5_HIDRO ELEKTRIK SANTRALLER_TAM METIN

1
HİDROELEKTRİK SANTRALLER (HES)
Öğretmen Notları
Bilgi ve anlama







Elektrik enerjisi manyetik bir alan içinde bir bobinin döndürülmesi ya da
tellerler sarılmış bir bobin içinde mıknatısın döndürülmesi ile oluşturulur.
Bir kablo veya bobin manyetik alanla ‘kesilirse’ veya tam tersi gerçekleştirilirse
kablonun uçları arasında bir potansiyel fark (voltaj) meydana gelir.
İndüklenmiş olan bu voltaj eğer devre tamamlanmışsa bir elektrik enerjisi
akışına sebep olur.
İndüklenmiş voltajın büyüklüğü şunlarla değişebilir:
- hareket hızının artması,
- manyetik alan şiddetinin artması,
- bobinin dönme sayısının artması,
- bobin alanını artmasıdır.
Fosil yakıtlar geri dönüştürülemez enerji kaynaklarıdır.
Yenilenebilir enerji kaynakları güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, dalga enerjisi,
akan su enerjisi ve gelgitlerden elde edilen enerjilerdir.
Yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisi üretmek için kullanılabilir.
Giriş
Bu özde öğrenciler bir üniversitenin mühendislik bölümünde çalışan araştırmacılar
olarak çalışacaklardır. Onlardan TAŞINABİLİR HİDROELEKTRİK SANTRAL için bir
araştırma yapmaları ve bunu tasarlamaları istenecektir. Yapılacak bu iş gerçek bir
sürece dayanmaktadır ve bu işle ilgilenen temel birim Michigan Üniversite’ndeki
Hidrolik Laboratuarıdır. Öğrencilerin temelde beklenen jeneratör tarafından
oluşturulan elektromanyetik alanı (şiddetini) değiştiren faktörleri bu prototipi yaparken
derinlemesine incelemeleridir. Ayrıca öğrenciler HES’lerde kullanılan ve türbinlerin
en iyi şekilde döndürüp enerji üretkenliğine katkıda bulunacak pervane kanadı için en
iyi tasarımı bulmaya çalışırlar.
2
Bu özün rotasıdır:
E-mail
Reklam
Öz makale: Taşınabilir
Hidro Elektrik Santral (HES)
Araştırma
Araştırma Raporu yazma
süreci
Araştırma Sorgulamaya Dayalı Fen Eğitimi bağlantıları


Bilimsel fikir ve modelleri olguları açıklamak için kullanmak, onları teoriler
üretmek ve test etmek için yaratıcı bir şekilde geliştirmek,
Bilimsel modelleri ve düşünceleri bir olguyu açıklamak için kullanma ve
bunları teorileri test etmek ve derinleştirmek için yaratıcılıkla geliştirme,



Laboratuarda çalışırken riskleri değerlendirmek ve güvenlice çalışmak
Hem grup hem de bireysel olarak pratiksel ve araştırmacı etkinlikler
planlamak
Verinin geniş bir çeşitlilikte ikincil kaynaklardan elde edilmesi, kayıt edilmesi
ve analiz edilmesi, bilimsel açıklamalara delil sağlanması için öğrencilerin
kendi bulgularını kullanması,

Bilimse bilginin diğerlerine iletilmesi ve bilimsel sorunsallar hakkında yapılan
sunumlara ve tartışmalara katkıda bulunmak için Bilgi & İletişim Teknolojileri
gibi uygun aracıların kullanılması
Bu aktivite ayrıca öğrencilere aşağıdakiler için fırsat sağlamaktadır:

Araştırma, tartışma ve argümanlar geliştirme,

Bilim hakkında daha fazla öğrenmek için temeli gündelik yaşama dayanan
örnekler sunma,

Bilimsel ve teknolojik gelişimlerin sürdürebilirliğini tanıma ve anlama.
3
Ön bilgi
Bu öze başlamadan önce öğrenciler elektromanyetik indüksiyon hakkında
bilgiye sahip olmalıdırlar. Bu onlara dönen bir bisiklet dinamosu aracılığıyla
gösterilebilir. Ayrıca öğrenciler basit, doğru akımla çalışan bir elektrik motoru
tasarlama ve teknik bilgisine de sahip olursa bu onlara fazlaca yardımcı olacaktır.
Etkinliğe başlarken
A. Bu aktivite boyunca öğrenciler gruplar halinde çalışırlar. Öneriler aşağıdaki gibidir:
Ön bilgilendirme
E-mail ve reklam
Makale: portatif HES
Tüm sınıf; öğretmenin konuyu tanıtması
-
İletişim – araştırma raporu yazma
Öğretmenin yönlendirmesi ile tüm sınıf
Çiftler veya küçük gruplar, öğretmenin
ilgili görevleri öğrencilere nasıl
bölüştürdüğü ile uygun olarak
BİREYSEL
Öğrenciler gruplar halinde HES tasarımlarının tüm yönlerini derinlemesine araştırılar.
Başka bir gidişat olarak her grup farklı bir değişkeni de (ör; bobinin dönme sayısı)
araştırabilir. Eğer bu yöntem benimsenirse her grup bulgularını ve argümanlarını
bütün sınıfla etkili bir biçimde paylaşmak zorundadır. Çünkü son araştırma raporları
bireysel olarak yazılacaktır.
B. Zamanlama
Bu özün sadece araştırma kısmının 3 ders saati sürmesi beklenmektedir; ancak
öğrenciler ürün anlamında bir portatif HES tasarlayıp sunacaklarsa bu 9-12 ders
saatini bulabilir.
C. Etkinlikler
Öğretmen öğrencilere öncelikle ‘Öğrenci Çalışma Kâğıdını’ dağıtır ve tanıtır. Bu
etkinlik kâğıdı öğrenciler bu öz süreci boyunca nasıl bir yol izleyeceklerine yönelik
detaylı bilgi sunar. Ayrıca bu kâğıtta bir kazanım kontrol listesi olduğundan öğrenciler
kendi gelişimlerini gözlemleyebilirler. HES araştırma takımı başkanı (öğretmen)
öğrencilere yazılmış olan e-mail’in ve ‘Araştırma Haberleri’nden gelen bir reklamın
kopyasını öğrencilere verir. Bu iki ana dokümanda araştırma topluluğuna küçük
ölçekli bir elektrik jeneratörü yapılması konusunda çeşitli bilgi, önerge ve
yönlendirmeler verilmiştir. Burada en önemli nokta öğrencilerin kurdukları araştırma
toplulukları ile bir tribün tarafından çalıştırılan jeneratörün enerji üretkenliğini hangi
faktörlerin etkilediğinin derinlemesine araştırılmasıdır.
4
Gerekli detaylı bilgi bilgilendirme makalesi tarafından araştırma ekibine sağlanmıştır:
portatif HES. Öğrenciler bunu çok dikkatli bir biçimde okumalı ve notlar almalıdır.
Makalenin üçüncü kısmında (araştırma programı özeti) bir jeneratörün enerji
verimliliğini değiştiren faktörlerin araştırılmasına yönelik öneriler vardır. Ek olarak bir
su tribününün etkinliğini değiştiren etmenlere yönelik öneriler öğrenci araştırma
gruplarına aynı dokümanda sunulmuştur. Öğrenciler gruplara ayrılmalı ve görev
dağılımı yapılmalıdır. Araştırmalar tamamlandığında bütün gruplar diğer gruplara
argümanlarına sunmalıdırlar ve öğretmen sonuçları harmanlamalıdır. Öğrenciler
sonrasında bireysel olarak raporlarını yazmalıdırlar. Bireysel öğrenci raporları ayrıca
elektrik enerjisi üretme yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarını içermelidir. Bu
çeşitken yöntemler fosil yakıtlar, HES, güneş panelleri, rüzgârgülleri, jeotermal enerji,
dalga gücü ve gelgit dalgakıranları. Ayrıca öğrencilerin rapor yazımında ikincil
kaynakları kullanmasında hiçbir sakınca yoktur.
D. Araştırma detayları
Bilgilendirme makalesi 4 farklı değişkenin araştırılmasını önerir:
1.
2.
3.
4.
Bobinin dönüş sayısı/yoğunluğu
Manyetik alanın gücü
Bobinin yüzey alanı
HES’in dönme hızı
Aynı zamanda HES tribünlerinin dönme hızını değiştiren faktörlerin araştırılmasına
yönelik öneriler:
5. Pervane kanadı sayısı
6. Pervane kanat büyüklüğü
7. Pervane şekilleri
Bobinin dönme sayısının değiştirilmesi (araştırma 1) ve dönme hızının değiştirilmesi
(araştırma 4) kolay bir şekilde etkisi görülebilen değişkenlerdir. Manyetik alan
gücünün değiştirilmesi (araştırma 2) ve bobin alanının değiştirilmesi (araştırma 3)
etkisinin gözlemlenmesi daha zor olan değişkenler olarak öğrencilerin önüne
çıkacaktır.
İndüklenmiş elektro manyetik alan ve onu etkileyen değişkenler arasındaki ilişki şu
şekildedir:
E = BAN ω sin ω t
E: t zamanındaki indüklenmiş elektro manyetik alan
B: manyetik akı yoğunluğa
A: bobin alanı
5
N: bobinin dönme sayısı
Ω: dönen bobinin açısal dönme hızı
Su tribünlerinin şekil tasarımlarına yönelik araştırmalar (araştırma 5, 6 & 7) daha
kolayca yapılabilir türdendir. Öğrenciler su tribününü döndüren pervane kanatları için
bir modelleme yaparlar ancak bunu yaparken gerçek pervane kanatları yerine daha
kolay materyallerden tasarlanacak modeller çıkarırlar. Pervane kanatları hâlihazırda
plastikten yapılmıştır.
E. Teknik detaylar
i.
ii.
iii.
Manyetik alanın değiştirilmesi için farklı güçlerde olan mıknatıslar kullanılabilir,
fakat iki mıknatısın etkileştirilmesi asla iki kat gücünde bir mıknatıs yaratmaz.
Öğrencilere bir mıknatısın tam iki kat gücünde başka bir mıknatıs sistemini
nasıl tasarlayacakları temel bir soru olarak sorulur.
Küçük elektrik motorları aslında oldukça küçük ölçekli HES modelleridir.
Bunların incelenmesi için mümkünse bunlar öğrencilere sunulmalıdır.
Bir HES tribününün hızını ölçmenin en basit yolu dönen parçaya bir ip
bağlayıp birim zamanda ne kadar ipin sarıldığına bakılmasıdır.
F. Güvenlik
Bu özde bazı risk değerlendirmeleri göz önünde bulundurulmalıdır. Eğer öğrenciler
araştırmalarından sonra bir portatif HES kuracaklarsa öğretmen MUTLAKA kurulum
başlamadan önce malzeme, tasarım vb. şeyleri öğrencilerin güvenliği için test
etmelidir.
Büyük ölçekli HES’ler için son bir not…
Sıklıkla belirtildiği üzere HES’ler çevre dostu enerji üretim birimleri değillerdir. Çok
fazlaca bir su depolama alanına ihtiyaç duyarlar. Bunun sonucu olarak büyük
miktarda bitki örtüsü ve vejetasyon yok edilmektedir ve bu örtünün atmosferden CO2
elemine edememektedir. İlginçtir ki bu elemine edilemeyen karbondioksit miktarı
yıllar sonunda fosil yakıtlarla çalışan HES’lerden salınan karbondioksit miktarını
aşabilmektedir. Küçük çaplı HES’ler bahsi geçen dezavantajlara sahip değillerdir
çünkü onlar bahar erimeleri sonucunda hâlihazırda oluşan akarsu önlerine kurulurlar.
Ayrıca taşınabilir olduklarından doğaya kalıcı olumsuz bir etki bırakmazlar.
6
PHEPPS
Öğrenci Etkinlik Kâğıdı
Sürecin hazırlanması
Sen üniversitenin bir bölümünde taşınabilir bir HES tasarlamak ve yapmak için
çalışıyorsun. HES’in tasarımını geliştirmek ve daha kullanılır hale getirmek için bazı
araştırmalar yapmalısın. Sen ayrıca bireysel bir araştırma raporu yazacaksın ve bu
rapora çeşitli yollarla elektrik enerjisi üretmenin hem avantajlı hem de dezavantajlı
yanlarını detaylıca kendi araştırmanı da referans alarak ekleyeceksin.
Bu öz boyunca çalışırken sen aşağıdaki öğrenebileceksin:







Elektrik enerjisi manyetik bir alan içinde bir bobinin döndürülmesi ya da
tellerler sarılmış bir bobin içinde mıknatısın döndürülmesi ile oluşturulur.
Bir kablo veya bobin manyetik alanla ‘kesilirse’ veya tam tersi gerçekleştirilirse
kablonun uçları arasında bir potansiyel fark (voltaj) meydana gelir.
İndüklenmiş olan bu voltaj eğer devre tamamlanmışsa bir elektrik enerjisi
akışına sebep olur.
İndüklenmiş voltajın büyüklüğü şunlarla değişebilir:
- hareket hızının artması,
- manyetik alan şiddetinin artması,
- bobinin dönme sayısının artması,
- bobin alanını artmasıdır.
Fosil yakıtlar geri dönüştürülemez enerji kaynaklarıdır.
Yenilenebilir enerji kaynakları güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, dalga enerjisi,
akan su enerjisi ve gelgitlerden elde edilen enerjilerdir.
Yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisi üretmek için kullanılabilir.
Kazanım kontrol listesi
Mühendislik Bölümü için sen bir araştırma süreci yürüteceksin. Sana bu konu ile
ayrıntılı çalışman için bir e-mail gelecek.
Aşağıdaki iki yönlendirme maddesini dikkate alarak çalışman sana oldukça yardımcı
olacaktır.
1. E-mail – farklı yollarla elektrik enerjisi üretmenin avantaj ve dezavantajlarını
gösteren bir grafik içermektedir.
2. Makale – HES tasarımlarını geliştirmenin yollarını tartışan bir makale.
7
Mühendislik Bölümü
Çok önemli mesaj
Mühendislik Bölüm Başkanlığı Ofisi’nden
Kime: HES araştırma ekibi
Konu: Taşınabilir HES kurulumu ve tasarımı için fon ayırımı için başvuru
Ekler: Araştırma Haberleri’nden reklam
Bilgilendirme makalesi
Bizler burada Araştırma Haberleri’nden bir reklamın içeriğinin de belirttiği üzere
üzerinde hâlihazırda çalıştığımız bir taşınabilir HES yapmayı planlıyoruz. Bu çalışma ayrıca
özet şeklinde senin çalıştığın üniversite bölümüne araştırma teklifi olarak sunulmuştur.
Elimde HES’lerle ilgili olan ve önceden oluşturduğumuz bilgilendirme makalesinin
özetini tekrar okudum. Bu özet makalesi (kopyası ekte sunulmuştur) bizlere üniversite
araştırma kuruluna bir araştırma teklifi sunmak için iyi bir başlangıç noktası ve yol gösterici
oluyor. Bu bilgilendirme özü içinde bazı notları dikkatlice okudum ki bu notlar olası HES
tasarımları ile ilgili ayrıntılı bilgiler içermekteler. Eğer araştırma ekibi (öğrenciler) aşağıda
yazanları yaparlarsa bana çok yardımcı olacaklardır:
1. Pratik işlerle ilgili izlenmesi gereken önerilerin gerçekleştirilmesi,
2. Bu işten yani süreçten ne öğrendiğinle ilgili bana kısa şeyler yazmalısın.
3. Sen ayrıca bireysel bir araştırma raporu yazacaksın ve bu rapora çeşitli yollarla
elektrik enerjisi üretmenin hem avantajlı hem de dezavantajlı yanlarını detaylıca ve
dengelice sunmalısın.
Araştırma Haberleri’nde yer alan reklam aracılığıyla bizden istenen temel olarak çevresel
avantajları olan bir enerji üretim aleti üretmemizdir ki bu bizim başvurumuzun merkezini
oluşturmaktadır. Yapılması gereken en öncelikli araştırma Madde 3 altında yer alan sürecin
gerçekleştirilmesidir. Bahsi geçen bilgiler bir grafik şeklinde verilebilir ve ayrıca elektrik
enerjisi üretme yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarını çeşitli yönlerden karşılaştıran
bilgiler içerir (bu yöntemler fosil yakıtlar, HES, güneş panelleri, rüzgârgülleri, jeotermal
enerji, dalga gücü ve gelgit dalgakıranlarıdır).
Not: Lütfen bir an önce araştırma rapor ve önerinizi gönderiniz, karşılaştırma grafiğinizi
detaylandırınız.
8
Ek-1 – Araştırma Haberleri’nden Reklam
Temiz teknoloji için mühendislik: fosil
yakıtlara alternatifler
Özet araştırma teklifinin sunulması için çağrı
Araştırma komitesi yeni bir program kapsamında özet
araştırma teklifleri için çağrıya çıkıyor.
HES tasarımı için
ciddi bir bütçe
ayıracağız.
Programın içeriği küçük çaplı, taşınabilir HES’lerin tasarımı
ile ilgili ve bunların fosil yakıtlarla çalışan HES’lere alternatif
olması düşünülüyor. Başvuracak araştırma grupları başvuru
tekliflerinde aşağıdaki önerileri göz önünde bulundurmalıdır:

Bir karşılaştırma
grafiğine
ihtiyacımız var.


Grubun yaptığı
çalışmaları Ek2’de sunulan
bilgilendirme
makalesi
doğrultusunda
inceleyeceğiz.

Tasarlanması düşünülen HES’in anlaşılır, tam olarak
konu ile ilgili ve bir sayfayı geçmeyen teknik bilgileri
sunulmalıdır;
Tasarlanması düşünülen portatif HES’in çevreye ne
gibi avantajlar sunduğu detaylı bir biçimde
açıklanmalıdır;
Tasarım sırasında yapılacak araştırmanın tüm
detayları açıklanmalıdır;
Tasarıma geçilmeden önde araştırma grubunca
yapılan herhangi bir ön çalışma detaylı bir şekilde
raporlanmalıdır.
Bu araştırmanın finansal destekçileri farklı alanlarda çalışan
araştırmacı grup üyelerini destekleme noktasında oldukça
isteklilerdir.
Bu çağrıya son başvuru tarihi reklam yayınlandıktan
sonraki ikinci haftanın son günüdür.
9
Ek-2 – Bilgilendirme makalesi
Taşınabilir Hidroelektrik Santraller
Bilgilendirme makalesi – ilk sürüm
Mühendislik bölümü
1. Özet
Mühendislik bölümleri alternatif enerji kaynaklarının yaratılması ve tasarlanması konusunda
yıllardır çeşitli çalışmalar yürütüyor. Bu çabaların büyük kısmını dalga enerjisi ve güneş
enerjisi tasarımları oluşturuyor. Büyük oranda taşınabilir ve hafif olan alternatif enerji
kaynaklarının tasarımı fikri henüz çok yeni ve heyecan verici bir fikir! Taşınabilir bir HES
herhangi bir nehir üzerinde oluşmuş küçük su kaynaklarındaki az miktardaki suyu kullanarak
enerji üretebilmektedir. Taşınabilir HES’ler ucuz ve kullanımı kolaydır, kolayla kurulup,
kaldırılabilir, büyütülebilir ve taşınması çok kolaydır. Taşınabilir HES’ler dizel yakıtlı santraller
için bulunmaz bir alternatiftir ve herhangi bir çevre kirliliğine yol açmaz (Figür-1).
2.
Taşınabilir HES’ler nasıl çalışır?
Figür 1. Akarsudaki bir taşınabilir HES
Taşınabilir bir HES elektrik enerjisini aynı bir bisiklet dinamosunda olduğu gibi hareket
enerjisinden üretir. (Figür-2). Taşınabilir HES’in dışında olan pervane kanatlarına su çarpar
ve yapı dönmeye yani harekete başlar ve enerji üretimi başlar.
10
Taşınabilir HES döndükçe, bir mıknatıs yumuşak bir demir merkezi içinde dönmeye başlar ki
bu demir merkezi bobin dolanımını barındırır. Mıknatısın yumuşak demir merkezi içinde
dönmesi bobin içinde indüklenmiş elektrik akımına yol açar.
Figür 2. dinamo – önerilen taşınabilir HES’in prototipi ve en basit hali
Taşınabilir HES su yüzeyinde yüzer ve bir bağlantı parçası ile kaçıp gitmesi engelenir.
Pervane kanatları taşınabilir HES’in hem dönmesini hem de akarsuda en hızlı akışın olduğu
yerde olmasını sağlar. Akış miktarının fazla olduğu bir nehirde HES’e daha fazla bağlantı
kablosu takılabilir çünkü kaçıp akıntıya kapılması muhtemeldir. Tahminlerimize göre yarım
metre pervane kanadı olan ve toplada 1.8 metreye yaklaşan yarıçapta bir taşınabilir HES
saatte 2.5 kilowatt enerji üretebilir ki bu 25 tane 100 wattlık ampülü çok rahat yakabilir.
Figure 3. Taşınabilir HES’in ayrıntılı iç görünümü
11
3. Araştırma programı özeti
Bu projeye başlamanın en iyi yolu deneysel taşınabilir bir HES prototipi oluşturmak ve bunu
önce laboratuarda sonra da yakın bir akarsuda denemektir. Bu aşamada Çevre Mühendisliği
Bölümü’nden uzman fikrine başvurabilirsiniz.
Bu araştırma programının temel amacı deneysel bir araştırma yaparak küçük ölçekli
taşınabilir bir HES protipi kurgulamak ve bunu hayata geçirmektir. Böylelikle model ilerleyen
zamanlarda daha da geliştirilebilecek ve tam güçle çalışan ve ticari bir sürümü
oluşturulabilecektir. Bu süreçte şu tip araştırmalar yapmak gerekir:
1. Taşınabilir HES jeneratöründen en fazla enerjiyi elde etmek için şu değişkenleri
deneysel olarak kontrol edin:
-
Bobinin dönme sayısı
manyetik alan şiddeti/gücü
bobin yüzey alanı
HES’in bütün olarak dönme hızı
Bunları deneyin – özellikle
birinci ve sonuncuyu
2. Taşınabilir HES’in dönme hızını deneysel olarak incelemek için aşağıdaki faktörleri
göz önünde bulundurunuz:
-
Pervane kanadı sayısı
Pervane kanadı büyüklüğü
Pervane kanadı şekli
Zamanınız varsa mutlaka
bunları da deneyin – sen bu
değişkenlere bağlı olarak HES’in
hızındaki değişimler hakkında
yorumlar yapabilirisin.
Eğer projeden çıkacak olan prototip daha büyük
ölçekli taşınabilir HES’lerin yapımı için ön ayak
oluşturup, diğer araştırmacıları da teşvik ederse ve
ticarileştirilebilirse araştırıma komitesi üyeleri
başarılı sayılacaktır ve ödüllendirilecektir.