Energijos generatoriaus tyrimai ir jų integravimas į ugdymo procesą

(in English : https://matutis.eu/2789-2/)

ENERGY GENERATOR PROTOTYPES DEVELOPMENT AND THESE RESEARCH INTEGRATION INTO THE EDUCATIONAL PROCESS

Matutis Vaidotas1, Savulioniene Loreta2, Sakalys Paulius3, Kasperavicius Tomas4

Faculty of Electronics and Informatics, Vilniaus Kolegija University of Applied Sciences, Vilnius, Lithuania1,2,3,4

 Abstract.

The paper presents the preconditions for improving the quality of technical training of engineers by integrating experimental research based on patented technology into the power supply circuits of autonomous robotic systems to improve power consumption and regeneration rate, ensuring longer autonomous robot operation. Not only the topics of arousal of curiosity in researching technical nuances are discussed, but also the promotion of motivation to delve into the study subjects envisaged in the curriculum and their integral understanding by examining the interrelationships. After-school activities are discussed: participation in the research, analysis of the research methodology, preparation of the layout for research and measurements; and the impact of these activities on the overall educational process. Suggestions for the integration of research results into the practical educational process of students are presented.

Keywords: robotic system, electricity generator, regeneration, integration

             Įvadas

Šiame straipsnyje pristatomos prielaidos gerinti ugdymo procesą ruošiant inžinerinių specialybių studentus remiasi dviem teiginiais kurie gali būti aprašomi tokiu būdu. Pirmasis: kiekvieną žmogų laikyk brangakmenių kasykla ir tik ugdymo procesas gali padėti šiems brangakmeniams išvysti dienos šviesą. Antrasis: vaikai mažai dėmesio kreipia į tai ką jiems sako suaugusieji, o mokosi iš pavyzdžių kuriuos mato savo akiratyje. Žinoma, studentai – jau nebe vaikai, tad antrasis teiginys turėtų būti truputį transformuotas kombinuojant rodomo pavyzdžio akcentus su verbaliniu veiklos motyvų paaiškinimu. Šiuo atveju akcentuojamas bendravimas bei bendradarbiavimas. Savo knygoje „kaip menas moko matyti“ John Berger, kaip tik ir remiasi šiuo principu. Jis rašo:

  • „Matymas pirmiau už žodžius. Dar nemokėdamas kalbėti vaikas žiūri ir atpažįsta. Matymas pirmiau už žodžius ir kita prasme. Būtent jis įsteigia mūsų buvimo vietą pasaulyje. Aiškiname jį žodžiais, bet šie niekada nepanaikins pirmesnio fakto, kad jis mus supa ir mes tai matome. Santykis tarp to, ką matome, ir to, ką žinome, niekada galutinai nenustatomas. Kas vakarą matome leidžiantis saulę. Užtat žinome, kad iš tiesų Žemė nusisuka nuo Saulės. Bet šis žinojimas, šis paaiškinimas niekada galutinai nesutampa su matomu reginiu…“ (John Berger, 2019)1

 

Šių principų praktinio taikymo aspektai plačiai aptarinėjami tarptautinio projekto ataskaitoje pateiktoje knygos pavidalu pavadintoje „100 būdų pagerinti dėstymą: dėstytojo knyga į studentą orientuotas mokymas ir mokymasis“. Čia tai pristatoma kaip integruotas projektinis darbas arba projektinis mokymasis.

„Projektinis mokymasis (PBL) yra atgalinio projektavimo procesas, kurio metu mokytojas pradeda galvodamas apie pabaigą (Bayer, L., Hallerman, S., 2013). Tai mokymo modelis, įtraukiantis studentus į įtikinamų problemų, kurios baigiasi autentiškais produktais, tyrimus (Zafirov, 2013). „Buck Institute for Education“ (BIE) į standartus orientuotą PBL apibrėžia kaip sistemingą mokymo metodą, įtraukiantį studentus į žinių ir įgūdžių ugdymą per išplėstinį tyrimo procesą, suskirstytą į sudėtingus, autentiškus klausimus ir kruopščiai parengtus produktus bei užduotis. BIE savo vaizdo įraše „PBL Explained“ paaiškina, kad sutelkdami mokinius į projektą, mokytojai nukreipia juos į kelią, kuris gilina jų žinias ir ugdo įgūdžius, kurių jiems reikia ateičiai (BIE, 2010). Jie toliau skaido probleminio mokymosi metu įgytus įgūdžius kaip bendradarbiavimą, klausimų kėlimą, grįžtamąjį ryšį, tyrimą, pristatymą ir kritinį mąstymą (BIE, 2010).“  (TechPLC: RSA #2: Project Based Learning (tqptechplc.blogspot.com) )2

Pristatomame atvejyje tyrimų veikla nėra tiesiogiai integruota į numatytą mokymo programą ir net nėra kaip tiesioginio ugdymo projektas ar jo dalis, tačiau glaudžiai susieta su studijuojamais dalykais tiek įgyjamų teorinių žinių, tiek praktinių įgūdžių prasme. Tai daugiau popamokinės papildomos veiklos projektas kuris remiasi savanoriškumo bei suinteresuotumo principais iš studentų pusės, nors orientuotas būtent į studentus, jų kompetencijų ugdymą, motyvacijos skatinimą, profesinių įgūdžių formavimą.

Pats tyrimų projektas bei jo objektas remiasi patentuota technologija, tyrinėjant jos pritaikomumą autonominių robotizuotų sistemų maitinimo grandinėse (V.Matutis ir kiti; 2021)8 . Taigi pirminiame etape kalbama apie elektros generatoriaus konstravimo bei tyrimo procesus kur numatomas praktinis galimas taikymas elektromobiliams, nes tai taip pat savotiška autonominė robotinė sistema.

            Bendroji dėstomoji dalis, tyrimų motyvai.

Projekto idėja buvo subrandinta dar priešpandeminiu laikotarpiu ir pagal galimybes vystoma paraleliai atliekant patentavimo procesus. Savo straipsnyje, „Research of power generator prototype development and integration into autonomous robotic systems“ pristatytame 2021 metais (V.Matutis ir kiti; 2021)8, kaip tik ir aptarėme šio projekto eigą esant pandeminiams apribojimams. Kontaktinio darbo stoka tokių projektų eigai yra stabdanti ir lėtinanti visokeriopo progreso tempą, bet ne griaunanti, tad ir šiuo nelengvu laikotarpiu darbai judėjo.

Projektas vystomas kaip tyrimai grįsti išradimu kuris yra susijęs su vėjo (oro srauto) energijos transformavimu į elektros energiją. Tai yra natūralus, nuolat atsinaujinantis mus supančios aplinkos energijos šaltinis, nekenksmingas aplinkai bei ją tausojantis. Pats procesas neatneša į aplinką jokių kenksmingų medžiagų. Tačiau norint pasiekti praktinę naudą teikiantį efektyvumą reikalingas kompleksinis požiūris, nes čia apsijungia mechanika, elektromechanika, elektronika, bei dar keletas specifinių praktinės fizikos sričių. Analogiškų idėjų nagrinėjimas parodė, kad daugelis jų nepasiekia praktiniam taikymui reikalingo naudingumo koeficiento, nes kažkuriame etape nuostoliai išauga labiau negu tikėtasi ir galimas naudingumo koeficientas tampa neigiamas (kas reiškia nuostolius).

Oro srauto energijos panaudojimas tyrinėjamas vėjo jėgainių praktinio taikymo studijose, kur stengiamasi maksimaliai išnaudoti oro srauto kinetinę energiją. Šio aspekto praktinį tyrimą ir buvo nutarta vystyti pirmajame etape. Šio etapo esminiu klausimu tapo poreikis nustatyti koks sparnelių skaičius pasirinktai vėjo turbinai būtų efektyviausias. Pasirinkta turbinos geometrinė konstrukcija ( Pav. 1) pati paprasčiausia ir mažiausiai reikli aplinkos poveikiui. Sparnelių konstrukcija irgi paprasta, tačiau užtikrinanti teigiamą naudingumo koeficientą mechaniniu požiūriu dėl atitinkamo jėgos pečių santykio.

Pav. 1 Pasirinkta turbinos geometrija vėjo tunelio simuliacijoje.

Simuliacijoms buvo naudojama „Autodesk® CFD“7 programinė įranga paverčianti 3D CAD darbo vietą visiškai interaktyviu skysčių ir dujų tyrimo stendu, terminio bandymo įrenginiu arba vėjo tuneliu. 3D maketai tampa interaktyviais, be jokių sąnaudų prototipams, atskleidžiančiais kritinę inžinerijos informaciją, kurios sunku gauti atliekant fizinius bandymus. Pakeiskite modelio dizainą ir iškart pamatysime tą patį pakeitimą „Autodesk® CFD“. Ši programinė įranga buvo naudojama kombinuojant ją su „Autodesk Fusion 360”6, kuri yra 3D ir 2D modeliavimo programinė įrangą, turinti ganėtinai vartotojui draugišką aplinką, leidžiančią be didelių iššūkių patogiai ja naudotis. Tai galinga programa leidžianti kurti sudėtingus ir kompleksiškai didelius maketus.

Šiame etape pasirinktų tyrimų esmė yra mechanikos tyrimai. Tai lyg ir neturi tiesioginio sąryšio su elektronikos ar kompiuterių sistemų inžinierių būsimu darbu. Čia reikėtų paminėti, kad šio etapo tyrimai apima keletą sričių, tokių kaip simuliacija arba kompiuterinis modeliavimas; laboratoriniai tyrimai apimantys maketo projektavimą (kompiuterinis maketavimas), maketo bei jo detalių spausdinimą 3D spausdintuvais (praktinis taikomųjų programų panaudojimas); laboratoriniai tyrimai arba konkretūs matavimai laboratorinėmis sąlygomis; o taip pat matavimai su tuo pačiu maketo stendu lauko sąlygomis. Tokiu būdu būsimiems inžinieriams dalyvaujantiems projektinėje veikloje vienu ar kitu aspektu ugdomi praktiniai tyrimų ir platesnio pažinimo įgūdžiai.

            Eksperimentinė dalis, tyrimų aprašymas.

Kiekvienas etapas prasideda aptarimu. Aptarimo tikslas pasidalinti turima informacija, susiformuluoti užduotis , susidaryti esamos situacijos vaizdą, susiplanuoti tolimesnius žingsnius bei artimiausius darbus. Šiame etape svarbų vaidmenį vaidina aptariamos problemos vizualizacija. Tai ryškiai išsiskiria pradėjus aptarinėti koks pirminis maketo modelis reikalingas. Čia vizualizacija yra labai intuityvi. Projekto eigoje ši aptarimo etapo vizualizacijos dalis taip ir išlieka intuityvi, nors jau remiasi pradine įsivaizdavimui naudojama informacija sukaupta projekto eigoje.

Tai būtų galima iliustruoti šiais pavyzdžiais iš realių situacijų projekto eigoje (Pav. 2).

Bet kokia nauja detalė savo formą ir vaizdą pirmiausia įgyja mūsų vaizduotėje. Keičiasi tik pradinės sąlygos ribojančios mūsų vaizduotės laisvės laipsnius. Tos pradinės sąlygos yra įrėminamos ir griežtinamos priklausomai nuo jau sukauptos informacijos projekto eigoje.

Taigi pirmiausia vaizdinys, po to bandymas jį aprašyti žodžiais, pernešti ant popieriaus ir čia jau naudojamos įvairios priemonės nuo paprasto pieštuko pereinant prie kompiuterinio braižymo bei projektavimo… Tada 3D spausdintuvo pagalba vaizdinys tampa realia detale (Pav. 3). Taip studentai įgyja įgūdžius reikalingus bet kokiame inžineriniame darbe. Šiuos įgūdžius galima pavadinti vizualizacija-realizacija. Šis etapas projekto eigoje kartojasi daug kartų.

Šio projekto specifika tai apimtys ir ilgalaikiškumas, todėl jame dalyvaujančių studentų kaita yra natūrali. Absolventai palieka projektą, o naujai pradėję studijas įsilieja į tyrimų kolektyvą projekto eigoje. Šiuo metu kaip tik vyksta papildymo formavimas.

Kitas natūralus šio projekto eigai etapas yra 3D spausdinimas, suteikiantis studentams teorinių žinių bei praktinių įgūdžių įsisavinat taikomąsias programines priemones projektavimui bei paruošimui 3D spaudai. Pačio 3D spausdintuvo, kaip įrenginio, eksploatacijos teorinių žinių bei įgūdžių įgijimas. Kai 3D spausdintuvas dirba keletą parų ( Pav. 4) spausdindamas reikiamą detalę, labai svarbu optimaliai parinkti jo nustatymų parametrus, o tam vien tik teorinių žinių nepakanka, reikalingi praktiniai įgūdžiai. Visa tai labai praverčia pereinat net prie kitų modelių eksploatacijos.

Glaudžiai bendradarbiaujant studentams ir dėstytojams, buvo sukurtas pradinis maketas skirtas kirtinių verčių matavimams. Pirminis iškeltas tikslas pamatuoti kaip tokios konstrukcijos turbinoje perimamos iš oro srauto energijos kiekis priklauso nuo sparnuotės sparnelių skaičiaus (Pav. 5).

Matavimai buvo atliekami keičiant sparnuotes tame pačiame maketo korpuse kaip ir parodyta Pav. 5. Pats energijos kiekis matuojamas tiesiogiai nebuvo, o jo vertinimui buvo pasirinkta matuoti sparnuotės apsisukimų skaičių per tam tikrą laiko vienetą.

Kritinių verčių matavimams, po kompiuterinės oro srauto simuliacijos, buvo pasirinkta tokia maketo geometrija (Pav. 6).

Makete oro srauto įėjimo angos aukštis buvo parinktas lygus tik pusei sparnuotės sparnelių ilgio. Tokiu būdu išmatavus oro srauto greitį reikalingą sparnuotei prasukti (išjudinti) mes rasime kritines vertes ir galėsime tobulinti turbinos konstrukciją keldami jos naudingumo koeficientą.

Tokia tyrimų eiga, kai studentai dalyvauja nuo idėjų aptarimo, įnešdami svarstymams ir savo pasiūlymus, iki pat atitinkamo maketo gamybos ir surinkimo bei derinimo, leidžia jiems įsisąmoninti ir suprasti praktinių įgūdžių bei teorijos ir eksperimentų tarpusavio sąsajas.

            Matavimų rezultatai, apibendrinimas.

Toliau pereiname prie eksperimentinių matavimų. Laboratorijos sąlygomis buvo sumontuotas stendas su pastoviu oro srautu kuriame turbinos maketas irgi buvo įmontuojamas toje pačioje vietoje. Tokiu būdu sudaromos sąlygos atlikti matavimus esant toms pačioms aplinkos sąlygom ir keičiant turbinos sparnuotės sparnelių skaičių.

Maketas laboratoriniams matavimams matomas Pav. 7. Kaip matome sumontuoti du areometrai matuojantys įeinančio oro srauto greitį ir išeinančio oro srauto greitį.

Tachometras pritvirtintas taip, kad juo galima būtų pamatuoti besisukančios sparnuotės apsisukimų skaičių per minutę. Prietaisų parodymų stebėjimui sumontuota videokamera prijungta prie kompiuterio suteikia galimybę matavimų procesui įrašyti. Tai patogu gautų duomenų analizei bei rezultatų palyginimui.

Laboratorinėmis sąlygomis atliekamų matavimų eigos iliustraciją matome Pav. 8.

Kaip matome stengiantis išlaikyti tas pačias aplinkos sąlygas: pastovų oro srautą, fiksuotą maketo vietą, fiksuotą matavimo prietaisų poziciją ir t.t.; keičiame tik sparnuotės sparnelių skaičių. Gauti rezultatai atvaizduoti Pav. 9. kaip sparnuotės apsisukimų skaičiaus priklausomybė nuo sparnelių skaičiaus.

 

Iš matavimų rezultatų grafiko matome: didėjant sparnelių skaičiui sparnuotės apsisukimų skaičius per tą patį laiko periodą mažėja. Galime daryti išvadą, kad didinant sparnelių skaičių oro srauto energijos įsisavinimas negerėja. Šių matavimų metu taip pat buvo stebimas ir oro srauto greičio pokyti, matuojant oro srauto greitį prieš maketą ir už jo. Nors tai nebuvo mūsų pirminiai matavimai, tačiau reikalingi analizuojant galimybes gerinti turbinos naudingumo koeficientą.

Maksimalus idealios sparnuotės galios koeficientas lygus 0,593 ir susidaro tokiomis sąlygomis, kai oro srauto greitis už sparnuotės pristabdomas santykiu 2/3 lyginant su oro srauto greičiu prieš sparnuotę (maketą). Šį dėsnį 1919 m. suformulavo ir įrodė vokiečių mokslininkas Albertas Betzas. A. Betzas publikavo savo studijos rezultatus 1920 m. straipsnyje „Das Maximum der theoretisch möglichen Ausnützung des Windes durch Windmotoren“ („Teorinė maksimaliai vėjo energiją naudojančios vėjo jėgainės galios riba“), ir nuo to laiko A. Betzo dėsnis nėra pakeistas ar įrodytas kitaip. A. Betzo dėsniu apibrėžiamas tam tikro darbinio taško energijos transformavimo maksimumas.

Mūsų matavimų rezultatai, nors netiesiogiai, taip pat patvirtino šį dėsnį.

Greitis v yra pagrindinė charakteristika oro srauto (vėjo) energetikos analizei. Oro masės, t. y. vėjo srauto judėjimo kinetinė energija E, remiantis klasikinės mechanikos teorija (Augulis ir kt., 2012)4, išreiškiama taip:


 (1)

čia: v – vėjo greitis, m/s; m – oro masė, kg.

Galutiniame rezultate, atsižvelgiant į oro srauto greičio skirtumą prieš maketą ir už jo, gauname, kad oro srauto galia tiesiogiai proporcinga jo greičio kubui (Mukund, 2006)3.

Tai reiškia, kad suradus kritinius šios turbinos veiklos taškus, naudingumo koeficiento gerinimui turime dar labai daug galimybių.

Toliau matavimai ir eksperimentai buvo perkelti į realią aplinką. Tas pats maketas buvo sumontuotas ant automobilio stogo (Pav. 10).

Šiuo atveju kritinis prasukimui reikalingas oro srauto greitis gavosi apie 100 km/h. Jis sutampa su automobilio greičiu. Praeinančio oro srauto greitis krenta dešimt kartų. Tai rodo jog tokia turbina nėra pakankamai efektyvi kaip ir joje naudojama 12 sparnelių sparnuotė. Tačiau gali būti tobulinama keliant jos naudingumo koeficientą atsižvelgiant į kitus laboratorinius matavimus. Tuo labiau, kad eksperimentai su kitomis sparnuotėmis lauko sąlygomis šiame etape dar nebuvo atlikti.

Reikia paminėti, kad organizuojami praktiniai matavimai kėlė pagystas diskusijas prognozuojant galimus rezultatus, teik aptariant teorines prielaidas, tiek pasitelkiant intuityvius argumentus. Dalyvavimas šiuose procesuose studentams suteikia galimybę ugdytis perspektyvų planavimo įgūdžius. Leidžia akivaizdžiai suprasti teorijos ir eksperimentų sąryšius.

Išvados, pasiūlymai.

Pristatytas papildomos praktinės veiklos modelis, integruotas projektinis darbas arba projektinis mokymasis orientuotas į studentą. Šio projekto eigoje betarpiškai bendraujant su studentais dalijantis mintimis ir įspūdžiais platesniu mastu aiškiai jaučiamas tokios veiklos poveikis jų suinteresuotumui mokytis ir įgyti praktinių įgūdžių. Todėl šis projektas pristatomas kaip kuriantis prielaidas gerinti ruošiamų inžinierių techninio rengimo kokybę. Projekto techninė platforma taip pat pagrįsta visuomenei naudingo rezultato siekiu kas jį daro socialiai aktualiu. Kaip menas moko matyti, taip tokio tipo projektinė veikla būsimiems specialistams padeda suprasti jų pačių socialinį vaidmenį ir integracijos į visuomenę būtinumą. Tokios veiklos egzistavimas šalia pagrindinės mokymo programos padeda ugdymo procesui plėstis tuo pačiu įgyjant būtinųjų profesinių įgūdžių bei kompetencijų.

Literatūros sąrašas: