รายงานการทดลองเรอง :พลงงานลมและวธการวดตางๆ

ชอผทดลองและเขยนรายงาน : ศภณฐ สงขเพชร

บทนำาเราคงทราบกนดแลววาในปจจบนพลงงานทมนษยนำามาใชใน

ชวตประจำาวนเพออำานวยความสะดวก มปรมาณนอยลงอยางมาก อทเชนพลงงานไฟฟา และนำ3ามน เปนตน นกวทยาศาสตรจงพยายามศกษาและคนหาพลงงานทดแทนทจะมานำามาผลตสงอำานวยความสะดวกเหลาน3 ซงพลงงานกเปนแหลงกำาเนดพลงงานทดแทนหนงทสะอาดและมการใชอยางแพรหลาย โดยพลงงานลมน3นเรมมความสำาคญมากข3นในการผลตไฟฟาใหกบประชากรทกำาลงเพมข3น พลงงานลมสามารถเปลยนเปนพลงงานไฟฟาเพอใชงานไดโดยการใชกงหนลม

การทดลองน3เราจะศกษาวธการวดความเรวลม และประสทธภาพในการเปลยนรปกำาลงลม โดยวธการวดความเรวลมมดวยกน 2 แบบ คอ การวดความเรวลมโดยใชอปกรณวดความเรวลมแบบลกปงปอง และ อปกรณวดความเรวลมแบบลวดรอนแบบใหกระแสไฟฟาคงท โดยในการวดความเรวลมท3งสองแบบ เราจะใชอโมงคลมซงมพดลมดดอากาศดดลมออกมาอกขางหนง โดยการทดลองน3จะเปนการวดความเรวลมแบบลามนาร

วธการทดลองกรณท 1 เราทำาการวดความเรวลมแบบลามนาร โดยเราจะใชอดมงคทมพดลมคอมพวเตอรเปนตวสรางลมดวยการดดลมออก และใชลกปงปองเปนตวทดสอบการวดดงรปท1

รปท 1 แสดงอปกรณการทดลองการหาความเรวลมโดยใชลกปงปอง

โดยทำาการแขวนลปปงปองไวทตำาแหนง 0 เซนตเมตร และจายกระแสไฟฟาเขาไปทำาใหลมดดออก โดยลมทดดออกจะสรางแรงตานอากาศและทำาใหลกปงปองเอยงเปนมม θ แรงตานอากาศน3จะเปนไปตามสมการ :

Fd=12CD ρA ABv

m [1](1)

เมอ Cd คอ สมประสทธแรงตานอากาศρA คอ ความหนาแนนของอากาศ ซงในการทดลองกำาหนดใหมคาเทากบ

1.2kg /m3

AB คอ พ3นทหนาตดของลกปงปอง

v คอ ความเรวของลมภายในอโมงคลม เราสามารถหาไดจากความถของการหมน ( f m) ของมอเตอรพดลมทเปนตวกำาเนดลม ซงจะไดสมการความสมพนธระหวางความเรวลมกบความถของมอเตอร คอ

v=0.0873 x f mm /s (2)m คอ เลขช3กำาลง

ทำาการบนทกคาความถทไดจากพดลมและระยะหางออกของลปปงปอง นำาขอมลทไดไปคำานวณหาคาสมประสทธแรงตานอากาศ Cd และหาคากำาลง m ทใชทำานายการเคลอนทของลมทแปรผนตามความเรวลมกำาลง m

กรณท 2 หาความเรวลมโดยใชเครองวดความเรวลมแบบลวดรอนทกระแสไฟฟาคงท

รปท2 แสดงอปกรณการทดลองการหาความเรวลมโดยใชเครองวดแบบลวดรอน

ทำาการทดลองโดยใชกลองวงจรอเลกทรอนกสททำาหนาทเปนแหลงจายกระแสคงทดงรปท2 ซงสามารถปรบคาความตานทานไดบนกลองสดำา โดยมสมการทใชในการทดลองน3คอ

V w ∙ Iw=(a+bvc)Aw

αR0(Rw−R0) (3)

โดยในข3นแรกเราจำาเปนตองวดเพอหาคา R0 ซงหาไดจากตอนทไมมลมพด (v=0 ms2

)

ซงสามารถเขยนสมการไดใหมเปน

V w

Iw=

R0k

(V ¿¿w ∙ Iw)+R0¿ (4)

ทำาการวดความเรวลมโดยใชความรอนกบลวด แลวบนทกความตางศกยตกครอม V w

และความถ f m เพอนำามาใชในการคำานวณหาคาคงท ba ,c ทสามารถหาไดจาก

สมการ(5) ทมาจากการปรบสมการท(3) ดงน3

lny=ln ba+clnv

(5)

ผลการทดลองและการอภปรายผล[A1]พจารณากอนลมทมความหนาแนนของมวลρA ซงไหลผานชองลมพ3นทหนาตด A

ดงสมการ

Pw=12ρA A0 v0

n (6)

เมอ Cd คอ สมประสทธแรงตานอากาศρA คอ ความหนาแนนของอากาศ ซงในการทดลองกำาหนดใหมคาเทากบ

1.2kg /m3

A0 คอ พ3นทหนาตดของลกปงปอง v0

n คอ ความเรวลมยกกำาลง n โดยเราสามารถหาคา n จากการวเคราะหหนวย (Dimension) ไดดงน3

Pw=kgm s2

=12ρA A0 v

n=12ρA A0 v

3

n=3

Typeequationhere .

รปท3 (a) กอนทรงกระบอกของลม (b) กงหนทดกการไหลของลม

[A2]พจารณารปท 3(a) ใหลมในสวนหลงกงหนมความเรวลดลงเปนคาแฟกเตอร

λ=v2v0

สามารถเขยนรปสมการใหมไดดงน3

PR=14ρA A0(v0+v2)(v0

2−v22) (7)

โดยสามารหาคา λ ทดทสดทจะทำาใหไดกำาลงลมทมคาสงสดไดดงน3

PR=12ρA A0

v03

2(1+ λ)(1−λ2)

d PR

d λ=0→1−2 λ−3 λ2=0→λ=1

3

[A3]Betz efficiency,C p=PR

Pw=

12ρA A0

v03

2(1+λ)(1− λ2)

12ρA A0v

3=1627

≈59.3%

ในการใชอปกรณอโมงคลม เราจะใชวงจรเซนเซอรแสงในการวดความถการหมนของมอเตอร เพอเปนการทดสอบการทำางานของตวเซนเซอรแสง เราไดทำาการหมนกงหนดวยมออยางชาๆ และพลอตกราฟแสดงคาความถจากตวเซนเซอรแสงกบเวลา(คาบ)

ผลจากการพลอตกราฟไดดงน3

[B1]

รปท4 แสดงความสมพนธของตวเซนเซอรแสงทเปนฟงกชนกบเวลา

ผลการพลอตกราฟ พบวากราฟมจดยอดอยทเวลาประมาณ 0.75T,1.75T,2.75T

หมายความวาตวเซนเซอรแสงเปนฟงกชนของเวลา

[B2]ηM=Pw

PM=

ρA A0vn

2 PM→PM=

ρA A0vn

2ηM

โดยอโมงคลมมเสนผานศนยกลางประมาณ 13.5 เซนตเมตร พ3นทหนาตดประมาณA0≈0.0143m

2

กรณท 1 หาความเรวลมโดยใชลกปงปอง

[C1] เราสามารถหาคาระยะทางทลกปงปองเลอนตำาแหนง(d) และสามารถหาความเรว(v)ไดจากความถของพดลม โดยการเขยนแผนภาพแรงเพอวเคราะหตวแปรไดดงรปขางลาง

รปท5 แสดงแผนภาพแรงTcosθ=W=mg (8)Tsinθ=Fd=

12Cd ρA A vm (9)

เอาสมการ (9) / (7) ; tanθ=

12Cd ρA A vm

mg

เนองจาก tanθ=dL=

12C d ρA Avm

mg

(10) V=

12Cd ρA AB v

m

mg=m√ 2mgd

Cd ρA AL

[C2]จากสมการ(10)ใส ln ท3งสองขางของสมการ จะได

ln ( dL )=ln( 12 Cd ρA AB

mg )+mlnv (11)

เมอ คาความเรงเนองจากแรงโนมถวงมคาเทากบ 9.81m /s2 เสนผานศนยกลางของลกปงปองมคาประมาณ 39.41mm พ3นทหนาตดของลกปงปองประมาณ 0.0012m2

มวลของลกปงปองประมาณ 2.2541g

รปท 6 แสดงความสมพนธระหวางความเรวและมมθ ในกราฟ ln&ln

เมอทำาการพลอตกราฟดงรปท6 ผลจากการฟตกราฟ พบวาไดคา m≈1.7 และไดคาสมประสทธแรงตานอากาศของวตถCd≈0.36

กรณท 2 หาความเรวลมโดยใชเครองวดความเรวลมแบบลวดรอนทกระแสไฟฟาคงท

พจารณาตอนทเรายงไมใหลมแกลวดรอน V=0m /s จากสมการ(3)

V w ∙ Iw=(a+bvc)Aw

αR0(Rw−R0)

จะได V w

Iw=

R0k

(V ¿¿w ∙ Iw)+R0¿ (12)

เมอ k=aAw

α

[D2.1] (13)

รปท7 แสดงความสมพนธระหวางV w

Iwและ V w ∙ Iw

เราทำาการบนทกคาความตางศกยตกครอม (V w) และคากระแสตกครอม (Iw) แลวทำาการพลอตกราฟตามสมการท(12) และฟตกราฟดงรปท7 ผลจากการฟตกราฟพบวา

ไดคา R0≈2.64ohm และไดคาk 0≈0.41 1ohm

รปท8 แสดงความสมพนธ ln(v) และ ln(y)

จากสมการท(3) V w ∙ Iw=(a+bvc)Aw

αR0(Rw−R0) เราสามารถจดรปใหอยในสมการท(5)

lny=ln ba+clnv โดยเมอแกสมการออกมาแลวจะได

y=V w IwR0

k (V w

Iw−R0)

−1 และเมอ

ทำาการฟตกราฟดงรปท8 ผลการฟตกราฟไดคา c ≈1.1 และไดคา ba ≈6.05

สรปผลการทดลอง

จากการทดลองการศกษาพลงงานลมและวธการวดตางๆ คณะทดลองพบวาเมอทำาการทดลองการวดความเรวลมโดยใชอปกรณอโมงคลม พบวาสามารถหาคาเลขช3กำาลง m≈1.7 และไดคาสมประสทธแรงตานอากาศของวตถCd≈0.36 (คาสากลประมาณ 0.4-0.5) สำาหรบคา m น3น สามารถนำาไปคำานวณหา n ทอยในสมการ Pw=

12ρA A0 v0

n ไดคา n≈2 .7 (คาจรง n=3) ในขณะเดยวกน การวดความเรวลมโดยใชเครองวดแบบลวดรอน

สามารถหาคา c และ ba ทอยในสมการ V w ∙ Iw=(a+bvc)Aw

αR0(Rw−R0) พบวาไดคา

c ≈1.1 และไดคา ba ≈6.05

เอกสารอางอง

[1] Exp2_windspeed_measurement