ระดบชนมธยมศกษาปท 3 เวลา 4 ชวโมง

จดประสงค 1. อธบายหลกการทางวทยาศาสตรเกยวกบพลงงานศกยและพลงงานจลนทเกยวของกบการท�างานของ

กงหนน�าเพอผลตไฟฟา 2. ออกแบบและสรางแบบจ�าลองกงหนน�าเพอผลตกระแสไฟฟา

วสดอปกรณ

ท รายการจ�านวนตอกลม

ท รายการจ�านวนตอกลม

1 ฝาขวดน�าพลาสตก 15 อน 9 ชดถงน�าส�าเรจรป 1 ชด

2 ชอนพลาสตก 10 อน 10 โวลตมเตอร หรอมลตมเตอร 1 ชด

3พลาสตกลกฟก หนา 3 มลลเมตร ขนาด 60 เซนตเมตร x 120 เซนตเมตร

1 แผน 11 ปนกาว 1 อน

4 ไมเสยบลกชน 10 อน 12 กรรไกร 1 เลม

5พลาสตกเจาะรส�าหรบเสยบใบพด แบบ 6 ร และ 8 ร

อยางละ 1 อน

13 คตเตอร 1 อน

6 ฐานกงหนน�าส�าเรจรป 1 ชด 14 เทปกาว 1 มวน

7 เจเนอเรเตอรขนาดเลก 1 ตว 15 ไมบรรทด 1 อน

8 หลอด LED 1 ดวง

สวางไสวดวยสายน�า

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

17

วธด�าเนนกจกรรม 1. ศกษาสถานการณทก�าหนดให “นกเรยนอาศยอยในหมบานหางไกลระบบสายสงไฟฟายงไปไมถง ท�าใหไมมพลงงานไฟฟาใชงานใน

หมบาน แตใกล ๆ หมบานนนมน�าตกไหลตลอดทงป ใหนกเรยนชวยกนระดมความคดวาจะน�าพลงงานจากน�ามาใชผลตไฟฟาใหเพยงพอตอการใชงานในหมบานไดอยางไร”

2. วเคราะหสถานการณทก�าหนดให อภปรายรวมกนวาจะผลตไฟฟาจากน�าตกไดอยางไร แลวเขยนสรปเปนปญหาหรอความตองการ

3. ใหแตละกลมส�ารวจอปกรณทครเตรยมไวเพอน�ามาใชสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟา โดยมชดถงน�าส�าเรจรปในการจ�าลองการไหลของน�าตก และก�าหนดความสงจากระดบทปลอยน�าถงจดทน�ากระทบกบกงหน ทระยะ 0.6 เมตร 1.0 เมตร และ 1.5 เมตร

4. ใหแตละกลมระดมความคดเพอรวบรวมขอมลทเกยวของกบการสรางกงหนน�าผลตไฟฟา เพอใหผลตไฟฟาไดมากทสดจากอปกรณทก�าหนดให เชน รปแบบของกงหนน�า จ�านวนแกนใบพด วสดทใชท�าใบพด ความแขงแรงของกงหนน�า ความสงของระดบน�าทปลอยลงมากระทบกงหนน�า และใหแตละกลมเลอกวธการสรางกงหนน�าทตองการจากขอมลทรวบรวมมา โดยค�านงถงทรพยากรทมอย เชน วสดทเลอกใชมความเหมาะสม วธการสรางไมยากจนเกนไปและสามารถสรางไดในเวลาทก�าหนด

5. แตละกลมออกแบบกงหนน�าผลตไฟฟาตามรปแบบทตองการ โดยรางเปนภาพและระบรายละเอยด เชน รปรางของใบพด จ�านวนใบพด วสดทเลอกใชสรางใบพด พรอมใหเหตผลประกอบ

6. ลงมอสรางกงหนน�าตามทออกแบบไว 7. ทดสอบการท�างานของกงหนน�าวาสามารถผลตไฟฟาไดหรอไม โดยใชโวลตมเตอรวดคาความตางศกย

ไฟฟาทไดจากเจเนอเรเตอร พรอมกบบนทกขอมลการทดสอบ จากนนเปลยนความสงของระดบน�าตามทก�าหนดแลวท�าการทดสอบซ�าอกครง

8. น�าผลการทดสอบการท�างานของกงหนน�ามาหาแนวทางในการปรบปรงแกไขชนงานใหดขน เพอใหสามารถผลตไฟฟาไดมากขนกวาเดม จากนนลงมอปรบปรงชนงานแลวน�าไปทดสอบการท�างานอกครงพรอมกบบนทกขอมลการทดสอบ

9. แตละกลมน�าผลการทดสอบการท�างานของกงหนน�ามาเขยนกราฟความสมพนธระหวางคาความตางศกยและความสง แลวอธปรายรวมกนในกลม

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

18

10. ใหนกเรยนแตละกลมน�าเสนอแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟาทสรางขน โดยน�าเสนอแนวคดในการสราง รปแบบของกงหน เหตผลในการเลอกใชวสด รวมทงผลการทดสอบและการปรบปรงแกไขกงหนน�าจนมประสทธผลมากทสด

11. ใหนกเรยนรวมกนอภปรายเกยวกบปจจยทมผลตอการสรางกงหนน�าเพอใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด และแนวทางการสรางกงหนน�าผลตกระแสไฟฟาส�าหรบใชงานจรง และหลกการทางวทยาศาสตรทน�ามาใชในการออกแบบและสรางชนงาน

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

19

ใบบนทกกจกรรม

1. จากการวเคราะหสถานการณ สรปเปนปญหาหรอความตองการไดดงน

.............................................................................................................................................................................................

.............................................................................................................................................................................................

.............................................................................................................................................................................................

.............................................................................................................................................................................................

2. บนทกแนวคดในการสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟาเปนภาพและระบรายละเอยด เชน รปรางของใบพด จ�านวนใบพด วสดทเลอกใชสรางใบพด พรอมใหเหตผลประกอบ

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

20

3. บนทกผลการทดสอบการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟา ลกษณะกงหน ..................................................................................................................................

ทดสอบครงทคาความตางศกยไฟฟา (โวลต)

ความสง 0.6 เมตร ความสง 1.0 เมตร ความสง 1.5 เมตร

1

2

3

4

5

เฉลย

4. บนทกผลการทดสอบการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟาหลงจากทไดปรบปรงแลว

ลกษณะกงหน ..................................................................................................................................

ทดสอบครงทคาความตางศกยไฟฟา (โวลต)

ความสง 0.6 เมตร ความสง 1.0 เมตร ความสง 1.5 เมตร

1

2

3

4

5

เฉลย

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

21

5. บนทกแนวทางการปรบปรงแกไขกงหนน�าเพอใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด มดงน

........................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

6. สรปหลกการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟา และปจจยทมผลตอการสรางกงหนน�าใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด

........................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

.......................................................................................................................................................................................

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

22

ใบความรท 1 โรงไฟฟาพลงน�า

การผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�า หลายคนคงเคยไดยนค�าวา “ในน�ามปลา ในนามขาว” ค�านพบไดทประเทศไทยของเรา เพราะประเทศไทยเปนประเทศทอดมสมบรณไปดวยแหลงน�าและแมน�าทส�าคญมากมาย และในแหลงน�ากมทรพยากรหลากหลายทสามารถใหคนในทองถนประกอบอาชพได และเพอเปนการน�าน�าในแหลงตาง ๆ มาใชประโยชนมากขน ปจจบนจงมการสรางเขอนกกเกบน�า ซงมจดประสงคหลกเพอกกเกบน�าไวใชในการเกษตร และมจดประสงคในดานอน ๆ เชน เพอการอปโภค บรโภค เพอการประกอบอาชพ ใชเปนเสนทางคมนาคม เปนแหลงเพาะพนธปลา ใชปองกนหรอบรรเทาอทกภย ใชแกปญหาภยแลง ชวยผลกดนน�าเคมในฤดแลง รวมถงใชเปนแหลงพกผอนหยอนใจ ประโยชนของการกกเกบน�าไวในเขอนทส�าคญอกประการหนงและเปนเรองใกลตวของทก ๆ คน คอ การน�าน�าในเขอนมาใชผลตไฟฟา จากภาพเขอนกกเกบน�าดานลาง เรามวธการน�าน�าในเขอนมาผลตไฟฟาไดอยางไร

โรงไฟฟาพลงน�า เขอนภมพล จงหวดตาก(ภาพจากการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย)

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

23

ระดบนำเหนอเขอน

เขอน

เครองกำเนดไฟฟา สายสงไฟฟา

กงหนนำ

อโมงคสงนำ

แมนำ

ระดบนำทายเขอน

อางเกบนำ

การผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�า การผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�าจะใชหลกการปลอยน�าจากอางเกบน�าเหนอเขอนซงอยในระดบสงกวา ใหไหลลงมาตามอโมงคสงน�าไปทกงหนของเครองก�าเนดไฟฟาซงอยในระดบทต�ากวา เมอกงหนหมนจะท�าใหแกนของเครองก�าเนดไฟฟาทตดอยหมนตามไปดวย เกดการเปลยนพลงงานจลนของการหมนของแกนเครองก�าเนดไฟฟาเปนพลงงานไฟฟาและสงออกไปตามสายสงไฟฟานนเอง

ภาพการท�างานของโรงไฟฟาพลงน�า

ชดจ�าลองการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาพลงน�า

จากภาพดานขวามอ ถาเราปลอยน�าจากทสงลงไปยงเครองก�าเนดไฟฟาทอยในระดบทต�ากวา พลงงานศกยของน�าจะถายโอนใหกบกงหนของเครองก�าเนดไฟฟา ท�าใหกงหนเคลอนทโดยการหมนรอบแกน เมอกงหนหมนจะท�าใหแกนของเครองก�าเนดไฟฟาทตดอยกบกงหนหมนตาม เกดการเปลยนพลงงานจลนของการหมนของแกนเครองก�าเนดไฟฟา เปนพลงงานไฟฟา ซงถามการตดตงโวลตมเตอรทเครองก�าเนดไฟฟา จะสงเกตไดวาคาทวดไดจากโวลตมเตอรจะมการเปลยนคาไป ซงกคอมพลงงานไฟฟาเกดขนนนเอง

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

24

อาคารลดแรงดน

ระบบสายสงไฟฟา

ทางออกของนำ

คลองหรอทอผนนำ

โรงไฟฟา

โรงไฟฟาพลงน�าในปจจบนมทงโรงไฟฟาพลงน�าขนาดใหญและขนาดเลก โรงไฟฟาพลงน�าขนาดใหญมก�าลงผลตไฟฟามากกวา 15 เมกะวตต สวนโรงไฟฟาพลงน�าขนาดเลก มก�าลงผลตไฟฟาตงแต 200 กโลวตต จนถง 15 เมกะวตต จดประสงคหลกของโรงไฟฟาพลงน�าขนาดเลก คอ ชวยใหชมชนทอยหางไกลระบบสายสงไฟฟามพลงงานไฟฟาใชในครวเรอน และชวยแกปญหาขอจ�ากดของโรงไฟฟาพลงน�าขนาดใหญ ทตองใชพนทในการกกเกบน�าเปนบรเวณกวาง โดยโรงไฟฟาพลงน�าขนาดเลกจะใชน�าในล�าน�ามาเปนแหลงในการผลตไฟฟา โดยจะกนน�าไวในลกษณะของฝายกนน�าใหอยในระดบทสงกวาระดบของโรงไฟฟา และจะปลอยน�าจากฝายกนน�าใหไหลไปทโรงไฟฟาเพอผลตไฟฟา

แผนผงองคประกอบของโรงไฟฟาพลงน�าขนาดเลก

ขอดของการผลตไฟฟาจากโรงไฟฟาพลงน�าทส�าคญ คอ สามารถเดนเครองผลตและจายพลงงานไฟฟาไดในระยะเวลารวดเรว จงเหมาะกบชวงทประชาชนมความตองการใชไฟฟาสงสด คอ ชวงเวลา 09.00-22.00 น. นนเอง

เอกสารอางองสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย กระทรวงศกษาธการ, สถาบน.หนงสอเรยนรายวชาเพมเตมวทยาศาสตร

พลงงานทดแทนกบการใชประโยชน ชนมธยมศกษาตอนตน. 2556.ภาพการท�างานของโรงไฟฟาพลงน�า ดดแปลงภาพจาก Intermediate Energy Infobook, The NEED Project,

www.NEED.orgภาพโรงไฟฟาพลงน�า เขอนภมพล จงหวดตาก จากการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

25

ใบความรท 2 รปแบบของกงหนน�า

กงหนน�า เปนสวนประกอบส�าคญของโรงไฟฟาพลงน�า เนองจากเปนอปกรณทท�าหนาทในการเปลยนพลงงานจลนใหเปนพลงงานกลในการหมนเครองก�าเนดไฟฟาใหสามารถผลตไฟฟาได กงหนน�าผลตไฟฟาทใชในปจจบนมหลายรปแบบ เชน แบบแบงก (Bangi) แบบเพลตน (Pelton) แบบฟรานซส (Francis)

กงหนน�าแบบแบงก (Bangi turbine) สามารถรบการไหลของน�าไดทงทศทางแนวตงและแนวนอน โดยน�าทผานมาตามทอจะไหลผานลนบงคบทศทาง จากนนจะไหลปะทะกบใบพด ท�าใหใบพดหมนและสงก�าลงไปยงเพลาของเครองก�าเนดไฟฟาทตออยกบใบพด

กงหนน�าแบบเพลตน (Pelton turbine) สามารถรบการไหลของน�าไดทงทศทางแนวตงและแนวนอน โดยน�าจะไหลผานทอสงน�ามาถงหวฉดทมขนาดทอเลกลง น�าจะถกบบอดใหมความเรวและแรงดนมาก แลวฉดไปยงใบพดท�าใหใบพดหมน เขอนในประเทศไทยทใชกงหนรปแบบน เชน เขอนจฬาภรณ จงหวดชยภม เขอนบานขนกลาง จงหวดเชยงใหม

กงหนน�าแบบฟรานซส (Francis turbine) ใบพดของกงหนจะเชอมตอกบทอรปกนหอยเพอเพมความเรวและแรงดนของน�าใหสงขน แลวใชแรงดนของน�าไปหมนใบพดเพอผลตกระไฟฟา เขอนผลตไฟฟาในประเทศไทยสวนใหญจะใชกงหนรปแบบน เชน เขอนภมพล จงหวดตาก เขอนสรกต จงหวดอตรดตถ

ทมาของภาพ :ภาพกงหนน�าแบบแบงก http://williamson.us.comภาพกงหนน�าแบบเพลตน www.thingiverse.com/thing:88969ภาพกงหนน�าแบบฟรานซส http://www.hydroquebec.com/learning/hydroelectricite/types-turbines.html

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

26