Chúng ta biết rằng điện là nguồn năng lượng đóng vai trò quan trọng đối với cuộc sống con người, đặc biệt điện mang đến ánh sáng vào buổi tối giúp con người có thể sinh hoạt thuận tiện hơn. Tại thành phố, đặc biệt là vào mùa hạ, khi thời tiết oi bức nóng nực, người dân sử dụng điều hòa, quạt, máy làm mát,... để làm mát, nhu cầu sử dụng điện tăng cao, các nhà máy điện không kịp cung cấp điện sử dụng nên thường xuyên xảy ra mất điện. Tại vùng sâu vùng xa, do điều kiện tự nhiên, địa hình,... cản trở mà rất nhiều nơi hiện tại vẫn chưa có điện, điện không ổn định, người dân phải sử dụng các chất đốt như củi, đèn dầu, nến… để làm nguồn sáng phục vụ cho sinh hoạt. Không có điện, cuộc sống của người dân rất khổ cực, khó khăn
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT CHUYÊN NGUYỄN HUỆ ( HÀ ĐÔNG, HÀ NỘI ) ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015). Tên đề tài: ĐÈN HỌC CHỦ ĐỘNG Lĩnh vực: Kỹ thuật: Kỹ thuật điện & Cơ khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN - ThS. Nguyễn Thị Thùy Dương - CN. Nguyễn Chí Phú - Đơn vị công tác: Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ TÁC GIẢ: 1. Lý Phương Thảo Lớp: 11 Toán 1 Trường: THPT Chuyên Nguyễn Huệ 2. Phan Thế Trung Lớp: 11 Lý 1 Trường: THPT Chuyên Nguyễn Huệ Hà Nội, tháng 12 năm 2014 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN……………………………………………… ………… 2 PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI……………………….……………… 3 PHẦN II: VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI……… ………………………………………… ….…………… 4 PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ……….….… 5 1. Nội dung nghiên cứu………………………………………………… 1.1. Nghiên cứu cơ sở lí thuyết……………………………… 1.1.1. Nguyên lí hoạt động của một đèn điện 1.1.2. Nguyên lí hoạt động của một đèn điện sử dụng năng lượng từ sư phóng điện của tụ 1.1.3. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các linh kiện sử dụng trong đèn học chủ động 1.1.3.1. Động cơ điện……………………………………………… 1.1.3.2. Siêu tụ điện…………………………………………………. 1.1.3.2.1. Nguyên lí hoạt động của siêu tụ điện……………… 1.1.3.2.2. Các đặc điểm của siêu tụ điện…………………… 1.1.3.3. Đèn LED…………………………………………………… 1.1.3.3.1. Cấu tạo đèn LED…………………………………. 1.1.3.3.2. Nguyên lí hoạt động của đèn LED……………… 1.2. Chế tạo đèn học chủ động 1.3. Thực nghiệm mô hình đèn học chủ động 2. Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới………. PHẦN IV: KẾT LUẬN…………………………………………………… 2 LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các bác cán bộ công nhân viên trong trường THPT chuyên Nguyễn Huệ – Hà Nội, đặc biệt là ban giám hiệu và các thầy cô trong tổ chuyên môn Vật lí đã tạo điều kiện giúp đỡ, trang bị về tài liệu và kiến thức cũng như tạo mọi thuận lợi về cơ sở vật chất để chúng em có thể hoàn thành dự án này. Để hoàn thành dự án này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cô giáo - Thạc sĩ Nguyễn Thùy Dương và thầy giáo Nguyễn Chí Phú - đã hướng dẫn, theo dõi và chỉ bảo tận tình từ lúc chúng em bắt đầu ý tưởng của dự án cho đến khi em hoàn thành dự án. Chúng cháu cũng xin chân thành cảm ơn PGS.TS.NGND Nguyễn Xuân Chánh cùng các thầy giáo và phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư Phạm Hà Nội đã giúp đỡ chúng cháu rất nhiều trong các khâu kĩ thuật để hoàn thành dự án. Chúng con xin chân thành cảm ơn sự động viên, ủng hộ và tạo mọi điều kiện từ phía bố mẹ, gia đình và bạn bè giúp chúng con hoàn thành được dự án. Hà Nội, tháng 11 năm 2014 Nhóm tác giả Lý Phương Thảo Phan Thế Trung 3 PHẦN I: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Chúng ta biết rằng điện là nguồn năng lượng đóng vai trò quan trọng đối với cuộc sống con người, đặc biệt điện mang đến ánh sáng vào buổi tối giúp con người có thể sinh hoạt thuận tiện hơn. Tại thành phố, đặc biệt là vào mùa hạ, khi thời tiết oi bức nóng nực, người dân sử dụng điều hòa, quạt, máy làm mát, để làm mát, nhu cầu sử dụng điện tăng cao, các nhà máy điện không kịp cung cấp điện sử dụng nên thường xuyên xảy ra mất điện. Tại vùng sâu vùng xa, do điều kiện tự nhiên, địa hình, cản trở mà rất nhiều nơi hiện tại vẫn chưa có điện, điện không ổn định, người dân phải sử dụng các chất đốt như củi, đèn dầu, nến… để làm nguồn sáng phục vụ cho sinh hoạt. Không có điện, cuộc sống của người dân rất khổ cực, khó khăn. Việc mất điện còn có ảnh hưởng nghiêm trọng đối với học sinh, đặc biệt là học sinh các vùng núi những nơi hiện nay mạng lưới điện vẫn chưa đến được. Không chỉ làm giảm hiệu quả học tập mà còn gây hại đến đôi mắt của học sinh, dễ dẫn đến cận thị. Chúng em, tuy là những học sinh thành phố nhưng cũng đã có rất nhiều ngày đêm phải học tập và sinh hoạt trong cảnh thiếu điện, thiếu ánh sáng. Khi đó, chúng em đã sử dụng các loại đèn nạp ở chợ để làm nguồn sáng học tập, tuy nhiên những loại đèn nạp này lại sử dụng pin nạp hoặc accqui, đây là những loại nguồn điện phổ biến hiện nay tại Việt Nam nhưng lại có tuổi thọ thấp, không bền và khá độc hại. Vấn đề lớn nhất của các loại đèn nạp này là phải nạp điện đủ trước khi sử dụng, nếu nạp điện đủ mà không sử dụng một thời gian, nạp điện trong thời gian dài và khi sử dụng đèn cũng sáng được không lâu; việc mất điện tại thành phố thường là bất ngờ, không được báo vì thế chúng em thường thụ động trong việc tạo ra nguồn điện làm sáng đèn. Chúng em tự hỏi liệu có thể một chiếc đèn mà có thể tích điện được lâu và trong thời gian ngắn. Sau khi tham khảo các tài liệu về đèn học hiện nay và được các thầy cô bộ môn vật lý của trường khuyến khích, ủng hộ, chúng em đã quyết định thực hiện đề tài “Đèn học chủ động” với mục đích tạo ra một chiếc đèn học có thể cung cấp ánh sáng cho quá trình học tập, sinh hoạt khi mất điện. 4 PHẦN II: VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO CỦA ĐỀ TÀI 1. Chế tạo ra một sản phẩm đèn mới chủ động để nạp điện sử dụng. Khi có nguồn điện nhưng không ổn định thì có thể tranh thủ dùng nguồn điện ấy để tích đầy điện trong thời gian ngắn. Trường hợp không có bất cứ nguồn điện nào, có thể dùng máy phát điện quay tay của đèn để thắp sáng đèn và còn có thể sử dụng như một nguồn điện để nạp điện cho các thiết bị khác như điện thoại di dộn hoặc chạy đài Ngoài sử dụng điện năng, còn có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác thân thiện môi trường, các nguồn năng lượng tái tạo: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, để tích điện cho đèn giúp thắp sáng trong mọi hoàn cảnh 2. Sử dụng cách lưu trữ mới, thay thế cho pin và ắc quy đó là sử dụng siêu tụ điện. 3. Sử dụng đèn LED để kết hợp với siêu tụ điện làm đèn dùng trong học tập. 4. Sản phẩm này không chỉ dùng như một đèn thắp sáng mà còn có thể dùng nguồn điện của nó cho những dụng cụ tiêu thụ dòng điện với điện thế không cao như: đài điện, nạp điện cho điện thoại… 5 PHẦN III: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT LUẬN 1. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Sử dụng đèn thắp sáng bằng LED với nguồn điện có điện thế thấp (nhỏ hơn 7V). Nội dung 2: Chế tạo bộ tích điện dùng siêu tụ điện: Khi có điện đèn có thể thắp sáng bình thường, khi mất điện vẫn có thể thắp sáng dùng siêu tụ điện. Nội dung 3: Nghiên cứu cách nạp điện nhanh cho siêu tụ điện và điều chỉnh dòng điện ra ổn định thắp sáng cho LED. Nội dung 4: Nghiên cứu cách làm máy phát điện quay tay nạp điện nhanh cho siêu tụ. Nội dung 5: Nghiên cứu cách có thể dùng các nguồn năng lượng tái tạo khác để nạp điện cho siêu tụ điện. 1.1. Cơ sở lí thuyết Để chế tạo đèn học chủ động thì việc đầu tiên là tạo ra một nguồn điện chủ động. Chúng em đã sử dụng một động cơ điện để tạo ra nguồn điện này. 1.1.1. Nguyên lí hoạt động của đèn điện. Đèn điện hoạt động được khi có một điện áp đặt vào hai đầu của nó Nếu ta đặt một điện áp U vào hai đầu của đèn, đèn có điện trở R thì cường độ dòng điện qua đèn là: U I R = 1.1.2. Nguyên lí hoạt động của đèn điện dùng siêu tụ điện. Ta có: 6 0 iR ln o q t q t t RC RC o o o t RC o q q dq dt dq R C C dt RC q q t q q e e q RC q q q q e − − − − =− ⇒ = ⇔ =− ⇔ =− ⇔ = ⇔ = ⇔ = ∫ ∫ 1.1.3. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động của các linh kiện sử dụng trong đèn học chủ động. 1.1.3.1. Động cơ điện. Đặc điểm của động cơ điện là khi có dòng điện thích hợp đi vào động cơ thì roto của động cơ sẽ quay, dựa vào đặc điểm này, chúng em dùng một động cơ theo cơ chế ngược lại, tức là nếu quay roto của động cơ theo một tốc độ hợp lí thì sẽ thu được một điện áp ở đầu ra của động cơ. Ở đây dùng một động cơ bước. Động cơ bước là động cơ không chổi than DC mà chia vòng quay đầy đủ vào một số bước bằng nhau. Vị trí động cơ sau đó có thể được ra lệnh và di chuyển được giữ tại một trong các bước sau đó mà không cần bất kì cảm biến phản hồi nào, miễn là động cơ có kích thước hợp lí trong ứng dụng. Sự vận hành của motor bước: Bạn thấy khi xung cấp cho cuộn dây, cuộn dây sẽ có từ tính và tạo ra tương tác với phần quay (vốn là một nam châm vĩnh cữu) để tạo ra chuyển động quay, mỗi lần chỉ quay một bước. Cấu tạo của động cơ bước 7 Motor bước lấy bước góc làm đơn vị tính (các loại motor khác lấy số vòng quay làm đơn vị tính), motor bước gồm có 2 phần: Phần tĩnh (Stator) gồm các cuộn dây quấn trên các trụ từ cực khi các cuộn dây này nhận dòng xung nó sẽ trở thành các cực nam châm điện và tương tác với Phần quay (Rotor) là nam châm vĩnh cữu và sẽ tạo ra chuyển động quay. Đặc tính là phần quay, quay mỗi nhịp chỉ nhíc 1 bước, đo đó góc của bước là một tham số của motor bước. 1.1.3.2. Siêu tụ điện Sau khi có một nguồn điện, việc tích trữ lại năng lượng điện để sử dụng cho quá trình thắp sáng đèn là rất cần thiết. Việc sử dụng pin nạp, acquy có nhiều hạn chế, ở đây chúng em sử dụng siêu tụ điện để chứa điện. 1.1.3.2.1. Nguyên lí hoạt động cửa siêu tụ điện Tụ điện là hai bản kim loại phân cách giữa chúng là chất điện môi. Điện dung của tụ điện C tính bằng fara đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng điện trường của nó. Điện dung của tụ điện phẳng được xác định theo biểu thức sau: . 4 S C k d ε π = . Trong đó, ε là hằng số điện mội, S là diện tích bản cực, d là khoảng cách giữa hai bản cực. Để tăng điện dung C cần chế tạo tụ điện có diện tích bản cực lớn, bằng cách sử dụng nhiều lá nhôm mỏng quấn lại hoặc giảm khoảng cách giữa hai bản cực. Tuy nhiên khi giảm khoảng cách thì điện áp định mức của tụ điện cũng giảm đi. Trong tụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử và tạo nên điện áp giữa hai bản cực Các tụ điện thông thường chỉ có điện dung cỡ microfara (một phần triệu fara). Tụ điện hóa có lớp điện phân tạo nên lớp điện môi oxit nhôm rất mỏng, bền vững nên điện dung của nó tăng rõ rêt. Chú ý là tụ hóa có cực tính. Siêu tụ điện 8 Hình 1. Các loại tụ điện (supercapacitor hoặc ultracapacitor) có bản cực là than hoạt tính có cấu trúc gồm nhiều lỗ rỗng. Nhờ cấu trúc gồm lỗ rỗng nhỏ li ty này mà diện tích bản cực tăng lên rất nhiều. Diện tích bản cực của điện cực than hoạt tính vào khoảng 400 - 1000 m/gam. Ví dụ tụ điện điện cực than hoạt tính có kích cỡ nằng nửa lon nước ngọt có diện tích bản cực tới 25.000m 2 , khoảng cách cũng giảm đi rất nhiều, do đó điện dung có thể đạt được cỡ fara lớn hơn điện dung của tụ điện hóa thông thường hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần. Hằng số điện môi của siêu tụ điên có thể đạt tới. Để chế tạo các bản cực trong siêu tụ điện người ta thường sử dụng: - Carbon nanotubes. - Oxit kim loại. - Polyme dẫn điện. Điện áp giữa các bản cực vào khoảng 2-3 V Điện dung của tụ điện phẳng tính bằng: Tụ điện truyền thống năng lượng được tích lũy bởi hạt mang điện là các điện tử và tạo nên điện áp giữa hai bản cực. Trong siêu tụ điện mỗi lớp gần như vật dẫn chỉ chịu được điện áp thấp. Để chịu được điện áp cao chúng cần được ghép nối tiếp với nhau. Nói chung để tăng mật độ năng lượng tích lũy cần sử dụng vật liệu xốp cỡ nano. Hình 2. Hình 2. Biểu diễn mật độ năng lượng của các thiết bị tích điện. Các ăcquy chì có mật độ 30-40 Wh/kg, awcquy Lithium-ion có mật độ năng lượng lên đến 120 Wh/kg còn các siêu tụ điện có mật độ năng lượng tới 6 kWh/kg với hiệu suất 95%. Ăcquy hoạt động dựa theo nguyên lý điện hóa do đó tốc 9 độ phóng nạp của nó tương đối chậm. Việc nạp đầy ắcquy cần khoảng 8 giờ. Các tụ điện có thể phóng nạp rất nhanh với hằng số thời gian bị giới hạn bởi tổn hao nhiệt của các điện cực, do đó chỉ bằng một phần trăm thời gian nạp ăcquy. 1.1.3.2.2. Các đặc điểm của siêu tụ điện a. Đặc điểm về quá trình phóng điện của siêu tụ điện. Khi nạp đầy điện cho tụ thì tụ sẽ xảy ra quá trình phóng điện, theo sơ đồ như hình trên thì năng lượng của tụ sẽ giảm dần một cách tuyến tính. Điện dung của tụ: . 4 S C k d ε π = Năng lượng của tụ khi được tích điện đến hiệu điện thế U: 2 1 W . .U 2 C= Khi tụ phóng điện, do điện trở trong của tụ nên điện áp của tụ giảm đột ngột từ giá trị U o xuống một lượng U esr , sau đó điện thế tụ tụ giảm tuyến tính theo hàm bậc nhất của thời gian. Nếu như vậy hoạt động của đèn sẽ không ổn định, cần một mạch chuyển đổi có chức năng làm cho điện áp ở đầu ra luôn ổn định, sau đó giảm đột ngột xuống giá trị U min 10 [...]... sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5 đến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Do đó LED rất dễ bị hư hỏng do điện thế ngược gây ra 1.2 Chế tạo đèn học chủ động 1.2.1 Thiết kế bản vẽ mô phỏng đèn học chủ động. .. cho siêu tụ từ các nguồn điện khác - Đã hoàn thành đèn học chủ động một cách hoàn toàn chủ động có điện để thắp sáng lúc mất điện trong một khoảng thời gian lâu dài - Đã chế tạo thành công đèn học chủ động để: + Có thể sử dụng được trong mọi hoàn cảnh + Có thể sử dụng để làm nguồn điện nạp điện cho các thiết bị điện tử khác như đài radio, điện thoại di động, + Có tuổi thọ cao, khá bền nên có thể sử dụng... kế 1.3 Thử nghiệm đèn học chủ động Nạp điện cho tụ no rồi đo hiệu điện thế giữa hai cực của bộ siêu tụ được 8,1 vôn 15 Bật đèn LED thắp sáng Đo thời gian xem bao lâu thì đèn LED tắt ( khi hiệu điện thế yếu quá thì đèn LED nhấp nháy, quá độ thì tắt ) Đo hiệu điện thế giữa 2 đầu tụ và ở 2 đầu đèn LED lúc bắt đầu nhấp nháy và lúc tắt Chú ý không để chập điện, nhất là hai đầu tụ Lúc đèn tắt, quay máy phát... giảm đi đáng kể + Vỏ Để đảm bảo cho đèn hoạt động ổn định và bền, vỏ đèn được chế tạo để có độ chống thấm nước cao, đồng thời đảm bảo khả năng tỏa nhiệt nhanh chóng.Do vậy khi sử dụng đèn LED chúng ta căn cứ vào các yếu tố chính trên đây để có thể đưa quyết định đúng khi mua hàng 1.1.3.3.2 Nguyên lí hoạt động của đèn LED LED dựa trên công nghệ bán dẫn Hoạt động của LED giống với nhiều 12 loại điốt... bình, cỡ lớn LED dùng làm đèn thắp sáng cơ bẳn là đèn LED xanh, từ đó tạo ra hai màu đỏ lục trộng lại thành LED thắp + Mạch in của đèn Để chế tạo đèn từ phần tử phát sáng, ta phải nối mạch điện thích hợp cho đèn hoạt động Mạch điện sử dụng phải là mạch in và phải có bộ phận tản nhiệt Chất lượng mạch in, chất lượng mối hàn giữa LED với mạch in ảnh hưởng đến lớn đến độ bền của đèn, trong điều kiện khí... tụ • Nghiên cứu cơ chế mới thay bằng việc quay tay động cơ, đó là: dùng một xe đạp kết nối với bộ phận truyền động của động cơ Khi đạp xe, động cơ cũng đồng thời quay và tạo ra điện để tích cho tụ Hệ thống xe đạp và đèn này có thể đặt tại các công viên trong thành phố, nó vừa là công cụ giúp mọi người tập thể dục vào ban ngày và ban đêm có thể dùng đèn để chiếu sáng công viên tạo không gian vui chơi,... quay máy phát xem có nạp được điện cho tụ không Khi đèn LED sáng có thể thử nối cho mô tơ chạy 3 vôn xem mô tơ có hoạt động không Thời gian đèn sáng được kể từ khi nạp đầy điện cho tụ đến khi hiệu điện thế của tụ đạt Umin = 4V là 2h 2 Các nội dung sẽ nghiên cứu trong thời gian tới: Chúng em sẽ tiếp tục nghiên cứu mở rộng và làm sâu sắc thêm nội dung của đề tài: • Nghiên cứu sử dụng năng lượng gió và... tương đương với tuổi thọ của LED Với loại đèn công suất nhỏ bộ nguồn đơn giản chỉ là một nguồn áp kết với một điện trở hạn dòng cho LED nhưng đối với LED công suất trung bình và lớn cần tạo một nguồn dòng cho LED + Bộ phận tản nhiệt Phần tản nhiệt cho đèn LED được thiết kế nhằm đưa phần tinh thể phát sáng không bị nóng lên khi sử dụng bộ phận này đặc biệt quan trọng khi thiết kế đèn LED công suất trung... 4 C.U 2 2 của tụ b Các ưu điểm của siêu tụ điện So với pin và ăcquy thông thường siêu tụ điện có những ưu điểm sau: - Cho phép nạp rất nhanh - Cho phép phóng nạp nhiều lần (hàng vạn lần) so với từ 200 đến 1000 lần của ăcquy - Phương pháp nạp đơn giản, không cần mạch cảnh báo nạp đầy, khi quá tải không gây ảnh hưởng tới tuổi thọ - Tuổi thọ cao, trên 10 năm - Đặc điểm cũng như là nhược điểm của siêu tụ... dụng được lâu dài + Xách theo đến những nơi không có ánh sáng, khi đi xa + Đèn có độ bền cao, tiết kiệm năng lượng 2 Ý nghĩa của nghiên cứu - Củng cố và nâng cao kiến thức đã học Học đi đôi với hành - Rèn luyện kĩ năng trong thực hành sáng tạo và làm việc nhóm - Ứng dụng vào thực tiễn - Có ý nghĩa trong việc phát triển khoa học công nghệ tiên tiến giữa lí thuyết và thực tiễn - Cung cấp kịp thời những