1102 "Vannenergi"

"Vannenergi"

Ungdommene skal bruke vannkraft til å trekke en gjenstand oppover en bakke. Noe utstyr blir utlevert, resten må ungdommene finne i naturen. Dette er utformet som en konkurranse der vi både fokuserer på hastighet og tyngde.

Modulen er pilotert ved Bjørnevasshytta 29.09.2009, og modifisert i etterkant

Aktiviteter:
1.Introduksjon av dagens oppgave
2.Inndeling i grupper
3.Gruppene får oppgavetekster (se vedlegg), og lager ”prosjektskisse”.
4.Prosjektskissen/ideene godkjennes før ungdommen setter igang ute
5.Ved hjelp av utlevert utstyr skal gruppene velge egnet område i elva, demme opp   
   elveområdet og bygge det vannhjulet som kan trekke; a) tyngst og b) hurtigst.
6. Konkurransen avslører det beste ”mini-kraftverket”
7. Dagen oppsummeres med premiering og evaluering av alle gruppenes arbeid (hva gjorde at
   vannmøllene fungerte bra eller dårlig, hva kunne vært gjort annerledes og hvorfor).
______________________________________________________________

09.00: Introduksjon til dagens aktivitet: - deler i grupper (4-5 pr. gruppe, avhengig av antall deltagere) - gruppene får utdelt et laminert ark med noe teori om vannkraft på den ene siden og oppgavebeskrivelse på ”mini-vannkraftverk” på den andre. Kanskje er det lurt å lese litt på teoridelen før man går i gang med aktiviteten? Gruppene går i gang med å diskutere og planlegge hvordan de vil gå fram med oppgaven. De skal lage ei skisse over hvordan de vil bygge vannkraftverket.

 09.45: Gruppene viser skissene til ansvarlige/lærere før de går ut, for å kontrollere at planene lar seg gjennomføre. Ødeleggende avvik kan også fanges opp mens man går rundt blant gruppene under deres arbeid med planen. Det er viktig at det er satt tydelige grenser for hvor mye hjelp som skal gis, slik at det ikke blir en skjevfordeling av nyttig informasjon blant gruppene.

10.15: Avmarsj til stedet der modulen skal gjennomføres

10.30: Gruppene får utdelt utstyr, går i gang med å lete etter brukbare gjenstander i naturen og setter deretter sammen konstruksjonen etter skissene de har laget. Gruppene velger plass i bekken der de kan bygge demning og vannhjulene. Informer om tidspunkt for lunch.

12.00: Lunsj ute (ved regn: i lavvo med bål)

13:00 Gruppene fortsetter arbeidet

14:30: To konkurranser der gruppene bruker sine mini-kraftverk til å trekke et nett med steiner opp skråningen ved bekken ved bruk av vannhjulet og et tau. (like tungt for alle gruppene.) Steinene trekkes oppover i ei takrenne (like lange hos alle gruppene) Takrenne blir brukt for at alle gruppene skal få likest mulig friksjon i trekket . Konkurranse nr.1 går ut på å trekke nettet med steiner opp til vannhjulet raskest mulig. Konkurranse nr. 2 går ut på å trekke tyngst mulig nett oppover (et nett som kan fylles med flere og flere steiner ettersom hvor mye som kan trekkes med kraften fra vannhjulet.). Alle er med når de ulike ”kraftverkene” evalueres.

15:00 Oppsummering og premiering. Rydding; husk sporfri ferdsel.

16: 00 Avreise/avslutning

4.1 Faglig tema
Design, konstruksjon, energi, krefter, bruk av naturressurser, fart, tyngde, friksjon

4.2 Faglig bakgrunnsinformasjon -for aktiviteten(e) og åpne spørsmål
- Hvordan kan vi bruke energien i vann til å bevege en gjenstand? - Hvordan kan vi lagre vann slik at det kan utnyttes når vi trenger det? - Hvordan er det best å konstruere (og plassere) vannhjulet med tanke på hastighet til gjenstand kontra tyngde av gjenstanden som skal flyttes?

Vannenergi
Energi er evnen til å utføre arbeid. Det er altså det som må til for at ting skal skje – at noe forandrer seg eller flytter på seg, endrer temperatur, påvirker eller blir påvirket av noe annet. Denne energien blir ikke brukt opp eller ødelagt, den bare omdannes fra én form til en annen. Noen ganger skjer dette ved at det gjøres et arbeid eller ved at det frigjøres varme. Ved friksjon ”tapes” noe energi til varme, altså er ikke effekten 100 %. Enkelt sagt fins det to former for energi; potensiell energi og kinetisk energi(bevegelsesenergi). Vannenergi er energi fra vann i bevegelse, og denne energien kan vi utnytte til å utføre arbeid.

Enheten for arbeid og energi er joule (j).

Formelen for kinetisk energi er Ek = ½ * m * v2 , der m er massen i kg og v er farten i m/s.

 Vannkraft kan sies å være kunsten å utvinne arbeidskraft fra vannstrømmer. I vår tid vil dette generelt gjelde vannturbiner som settes i gang av vann i høy fart og trykk, men opp gjennom historien har bruksområdene vært mange, f.eks kverning av korn og tilvirking av tømmer. I mange land brukes vannkraft til å produsere elektrisk strøm. Teknisk sett foregår denne energioverføringen slik: Fall-energi transformeres til roterende energi gjennom en vannturbin. Vannturbinens aksling koples til en generator som produserer elektrisk strøm ved å utnytte elektromagnetisk induksjon.

Elektromagnetisk induksjon går ut på at det oppstår en indusert strøm pga. variasjoner i et magnetfeltet. Dette skjer ved at en elektrisk leder og en magnet, som begge er bestanddeler i en generator, forskyves kontinuerlig i forhold til hverandre. Det kan her være snakk om en eller flere av både ledere og magneter, og lederne er vanligvis utformet som spoler med mange viklinger for å generere en indusert strøm i spolen. Generatoren får tilført mekanisk energi fra turbinen (”vannhjulet”) gjennom akslingen.

 Enheten for måling av strømbruk er kilowattimer (kWh). 1 kWh = 3,6*106 joule (j).

 Historisk sett anslår man at vannmøller var den første måten å utvinne energi direkte fra naturen. De første vannmøllene er datert til 800 år e.Kr, ca 200 år før man tror de første vindmøllene ble tatt i bruk. Norges energitilgang har fra tidlig på 1900-tallet vært dominert av vannkraftverk, og vi får i dag majoriteten (mer enn 98% ) av strømmen vår fra rennende vann. Flesteparten av våre vannkraftverk befinner seg på Vestlandet, der Sogn og Fjordane og Hordaland har den største andelen av store demningsanlegg. På verdensbasis utgjør vannkraft rundt en sjettedel av den totale kraftproduksjonen.

På verdensbasis er det store forskjeller på den mengden energi hver enkelt har tilgjengelig. I de ulike samfunn utnyttes de naturlige energikildene som er tilgjengelige. I Norge har vi den fordelen at vi har mye nedbør og store høydevariasjoner i landskapet, slik at energien i rennende vann kan utnyttes på en effektiv måte. Siden elektrisk strøm er vanskelig å lagre, må vi bruke andre måter for å sikre en jevn tilførsel av energi.

Dette skjer ved hjelp av demninger. Her blir energien lagret i form av stillingsenergi (potensiell energi) Vannet som blir lagret i en demning eller et magasin oppe på fjellet, har potensiell energi sett i forhold til lavere-liggende områder, og har i tillegg den fordelen at det kan omsettes til strøm selv i perioder med lite nedbør. I dag er størsteparten av Norges egnede vassdrag oppdemmet.

Formelen for potensiell energi er Ep = m* g * h , der m er masse i kg, g er tyngdegradskonstanten(9,8 Newton pr. kg) og h er fallhøyden i meter.

Selve energiutvinningen fra vannkraft er forurensningsfri og miljøvennlig. Likevel er det diskusjoner om bygging av vannkraftverk. Oppdemming av et vassdrag forandrer økosystemet i vassdraget radikalt og vil påvirke mange arter. Selv om man prøver å ta hensyn ved å regulere vanntilførselen og bygge f,eks laksetrapper, vil miljøet bli påvirket på en negativ måte. I de siste årene har mikrokraftverk blitt populært og seilt opp som den nye miljøfavoritten. Men selv om dimensjonene er små, er skadevirkningene for økosystemet i området de samme.

Viktigst av alt er at vannkraft er en fornybar ressurs, noe som vil si at vi kan bruke den om og om igjen. Dette er mulig pga. vannets kretsløp. Vannet som er brukt fortsetter mot havet, fordamper ved oppvarming fra sola, stiger, kondenserer og faller til slutt ned på bakken igjen slik at det på nytt kan brukes i et vannkraftverk. Sola er drivkraften for hele dette kretsløpet og energien i vannet kommer derfor opprinnelig fra sola.

Vi skiller mellom elvekraftverk og høytrykkskraftverk. I et elvekraftverk vil trykket være lavt, men vannmengden kan likevel være stor. Noen elvekraftverk bruker vann som er lagret i magasiner, andre bruker bare det naturlig rennende vannet. I høytrykkskraftverk faller vannet fra vannmagasinet ned gjennom en bratt tunnel og det dannes et kraftig trykk. Jo større fallhøyde, jo kraftigere trykk. Dobler man fallet eller mengden på vannet, samtidig som alt vannet treffer vannhjulet, dobles energien. Dobler en radiusen på vannhjulet dobles momentet på vannhjulets aksling samtidig som omdreiningshastigheten halveres.

 I modulaktiviteten bruker vi kraften i en rennende bekk for å få et vannhjul til til å rotere. I den ene enden av akslingen festes et tau som ved hjelp av rotasjonene vil kveile seg rundt akselen. Når det da er festet en gjenstand i den andre enden av tauet, vil denne gjenstanden flytte seg nærmere og nærmere akselen. Ved denne aktiviteten kan ungdommene fysisk oppleve at vannkraft kan brukes til å gjøre et arbeid, her i form av å flytte en gjenstand.

Forbedringspotensiale:
 Det kan kobles en generator til vannhjulets aksling, og et multimeter til generatoren, for å kåre hvilken gruppe som lager det kraftverket som produserer mest strøm.

Bekk/elv der gruppene kan ferdes innenfor et område uten sikkerhetsrisiko. Det må kunne fraktes materialer og utstyr til stedet uten for store logistikkutfordringer. Det er en fordel om det kan settes opp en ”leircamp” med bål og evt. lavvo i nærheten, for en hyggelig lunchsamling (og for introduksjon, oppsummering om en vil gjøre dette på stedet).

Opplegget fungerte veldig godt i aldersgruppen 13-16 år, men vil også passe for lavere aldersgrupper.

20, delt i grupper på 4-5 .

8.1 Utstyr
(pr gruppe):
- planker, 6-7 meter (evt. tenk miljø, hent overskuddsmateriell hos forhandler)
- spiker - -
- hyssing, sterk
- takrenner, 2-3 m. (evt. hent avkapp, avfall fra forhandlere)
- rør til å lede vann, 2-3 m. (evt. Hent avkapp, avfall fra forhandlere)
- ductteip (sølvteip)
- løknett (el annet nett til å fylle stein for konkurransen)
- premier
-hyssing
-vanntette hansker(f.eks oppvaskhansker)
-snekkerblyanter
-snekkervinkel
- hammer
- sag
- kniv
- tommestokk

Leirplass
-lavvo (2 stk.)
-bålområde
-ved (masse, kan også sankes i naturen)
-gryter (3-4 stk, til mat og til å varme vann til kalde fingre)
- lavvoovn
-øks
-benker (kan snekres fra naturen som en aktivitet)
-mat, te/kaffe+sukker/honning

8.2 Materiell
Instruksjonsark til deltagerne. (se vedlegg)

9.1 Oppmøtetid og -sted
-Kl. 09.00

9.2 Hentetid og -sted
-Kl. 16.00

9.3 Utstyr for deltakere

10.1 Krav til veiledere
En veileder må ha livredningsprøven. Veilederne må ha førstehjelpskunnskaper.

10.2 Krav til aktiviteten
Deltagere som ikke følger sikkerhetsinstruksjoner gitt av veiledere, kan bli sendt hjem

10.3 Ansvar og forsikring
Deltagerne må ha egen ferie-/fritidsforsikring.

Studenter ved Universitetet i Agder i faget naturfagdidaktikk, fagansvarlig UiA Svein Grundetjern, og Per Thomas Skaanes fra Den Norske Turistforening.