet. Mange ting drives like greit med vekselstrøm, for eksempel lyspærer og varmeovner, men de fleste små elektroniske dingser må ha likestrøm.

Derfor må vi bruke en likeretter for å lage likestrøm. I likeretteren inngår det tre ledd - ei likeretterbru, en kondensator og en spenningsregulator. Strømmen ut av ei likeretterbru går bare i én retning, men den stopper opp et lite øyeblikk når den skulle ha byttet retning.

Derfor bruker vi en kondensator for å ta til seg energi når likeretterbrua leverer strøm og gi den tilbake i øyeblikkene likeretterbrua ikke leverer, nesten som et batteri bare at det lades opp og ut mange ganger i sekundet. Til slutt bruker vi en spenningsregulator. Inni spenningsregulatoren er det en liten elektronisk krets som sørger for at spenningen ut av likeretteren ikke overstiger en bestemt verdi. Det er nemlig slik at elektroniske apparater kan bli ødelagte dersom de blir utsatt for høyere spenning enn de er beregnet for. Det finnes spenningsregulatorer for både faste og regulerbare utspenninger, litt avhengig av bruksområdet.

Utfordringer og erfaringer

Denne aktiviteten passer godt sammen med fordypningsmerkene elektriker og natur- og miljøvern.

Mål

Opprinnelig Forslag
K-4 Utvikle evner til logisk og taktisk tenking. K-7 Få erfaring med bruk av arbeidstegninger, oppskrifter og planleggingsverktøy. K-8 Få øvelse og kunnskap innen bruk og vedlikehold av ulike redskaper. S-5 Reflekter over hvordan politiske beslutninger påvirker livet ditt, og engasjer deg i politiske spørsmål.
S-6 Tilegne deg naturkunnskap. K-4 Utvikle evner til logisk og taktisk tenking.

Sted

Opprinnelig Forslag
Både inne og ute
Ingen

Varighet

Opprinnelig Forslag
90 min +++ Ikke satt

Uendrede felt

Aldersgrupper — Stifinner, Vandrer, Rover
Årstid — Vår, Sommer, Høst