Science Day 2014: Alternative Sources of Energy

                 Science  Day  2014:  Alternative  Sources  of  Energy     “Expand  students’  minds  though  applied   science”   4  Parts     1. ...
Author: Peter Gilbert
3 downloads 0 Views 5MB Size
 

               Science  Day  2014:  Alternative  Sources  of  Energy     “Expand  students’  minds  though  applied   science”   4  Parts     1. 2. 3. 4. •

Wind  Energy   Solar  Energy   Biomass  Energy   Hydroelectric  Energy   Everything  the  student  builds  is  theirs  to   keep  and  take  home.  

Philosophy:  a  child’s  education  is  a  colaboration   between  the  parents,  teachers  and  student.    Science   projects  are  a  great  way  to  involve  parents  and  this   is  encouraged.    Have  fun  learning  together.  

 

When:  Wednesday,  April  30th,  2014.   Schedule:   8:45  to  9:00    Arrive  and  registration   9:00  to  9:05    Science  Day  Introduction   9:05  to  10:30  Wind  Energy:  test  Wind  Power     10:30  to  11:15  set  up  Solar  Energy  :  set  up.   11:15  to  12:00  Solar  Energy:  test  for  fastest  car             12:00  to  12:45      Lunch  break  heated  with  Biomass   Energy    

12:45  to  2:00  Hydroelectric  Energy:  build   hydroelectric  power  station   2:00  to  2:30  Hydroelectric  Energy:  test  most  powerful  hydroelectric  power  station   2:30  to  3:00    Prizes*       Prizes  (from  Zerotoys.com)  presented  at  2:30  pm.      

 

1  

  Table  of  Contents     Location/Map  ……………………………………………………………………………………  

p.  3  

  Introduction  ………………………………………………………………………………………  

p.  4  

  1.  Wind  Energy  …………………………………………………………………………………..  

p.  6  

 

p.  7  

Experiment  1:  Wind  Turbine  ……………………………………………………  

2.  Solar  Energy  …………………………………………………………………………………..  

p.  11  

 

Experiment  2:  Solar  Car  …………………………………………………………..  

p.  13  

3.  Biomass  Energy  …………………………………………………………………………......  

p.  14  

 

Experiment  3:  Lunch  ……………………………………………………………….  

p.  14  

4.  Hydroelectric  Energy  ……………………………………………………………………..  

p.  15  

 

p.  17  

Experiment  4:  Design,  Build  and  Test  a  Pelton  Wheel  ……………….  

   

Just  a  joke.     Here  we   expect  lots  of   parent  help.  

 

 

2  

  Location:    Fraser  Valley  Distance  Education  School   46361  Yale  Road  East   Chilliwack,  B.C.  V2P  2P8      

Parking  

     

 

3  

  Introduction.   Your  alarm  goes  off.    You  turn  on  the  lights,  make  toast  and  throw  a  load  of  laundry   in  the  washing  machine.    At  school  and  work,  lights  and  equipment  is  turned  on.     When  you  go  home,  the  stove  and  TV  are  turned  on  and  you  throw  your  load  of   laundry  in  the  drier.    During  the  night  while  you  sleep,  your  cell  phone  is  charging,   the  refrigerator  is  keeping  food  cold,  the  furnace  is  warming  the  home  and  all  those   little  LEDs  and  circuitry  running  on  chargers,  TVs,  alarms  and  computers  are   drawing  energy.    You  take  it  for  granted.   Our  electrical  provider,  BC  Hydro  responds  to  the  these  constant  and  varying   electrical  loads  24  hours  a  day.    In  the  cold  of  winter,  many  people  use  electrical   space  heaters  and  in  the  summer,  many  people  use  air  conditioners.    BC  Hydro  has   to  balance  these  loads  with  their  electrical  capacity  which  peaks  in  the  spring  when   the  winter  snow  melts  and  wanes  in  the  summer-­‐to-­‐fall  dry  season.   BC,  prior  to  1993  always  had  excess  energy,  so  that  even  during  the  lowest  water   flows,  we  could  produce  enough  energy.    Since  1993,  growth  in  BC  electrical  energy   consumption  has  exceeded  our  growth  in  electrical  energy  production.    During  the   spring  melt,  we  export  electricity  (unfortunately  there  is  market  glut  then  so  prices   are  lower)    and  import  electricity  other  times  of  the  year  (when  prices  are  higher).     BC’s  consumption  has  increased  to  the  point  now,  we  are  a  net  importer  of   electricity.    Most  of  this  imported  energy  comes  from  Alberta.    More  than  90%  of   Alberta’s  electrity  is  generated  from  fossil  fuels,  the  vast  majority  of  which  is  coal.     The  result:  basically  every  new  electrical  load,  including  LED  TVs,    heat  pumps,  and   electric  cars,  is  being  powered  by  coal  to  some  degree.     Conclusion:  BC  needs  to  increase  production  of  electricity  from  renewable  and  clean   sources  of  energy.    We  will  explore  some  of  these.  

   

4  

 

 

    All  the  apparatuses  you  build  and  use  are  yours  to  keep.    This  would  be  the  wind   generator,  solar  car,  and  pelton  wheel.  

 

5  

 

1.  Wind    Energy     Wind  power  is  the  conversion  of  wind  energy  into  a  useful  form  of  energy,  such  as   using  wind  turbines  to  make  electrical  power,  windmills  for  mechanical  power,   windpumps  for  water  pumping  or  drainage,  and  sails  to  propel  ships.   Large  wind  farms  consist  of  hundreds  of  individual  wind  turbines  which  are   connected  to  the  electric  power  transmission  network.  In  BC  there  two  large   commercial  wind  farms:  Bear  Mountain  near  Dawson  Creek  and  Dokie  Ridge  west  of   Fort  St.  John.  Wind  power,  as  an  alternative  to  fossil  fuels,  is  plentiful,  renewable,   widely  distributed,  clean,  produces  no  greenhouse  gas  emissions  during  operation   and  uses  little  land.    The  effects  on  the  environment  are  generally  less  problematic   than  those  from  other  power  sources.  In  British  Columbia,  because  of  mountainous   and  often  remote  conditions,  the  levelized  cost  for  most  sites  is  9¢  to  15¢  per  kWh. As  of  2011,  Denmark  is  generating  more  than  a  quarter  of  its  electricity  from  wind.   BC  is  currently  capable  of  producing  2%  of  its  electricity  from  wind.    

                 

6  

  Experiment  1:  Wind  Turbine     Purpose:  design,  build  and  test  a  wind  turbine.    You  will  have  to  optimize  power  by   varying  diameter  of  rotor,  size  and  shape  of  blades  and  blade  pitch.       *You  build  this  at  home  with  materials  supplies  in  a  kit.   Materials  provided:     plywood  base  

hub  

tower  (long  dowel)  

blade  dowels  

generator  

flat  wood  for  blades  

nacelle  (generator  housing)  

glue,  sandpaper  

*Inspect  the  nacelle  inside  and  out  so  you  are  familiar  with  all  the  holes..               Materials  not  provided:     scissors  

nacelle  

blades  

base  

knife   tower  

saw  

blade   dowels  

clamp  or  clothes  pin   paint  

hub  

paint  brush tape  

generator  

zap  strap  

 

7  

  Procedure:  make  sure  you  only  complete   this  in  the  presence  of  a  parent  or  guardian   and  be  careful  with  any  sharp  tools.   1.  Gently  feed  the  wires  through  the   large  hole  in  the  nacelle  so  they  feed   out  the  smallest  hole  in  the  bottom.          

2.  Pull  the  wires  through  until  the   generator  is  a  few  cm  from  the  large   hole.         3.  Carefully  press  generator  all  the  way   until  it  is  seated.   nacelle  on  flipped  on  side  

   

 

bottom  view  of  nazelle  

          4.  Add  a  little  glue  in  the  ½”    hole  in  the   bottom  of  the  nazelle  for  the  tower.       Insert  the  tower  into  the  hole   5.  Add  a  little  glue  in  the  hole  in  the   base.    Insert  the  bottom  end  of  the   tower  in  the  base.    Rotate  the  nacelle  so   it  points  forward.    

 

 

8  

  6.  Build  blade-­‐spar  assemblies.    You  can   choose  either  to  have  2,  3,  4  or  6.    Shape   the  blades  and  glue  them  to  the  dowel   spars.    Glue  blades  to  flat  part  of  spar.     Use  clothespins  or  books  to  press  dowel   and  blade  together  for  glueing.   Things  to  keep  in  mind:   • blades  need  to  identical  =  same  length,   weight  and  shape   • blade  edge  should  be  sharp  to  “cut  the   air”  so  use  sand  paper  for  this.   • think  of  an  airplane:  the  more  you   emulate  (fancy  word  for  “copy”)  the   shape  of  a  wing  (curved  top  and   rounded-­‐tapered  edges,  the  more   efficient  your  blades  will  be.   • a  smooth  surface  with  high  gloss  paint   reduces  aerodynamic  drag  

 

  7.  Mount  completed  blade-­‐spar   assemblies  to  hub.    Make  sure  all   blades-­‐spar  assemblies  are  identical   before.         Loosen  of  the  screw  in  the  middle  of  hub   by  turning  the  knurled  knob.   Pull  the  two  halves  of  the  hub  apart.   Insert  the  blade  dowels.   It  is  easiest  if  you  do  this  on  the  table        

 

   

 

9  

  pitch   The  dowel  is  a  friction  fit  on  the  hub.    Make   sure  each  blade  is  tilted  (this  is  called  pitch)   the  same  angle.    If  it  is  too  flat  you  will  get   little  torque  (force  to  spin  hub)  and  it  is  too   angled,  the  hub  will  not  turn  fast.     On  modern  ships,  airplanes  and  wind   turbines,  they  variable  pitch  on  their   propellors.    The  pitch  is  steeper  when  the   ships  and  planes  are  accelerating  to  cruising   speed.    As  they  approach  cruising  speed  the   pitch  decreases  allowing  for  the  increased   velocity  of  water  or  air.  

 

  Test:  First  spin  the  blades  by  hand  so  check   for  balance.    Remove  a  small  amount  of   wood  from  the  heavy  side.    Test  wind   turbine  tests  at  home,  either  outside  in  the   wind  or  in  front  of  a  powerful  fan.    If  there   is  a  wobble  or  vibration,  make  adjustments.     Observations:  on  Science  Day,  we  will  place   your  wind  turbine  in  front  of  a  large  fan  and   place  an  electrical  load  with  a  multimeter.    The   wind  turbines  will  be  rated  by  electrical  energy   output  and  attention  to  detail  in  engineered   construction.    

    Points:     power  ranking  (1st  =  10  points,  2nd  =  9,  3rd=  8,  etc.)  …………...…   construction  quality  (blade  symmetry,  blade  shape,   smoothness,  paint,  wiring,  attention  to  detail,  etc.)    ………………

 

/10   /10  

10  

 

2.  Solar    Energy:  is  harnessed  two  ways,  as  radiant  heat  and  photovoltaics.         Radiant  Heat:    We  are  more  accustomed  to   radiant  heat  as  that  is  what  you  feel  on  your   skin  on  a  warm,  sunny  day.    Solar  radiation   in  when  short  wave  radiation  from  the  Sun   imparts  its  energy  onto  a  non-­‐reflective,   dark  surface.    Anyone  who  has  attempted  to   walk  barefoot  on  black  pavement  on  a  hot   summer  day  can  attest  to  the  immense  heat   potential.      

 

Relatively  inexpensive  to  build,  is  basically  a  flat  box  with  pipe  painted  black   covered  by  an  old  patio  door  glass.    A  pump  then  circulates  the  heat  water  to  a  heat   exchanger  on  the  hot  water  tank  or  a  large  insulated  storage  tank.              

 

Though  not  common  in  Canada,  except  for  the  odd  backyard  pool,  90%  of  the  homes   in  Cyprus  and  Israel  heat  their  water  and  homes  this  way.    

 

11  

  Photovoltaics  is  when  the  short  wave  radiation  from  the  Sun  is  absorbed  by  a  semi-­‐ conductors,  made  of  impure  silicon,  which  in  turn  knocks  electrons  loose.    This   movement  of  the  electrons  is  electricity.    From  1954  when  it  started  and  used   extensively  in  the  space  program  in  the  1960’s  and  1970’s,  it  common  on  low  power   consumers  such  as  calculators  and  yard  lights.    The  cost  of  the  silicon  photovoltaic   panels  (approximately  $1000/watt),  battery  storage  and  conversion  to  AC  current   (type  of  current  your  home)  with  an  inverter  prevents  wide  spread  use,  except  with   large  government  subsidization.                                      

 

How  does  photovoltaics  work?       Tiny  sub-­‐atomic  particles  from  sun  called  photons  break  up  the  negative-­‐positive   pairs.    The  electrons  (negative  particles)  move  in  to  fill  the  holes  (positive  particles)   creating  an  electric  field  in  the  p-­‐n  junction.    Some  electrons  are  knocked  out   towards  the  top  layer  and  into  metal  conductor  strips,  thus  generating  electricity.      

 

12  

  Experiment  2:  Solar  Car                  Car  number:  ______________   Purpose:  design,  build  and  test  a  solar  reflector.    You  will  have  to  optimize  power  by   varying  the  size,  shape  and  reflectivity  of  a  solar  reflector.    You  will  position  the   reflector  so  that  it  beams  its’  light  on  the  solar  panel  of  a  solar  car.    The  more  light   energy  the  car  receives  the  faster  it  goes.    It  is  sort  of  the  same  thing  when  I  was   your  age,  I  used  a  pocket  mirror  to  reflect  sunlight  in  my  older  sister’s  face  and  eyes   to  torment  her.    Of  course  I  immediately  stopped  when  she  threatened  to  break  my   fingers.    The  solar  power  on  my  sister’s  face  increased  her  energy  levels  of  inflicting   sibling  pain.   Materials  provided:     • paper   • tape   • coloured  felt  pens   • solar  car  (not  this  one,   this  one.)     • cardboard   • aluminum  foil   • hot  glue  gun   • glue   • scissors     Procedure:   1.  Get  your  materials  

 

2.  Try  your  car  out  and  see  how  fast  it  moves  as  is.    You  want  it  to  be  faster.   3.  Design  the  shape  of  your  reflector.     Preferably  you  want  a  very  slight  parabolic   shape  (curve  like  a  satelite  dish)  but  the   curve  has  to  be  much  less  since  your  focal   point  (solar  car  solar  panel)  is  going  to  be   much  farther  away  (approx.  3-­‐4  meters).  

   

13  

  4.  Carefully  cut  the  carboard  to  the  size  and  shape  you  want.    Use  tape  to  get  fasten  it   together.   5.  Cut  aluminum  foil  to  size.    Remember  to  keep  the  shiny  side  up,  glue  other  side   down.    Use  hot  glue  to  fasten  it  to  the  cardboard.       Ouch!!!  The  heat  from  the  hot  glue  will  travel  right  through  the  aluminum  foil  so  use   an  oven  mitt  to  puch  down  on  the  foil.   6.  Test  it.    Practice  shining  sunlight  on  your  solar  car  to  make  it  go  faster.    Fine  tune     your  reflector  and  position  for  maximum  speed.   7.  Make  this  car  your  own.     Use  paper  board,  felt  pens   and  tape  to  make  decals  to   say  this  is  your  car.    You   will  be  assigned  a  number   for  your  car.          

 

      Points:     race  ranking  (1st  =  10  points,  2nd  =  9  points,  etc.)  …………………….…..   solar  reflector  construction  quality  (symmetry,  strength,  image)  ...   race  car  decoration  …………………………………………………………………….    

/10   /5   /5  

           

14  

  3.  Biomass  Energy   A  biofuel  is  a  fuel  that  contains  energy  from  geologically  recent  carbon  fixation,   unlike  coal  or  oil  (mllions  of  years).  These  fuels  are  produced  from  living  organisms.   Examples  of  this  carbon  fixation  occur  in  plants  and  microalgae.  These  fuels  are   made  by  a  biomass  conversion  (biomass  refers  to  recently  living  organisms,  most   often  referring  to  plants  or  plant-­‐derived  materials).  This  biomass  can  be  converted   to  convenient  energy  containing  substances  in  three  different  ways:  thermal   conversion,  chemical  conversion,  and  biochemical  conversion.  

  Fuel  pellets  from  wood  (logs,  sawdust,  chip),  paper,  cardboard  and  straw.  

 

  Part  of  our  lunch  on  Science  Day  will  be  cooked  with   biofuel.       Experiment  3:  Eat  

 

15  

 

4.  Hydroelectric    Energy:     The  use  of  water  for  energy  has  been  used  for  centuries  ,  first  exployed  by  the   Romans  to  remove  water  from  flooding  mines.  

                         

 

   

 

16  

  Overtime  the  shape  of  the  water  wheel  improved.    The  vanes  on  the  water  wheel   became  spoon-­‐shaped  known  as  the  Knight  Wheel.      

    Lester  Pelton    working  as  a  millwright  and  carpenter  in  the  Californai  gold  fields   (1870s)  increased  the  efficiency  more  by  splitting  the  spoon  in  two  to  create  the   Pelton  Wheel.  A  decade  later  a  generator  was  added  and  hydroelectric  power  was   born.                

 

 

17  

  Experiment  4:  Design  and  Build  Pelton  Wheel   Purpose:  design,  build  and  test  a  pelton  wheel  for  hydroelectric  generation.    You  will   have  to  optimize  power  by  varying  diameter  of  pelton  wheel,  size/length  and   number  of    blades.   Materials  provided  for  build:   axle  

pelton  wheel  mount  frame  

spoons  for  buckets  

utility  knife  

wheel  for  one  ½  of  shaft  coupler  

cutting  board  

hot  glue  gun  

side  cutters

hot  glue  sticks   Materials  provided  for  testing:   water  tank  

drills  and  drill  bits  

pump  and  nozzle  

multimeter  and  electrical  load  

generator  and  other  ½  of  shaft   coupler  

splash  shield

Procedure:   1.  Decide  number  of  buckets   your  pelton  wheel  will  have  (ie.e   3,  4,  6,  etc.)    Centre  the  cork  on   the  marking  guide  on  the   template.    Then  mark  off  equally   spaced  lines  around  the   circumference  of  your  cork.        

          Turbine  marking   guide    

18  

    2.    Place  the  cork  wide-­‐end  down  on  a  cutting  board.    Use  the  utility  knife  to  cut   shallow  slits  on  the  lines  into  the  cork  where  the  spoons  will  be  inserted.    USE   CAUTION!   3.  Obtain  the  required  number  of  plastic  spooons.    Using  side  cutters,  cut  the  spoon   handles  leaving  about  a  1  cm  stem  on  the  bowl  of  the  spoon.   4.  Be  sure  your  glue  gun  is  warmed  up   and  that  you  have  a  glue  stick  or  two   handy.   5.  Insert  the  first  spoon  into  the  cork  slit.     Push  the  stem  of  the  spoon  to  a  depth  of  1   cm.   6.  Repeat  step  5  with  the  remaining   spoons.    Adjust  the  angle  and  depth  of  the   spoons  so  they  are  evenly  spaced  and  all  

 

project  from  the  cork  at  the  same  angle.   7.  Glue  each  spoon  into  place.    Best   results  are  if  you  temporarily  remove  a   spoon  fill  the  slit  with  glue  and  quickly  re-­‐ insert  it  to  its  original  position.    When  all   the  spoons  are  glued  in  place,  gob  glue   around  the  base  of  each  spoon  for  extra   measure.   8.  Press  the  dowel  shaft  (pointy  end)   through  the  hole  in  the  centre  of  the  cork.   Slide  the  dowel  so  about  ½  the  dowel  protrudes  on  either  side  of  the  cork.  

 

Complete  a  test  run.   Position  your  pelton  wheel  in  the  turbine  housing.    Make  sure  it  spins  freely.    Engage   generator  on  coupling.    Close  valve  from  pump.    Turn  on  pump.    Slowly  open  the   valve  and  ensure  water  spray  is  centred  on  the  middle  of  the  spoon  bowls  for   maximum  power.    The  brighter  the  bulb  (and  the  greater  the  voltage),  the  more   power  it  is  producing.   Points:     power  ranking  (1st  =  10  points,  2nd  =  9,  3rd=  8,  etc.)  …………...…   construction  quality  (wheel  symmetry,  attention  to  detail,  etc.)  ..  

/10   /10  

   

19  

Suggest Documents