ระดบชนมธยมศกษาปท 3 เวลา 4 ชวโมง

สาระส�าคญ พลงงานน�าสามารถท�าใหวตถตาง ๆ เคลอนทหรอหมนได จงมการน�าพลงงานน�ามาใชในการผลตไฟฟา โดยใชหลกการถายโอนพลงงานน�าจากแหลงกกเกบน�าไปยงกงหนน�าทตอกบเครองก�าเนดไฟฟาทอยในระดบต�ากวาแหลงน�า เพอเปลยนพลงงานศกยของน�าใหเปนพลงงานจลนโดยการหมนของใบกงหน จากนนน�าไปหมนแกนเครองก�าเนดไฟฟาเพอเปลยนเปนพลงงานไฟฟา การออกแบบกงหนน�าเพอผลตไฟฟามปจจยทเกยวของ ไดแก รปแบบและจ�านวนของใบพดแรงของน�าทกระท�ากบใบพด รวมถงวสดทใชสรางใบพด ในการสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟาจ�าเปนตองใชความรเกยวกบการเปลยนรปพลงงาน และการออกแบบและเลอกใชวสดทเหมาะสม การวดความสามารถในการผลตกระแสไฟฟาของกงหนน�าสามารถท�าไดโดยการเปรยบเทยบคาความตางศกยไฟฟาทตกครอมตวตานทานทตอเขากบเครองก�าเนดไฟฟา ซงสามารถน�าขอมลดงกลาวมาใชส�าหรบการวเคราะหและการแปลความหมายเพอจะน�าไปใชงานตอไป

ตวชวดตามหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐาน

วทยาศาสตร คณตศาสตร เทคโนโลย*

1. อธบายพลงงานจลน พลงงานศกยโนมถวง กฎการอนรกษพลงงาน และความสมพนธระหวางปรมาณเหลาน รวมทงน�าความรไปใชประโยชน

1. น�าเสนอขอมลในรปแบบท เหมาะสม

2. อาน แปลความหมาย และวเคราะหขอมลทไดจากการน�าเสนอ

1. สรางสงของเครองใช หรอวธการตามกระบวนการเทคโนโลยอยางปลอดภย ออกแบบโดยถายทอดความคดเปนภาพฉายเพอน�าไปสการสรางตนแบบและแบบจ�าลองของสงของเครองใช หรอถายทอดความคดของวธการเปนแบบจ�าลองความคดและการรายงานผล

หมายเหต: *ตวชวด เทคโนโลย (T) ในทนจะรวมตวชวดสาระการออกแบบและเทคโนโลย และสาระเทคโนโลยสารสนเทศและการสอสาร ในขณะทวศวกรรมศาสตร (E) ไมไดปรากฏในหลกสตรแกนกลางการศกษาขนพนฐาน แตกระบวนการออกแบบเชงวศวกรรม สามารถเทยบเคยงไดจากกระบวนการเทคโนโลยในตวชวดสาระการออกแบบและเทคโนโลย

สวางไสวดวยสายน�า

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

34

สาระการเรยนร

วทยาศาสตร คณตศาสตร เทคโนโลย

- พลงงานจลนเปนพลงงานของวตถทเคลอนท ขนกบมวลและอตราเรว สวนพลงงานศกยเปนพลงงานทสะสมอยในวตถ ขนกบต�าแหนงของวตถ

- กฎการอนรกษพลงงานกลาววาพลงงานรวมของวตถไมสญหาย แตสามารถเปลยนจากรปหนงไปเปนอกรปหนงได พลงงานศกยและพลงงานจลนของวตถมการถายโอนพลงงานระหวางกนได ในท�านองเดยวกน พลงงานรวมของระบบอาจเปลยนจากพลงงานหนงเปนอกพลงงานหนงได เชน พลงงานกลเปนพลงงานไฟฟา พลงงานไฟฟาเปนพลงงาน ความรอน พลงงานเคมเปนพลงงานแสง

- พลงงานสวนใหญทใชในชวตประจ�าวน ไดแก พลงงานไฟฟา และพลงงานความรอน ซงไดมาจากแหลงพลงงานในธรรมชาตหลายแหง เชน พลงงานลม พลงงานน�า พลงงานแสงอาทตย ปโตรเลยม พลงงานนวเคลยร เปนตน

- พลงงานทน�ามาใชประโยชนในดานตาง ๆ จะตองมปรมาณมากเพยงพอ จงสามารถใชพลงงานนนท�างานได เชน พลงงานน�าเหนอเขอนจะถายโอนพลงงานศกยโนมถวงเปนพลงงานจลนไปหมนเครองก�าเนดไฟฟาเพอผลตกระแสไฟฟา

- การน�าเสนอขอมลในรปตารางเปนวธการน�าเสนอขอมลทนยมกนอยางแพรหลาย เพราะมความละเอยด เปนระเบยบ สามารถแสดงขอมลไดเปนจ�านวนมาก และแบงประเภทของขอมลไดหลายประเภทอยางเปนระบบ มความชดเจนสะดวกตอการค�านวณคาตาง ๆทางสถต

- การน�าเสนอขอมลแบบแผนภมแทงเปนการน�าเสนอทใชแผนภมทแสดงดวยแทงสเหลยมมมฉาก ความสง หรอความยาวของแทงแทนปรมาณของขอมล แผนภมแทงนยมใชในการน�าเสนอเพอเปรยบเทยบขอมล แผนภมแทงมหลายแบบ เชน แผนภมแทงเชงเดยว และแผนภมแทงเชงซอน

- การน�าเสนอขอมลในรปแผนภมรปวงกลมเปนการน�าเสนอขอมลทใชพนทรปวงกลมหนงวงแทนปรมาณขอมลทงหมด และแบงพนทในวงกลมจากจดศนยกลางออกเปนสวนของวงกลมยอย ๆ ตามสวนของปรมาณขอมลทน�าเสนอ แลวเขยนตวเลขแสดงขอมลก�ากบไว ในทางปฏบตถาขอมลทตองการน�าเสนอเปนปรมาณทมาก เรานยมแสดงปรมาณขอมลเหลานนเปนรปรอยละของปรมาณขอมลทงหมด

- การน�าเสนอขอมลในรปแบบกราฟเสนเปนการน�าเสนอขอมลเพอแสดงการเปลยนแปลงของขอมลตามล�าดบกอนหลงของเวลาทขอมลนน ๆ เกดขน ท�าใหเหนการเปลยนแปลงเกยวกบขอมล และชวยให เหนแนวโนมตลอดจนความสมพนธตาง ๆ ระหวางขอมลซงสามารถน�าไปใชในการพยากรณเกยวกบขอมลนน

- การสรางสงของเครองใชหรอวธการตามกระบวนการเทคโนโลย เพอใหผเรยนท�างานอยางเปน กระบวนการ สามารถยอนกลบมาแกไขไดงาย

- การสรางสงของเครองใชหรอวธการตองอาศยความรทเกยวของอนอก เชน กลไกและการควบคม ไฟฟา-อเลกทรอนกส

- การเลอกใชวสดใหมความเหมาะสมกบการใชงาน ควรพจารณาปจจยในดานตาง ๆ เชน รปราง ส พนผว ความแขง ความเหนยว

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

35

กรอบแนวคด

จดประสงคของกจกรรม

1. อธบายหลกการทางวทยาศาสตรเกยวกบพลงงานศกยและพลงงานจลนทเกยวของกบการท�างานของกงหนน�าเพอผลตไฟฟา

2. ออกแบบและสรางแบบจ�าลองกงหนน�าเพอผลตกระแสไฟฟา

S: วทยาศาสตร *- พลงงานจลนและพลงงานศกย

- การถายโอนพลงงาน

E: วศวกรรมศาสตร- กระบวนการออกแบบเชงวศวกรรม

(การสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟา)

T: เทคโนโลย- การเลอกใชวสดใหเหมาะสมกบการใชงาน

M: คณตศาสตร- การน�าเสนอขอมลในรปแบบทเหมาะสม

- การวเคราะหขอมลทไดจากการน�าเสนอ

สวางไสวดวยสายน�า

* เปนวชาหลกในการน�ากจกรรมน

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

36

วสดอปกรณ

ท รายการจ�านวน

ตอกลมท รายการ

จ�านวน

ตอกลม

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

2 ชอนพลาสตก 10 อน 10 โวลตมเตอร หรอมลตมเตอร 1 ชด

3

พลาสตกลกฟก หนา 3 มลลเมตร

ขนาด 60 เซนตเมตร x 120

เซนตเมตร

1 แผน 11 ปนกาว 1 อน

4 ไมเสยบลกชน 10 อน 12 กรรไกร 1 เลม

5พลาสตกเจาะรส�าหรบเสยบ

ใบพด แบบ 6 ร และ 8 ร

อยางละ

1 อน13 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

แนวทางการจดกจกรรมการเรยนร

ขนระบปญหา 1. ครน�าเขาสบทเรยนโดยใหนกเรยนดภาพหรอวดทศนเกยวกบการใชประโยชนจากพลงงานน�าในรปแบบ

ตาง ๆ รวมทงการผลตไฟฟาโดยพลงงานน�าทใชในปจจบน เชน เขอนผลตไฟฟาล�าตะคอง เขอนภมพล 2. ครและนกเรยนรวมอภปรายเพอใหนกเรยนเกดแนวคดในการน�าพลงงานน�ามาใชประโยชน โดยเฉพาะ

การผลตไฟฟาโดยใชพลงงานน�า ซงศกษาเพมเตมไดจากใบความรท 1

ควรไดขอสรปวา การผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�าจะใชหลกการปลอยน�าจากอางเกบน�าเหนอเขอนซงอยในระดบทสง

กวา มพลงงานศกยสะสมมากกวาเมอเทยบกบน�าทายเขอนโดยใหน�าไหลไปตามอโมงคสงน�าไปยงกงหนของเครองก�าเนดไฟฟาซงอยในระดบทต�ากวา เกดการเปลยนรปพลงงานศกยไปเปนพลงงานจลน เมอกงหนหมนจะท�าใหแกนของเครองก�าเนดไฟฟาทตดอยกบแกนของกงหนหมนตามไปดวย เกดการเปลยนพลงงานจลนของการหมนของแกนเครองก�าเนดไฟฟาเปนพลงงานไฟฟาและสงออกไปตามสายสงไฟฟา โดยก�าลงไฟฟาทไดจะแปรตามความเรวรอบการหมนของกงหนและขนาดของเครองก�าเนดไฟฟา

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

37

3. ครสมมตสถานการณททาทาย “นกเรยนอาศยอยในหมบานทหางไกล ระบบสายสงไฟฟายงไปไมถง ท�าใหไมมพลงงานไฟฟาใช แตใกล

หมบานนนมน�าตกไหลตลอดทงป ใหนกเรยนชวยกนระดมความคดวาจะน�าพลงงานจากน�ามาใชผลตไฟฟาใหเพยงพอตอการใชงานในหมบานไดอยางไร”

4. ครและนกเรยนรวมกนวเคราะหสถานการณทก�าหนดใหโดยใชประเดนค�าถามดงตวอยาง - จากสถานการณทก�าหนดให สามารถสรปเปนปญหาหรอความตองการไดอยางไร

ควรไดขอสรปวา ตองการผลตไฟฟาใชในหมบาน โดยใชประโยชนจากน�าตกทไหลตลอดทงป โดยสรางเปนแบบจ�าลอง

กงหนน�าผลตไฟฟาทสามารถผลตไฟฟาไดมากทสดจากวสดทก�าหนดให

- ในการสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟา ควรมความรทเกยวของกบเรองใดบาง

ควรไดขอสรปวา ความรทเกยวของตอการสราง เชน หลกการผลตกระแสไฟฟา หลกการท�างานของกงหนน�า รปแบบ

ของกงหนน�า วสดอปกรณ

ขนรวบรวมขอมลและแนวคดทเกยวของกบปญหา 5. ครใหนกเรยนดภาพหรอวดทศนของกงหนน�ารปแบบตาง ๆ ทใชในปจจบน เชน แบงก (Bangi)

เพลตน (Pelton) ฟรานซส (Francis) แลวรวมกนอภปรายถงรปแบบของกงหนน�า โดยศกษาเพมเตมไดจากใบความรท 2

ควรไดขอสรปวา กงหนน�าจะถกออกแบบใหมลกษณะแตกตางกนตามลกษณะของไหลของกระแสน�า เชน ความสง

ของหวน�า ทศทางการรบน�า พนทรบน�า ลกษณะและจ�านวนใบพด ดงนน การออกแบบกงหนน�าของนกเรยนจงควรค�านงถงปจจยเหลานดวย

6. ครก�าหนดเงอนไขใหนกเรยนเพมเตมวาใชชดถงน�าส�าเรจรปในการจ�าลองการไหลของน�า โดยก�าหนดความสงของระดบน�าจากผวน�าในถงถงจดทน�ากระทบกบกงหนทระยะ 0.6 เมตร, 1.0 เมตร และ 1.5 เมตร

7. ครแบงนกเรยนออกเปนกลม กลมละ 5-6 คน จากนนใหแตละกลมส�ารวจอปกรณทครเตรยมไวเพอน�ามาใชสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟา

8. ครใหนกเรยนแตละกลมระดมความคดเพอรวบรวมขอมลทเกยวของกบการสรางกงหนน�าผลตไฟฟา เพอใหผลตไฟฟาไดมากทสดจากอปกรณทก�าหนดให เชน รปแบบของกงหนน�า จ�านวนแกนใบพด วสดทใชท�าใบพด ความแขงแรงของกงหนน�า ความสงของระดบน�าทปลอยลงมากระทบกงหนน�า และใหแตละกลมเลอกวธการสรางกงหนน�าทตองการจากขอมลทรวบรวมได โดยค�านงถงทรพยากรทมอย เชน วสดทเลอกใชมความเหมาะสม วธการสรางไมยากเกนไปและสามารถสรางไดในเวลาทก�าหนด

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

38

ขนออกแบบวธการแกปญหา 9. ครใหนกเรยนแตละกลมออกแบบกงหนน�าผลตไฟฟาจากการขอมลและแนวคดทไดจากการวเคราะห

ขนวางแผนและด�าเนนการแกปญหา 10. ครใหนกเรยนวางแผนและลงมอสรางกงหนน�าตามทออกแบบไว ในกรณทนกเรยนไมสามารถสราง

กงหนน�าใหสมบรณไดภายในเวลาทก�าหนด ใหนกเรยนท�านอกเวลาเรยนเพอใหมกงหนน�าทพรอมส�าหรบทดสอบประสทธภาพกงหนน�าในตอนตอไป

ขนทดสอบ ประเมนผล และปรบปรงแกไขวธการแกปญหาหรอชนงาน 11. ครใหนกเรยนแตละกลมทดสอบการท�างานของกงหนน�าวาสามารถผลตไฟฟาไดหรอไม โดยใช

โวลตมเตอรวดคาความตางศกยไฟฟาทไดจากเจเนอเรเตอร พรอมกบบนทกขอมลการทดสอบ

หมายเหต ในการวดคาความตางศกยทถกตองควรน�าตวตานทานไปตออนกรมกบหลอด LED แลววดคาความตางศกยทตกครอมกบตวตานทาน

ภาพการตอวงจรกงหนน�าผลตไฟฟา เพอวดคาความตางศกยไฟฟา

12. ครใหนกเรยนปรบปรงชนงานโดยใชผลการทดสอบตามขอ 10 เปนขอมลในการหาแนวทางการปรบปรงเพอใหผลตไฟฟาไดมากขน แลวน�าไปทดสอบการท�างานอกครงพรอมบนทกขอมล ในกรณทนกเรยน ไมพบแนวทางปรบปรงชนงาน ครอาจใชค�าถามกระตนใหเหนถงแนวทางในการปรบปรง ซงปญหาทอาจพบและแนวทางปรบปรงแกไขแสดง ดงตารางตอไปน

ปญหาทพบ สาเหตทเปนไปได แนวทางแกไข

1. กงหนน�าผลตไฟฟาไมได

- ความเรวในการหมนนอย- สายไฟทตอกบขวบวกและขวลบ

จากโวลตมเตอรเกดการลดวงจร - ปรบมเตอรไปยงหนวยวดทไม

ถกตอง

- พจารณาจ�านวนใบพดทท�าใหกงหนน�าหมนไดความเรวมากทสด

- ปรบระยะหางระหวางจดทวดคาความตางศกยของขวบวกและขวลบใหมากขน

โวลตมเตอร

หลอด LED

ตวตานทาน

เจนเนอเรเตอรG

V

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

39

ปญหาทพบ สาเหตทเปนไปได แนวทางแกไข

2. กงหนน�าผลตไฟฟาไดนอย

- กงหนน�ามอตราเรวในการหมนนอย

- ปรบเปลยนความยาวของแกนใบพด- ปรบเปลยนวสดส�าหรบท�าใบพดใหมพนท

ในการรบน�ามากทสด- พจารณามมของใบพดทรองรบแรงจากการ

ตกกระทบของน�าใหเปนมมทท�าใหกงหนน�าหมนไดเรวทสด

3. คาความตางศกยทวดไดแตละครงแตกตางกนมาก

- ปรมาณของน�าทตกกระทบกบกงหนน�าไมคงท และมต�าแหนงไมแนนอน

- ระยะความสงของการปลอยน�าแตละครงไมเทากน

- พจารณาชดถงน�าวาสามารถปลอยน�าในปรมาณทเทากนและตกกระทบกบใบพดของกงหนน�าในต�าแหนงเดมทกครงหรอไม

- ก�าหนดระยะความสงของถงน�าใหเทากนทกครง

13. ครใหนกเรยนน�าเสนอผลการทดสอบตามขอ 11 พรอมทงอาน แปลความหมายและวเคราะหขอมล โดยอาจใหนกเรยนแตละกลมเขยนกราฟความสมพนธระหวางคาความตางศกยและความสงแลวอภปรายรวมกนในกลม

ขนน�าเสนอวธการแกปญหา ผลการแกปญหา หรอชนงาน 14. ครใหนกเรยนแตละกลมน�าเสนอแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟาทสรางขน โดยน�าเสนอแนวคดใน

การสราง รปแบบของกงหน เหตผลในการเลอกใชวสด รวมทงผลการทดสอบและการปรบปรงแกไข กงหนน�าจนมประสทธผลมากทสด

15. ครและนกเรยนประเมนผลและอภปรายรวมกนเกยวกบปจจยทมผลตอการสรางกงหนน�าเพอใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด และแนวทางการสรางกงหนน�าผลตกระแสไฟฟาส�าหรบใชงานจรง

ควรไดขอสรปวา ปจจยทมผลตอการสรางแบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟา เชน 1) จ�านวนแกนของใบพด จะมผลตอการหมนทตอเนอง เนองจากหากตองการใหไดคาความ

ตางศกยไดสงนน ตองท�าใหกงหนหมนไดเรวและตอเนองมากทสด ซงหากจ�านวนแกนของใบพดนอยเกนไป เชน 4 แกน เมอน�าตกกระทบกบแกนท 1 แลวเกดการหมนดวยแรงของน�าและความเฉอยของแกน อาจไมมแรงในการหมนมากพอทท�าใหแกนท 2 หมนมาตรงกบต�าแหนงทน�าตกกระทบ เพราะระยะหางระหวางสองแกนนมากเกนไป (90 องศา) ดงนนจงตองเพมจ�านวนของแกนใบพดใหมากขน แตไมมขอก�าหนดทแนนอนวาตองเปนจ�านวนเทาใด เพราะตองพจารณาปจจยอน ๆ ทมผลตอการหมนของกงหนดวย เชน น�าหนกของกงหน ความยาวแกนของกงหน การมใบพดจ�านวนมากขนจะท�าใหกงหนมโมเมนตของความเฉอยมากขนดวย หากแรงจากน�าทไหลมคานอยลงบางชวงกจะยงท�าใหไบพดหมนตอไปไดเลกนอยดวยความเฉอยนนเอง

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

40

2) ความยาวแกนของใบพด ถาแกนใบพดยาวมากขนจะท�าใหใบพดหมนไดงายขน ซงอธบายไดดวยหลกการของคาน เราจะพบวาเมอแกนมใบพดยาว แมน�าปรมาณนอยและไหลไมเรว กสามารถท�าใหใบพดหมนไดงาย แตถาใบพดสนลง แรงจากน�าจะตองมากขนใบพดจงจะหมนได และในการออกแบบควรพจารณาต�าแหนงและวธการตดตงกงหนดวย เพราะถาใบพดยาวอาจจะไมสะดวกในการตดตง

3) วสดทใชท�าใบพด จะมผลตอน�าหนกของตวกงหน หากใชวสดทมน�าหนกมากเกนไป หรอมวลมากเกนไป กจะท�าใหกงหนเรมหมนไดยากและหมนชาเพราะมความเฉอยมาก แตถาใชวสดทเบาเกนไป กจะมผลตอความแขงแรงของกงหน

4) มมของใบพดทรองรบการตกกระทบของน�า ควรเอยงท�ามมกบแนวระดบเลกนอยเพอใหน�าสามารถไหลผานใบพดไปได และเกดแรงผลกใหกงหนหมน

5) ลกษณะของใบพด ควรมลกษณะโคงงอ คลายถวย ซงจะชวยใหเกดแรงในการหมนกงหนมากกวาเมอเทยบกบใบพดแบบเรยบ และควรใหมขนาดพนทหนาตดของใบพดใกลเคยงกบพนททน�าตกกระทบเพอไมใหเกดการ สญเสยพลงงาน

16. ครและนกเรยนอภปรายเพมเตมรวมกนเกยวกบการทดสอบประสทธภาพของกงหนน�าผลตไฟฟา ควรไดขอสรปวา 1) นอกจากปจจยเรองความสงของระดบน�าทปลอยลงมาใหกระทบกบกงหนน�าแลว ปรมาณและความเรว

ของน�ากมผลตอการความเรวในการหมนของกงหนน�าดวย ซงอาจท�าไดโดยการเปลยนขนาดทอปลอยน�าใหมขนาดใหญขน

2) ในการใชงานจรงนน จะวดประสทธภาพการท�างานของกงหนน�าดวยก�าลงไฟฟา (P) ซงจากการทดลองนเมอไดคาความตางศกย (V) และทราบคาความตานทาน (R) ในวงจร กสามารถค�านวณคาก�าลงไฟฟาไดจากสมการ P = V2/R

17. ใหนกเรยนแตละกลมรวมกนอภปรายถงหลกการทางวทยาศาสตรทน�ามาใชในการออกแบบและสรางชนงาน ควรไดขอสรปวา หลกการทางวทยาศาสตรทเกยวของเรมตงแตเมอปลอยน�าออกจากถงทอยระดบสงกวา ลงมากระทบกบกงหน

ทอยระดบต�ากวา พลงงานศกยของน�าในถงจะถายโอนใหกบกงหนน�าท�าใหกงหนน�าเคลอนทโดยการหมนรอบแกน เมอกงหนหมนจะท�าใหแกนของเครองก�าเนดไฟฟาทตดอยกบกงหนหมนตาม เกดการเปลยนรปพลงงานจากพลงงานจลนของการหมนของแกนเครองก�าเนดไฟฟาเปนพลงงานไฟฟา

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

41

การวดประเมนผล

รายการประเมน เครองมอทใชประเมน คะแนน

1. การออกแบบกงหนน�าเพอแกปญหาตามเงอนไขทก�าหนด ใบบนทกกจกรรมและแบบประเมนชนงาน

20

2. อธบายหลกการทางวทยาศาสตรเกยวกบพลงงานศกยและพลงงานจลนทเกยวของกบการท�างานของกงหนน�าเพอผลตไฟฟา

ใบบนทกกจกรรม 20

3. การทดสอบและการน�าเสนอผลการท�างานของกงหนน�าเพอผลตไฟฟา

ใบบนทกกจกรรมและแบบประเมนชนงาน

20

4. ความส�าเรจของชนงาน แบบประเมนชนงาน 15

5. การน�าเสนอผลงาน แบบประเมนชนงาน 15

6. การท�างานเปนกลม แบบประเมนชนงาน 10

รายการประเมนระดบ

ด (3) พอใช (2) ควรปรบปรง (1)

1. การออกแบบกงหนน�าเพอแกปญหาตามเงอนไขทก�าหนด

แบบรางกงหนน�ามความชดเจน สามารถสอสารใหผอนเขาใจได และแสดงเหตผลในการเลอกสราง ชนงานและการเลอกใชวสดไดอยางสมเหตสมผล และครบถวน

แบบรางกงหนน�าสามารถสอสารใหผอนเขาใจได แตแสดงเหตผลในการเลอกสรางชนงานและเลอกใชวสดไดไมครบถวน

แบบรางกงหนน�าไม สามารถสอสารใหผอนเขาใจได และไมสามารถแสดงเหตผลในการเลอกสรางชนงานและการเลอกใชวสดได

2. การทดสอบและการน�าเสนอผลการท�างานของกงหนน�าเพอผลตไฟฟา

น�าเสนอขอมลในรปแบบทเหมาะสม และสามารถเขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวางคาความตางศกยและความสงไดถกตอง

น�าเสนอขอมลในรปแบบทเหมาะสม แตไมสามารถเขยนกราฟแสดงความสมพนธระหวางคาความตางศกยและความสงไดถกตอง

น�าเสนอขอมลในรปแบบทไมเหมาะสม

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

42

รายการประเมนระดบ

ด (3) พอใช (2) ควรปรบปรง (1)

3. ความส�าเรจของชนงาน สรางกงหนน�าตามทออกแบบไวไดส�าเรจ และสามารถแกปญหาไดตามเงอนไขทก�าหนด

สรางกงหนน�าตามทออกแบบไวไดส�าเรจ แตไมสามารถแกปญหาตามเงอนไขทก�าหนดได

ไมสามารถสรางกงหนน�าตามทออกแบบไวไดส�าเรจ

4. การน�าเสนอผลงาน น�าเสนอผลงานไดนาสนใจ สอสารไดอยางชดเจนและเปนขนตอน ใหขอมล ครบถวน

น�าเสนอผลงานไดนาสนใจ แตอาจใหขอมลไมชดเจนหรอไมครบถวน

การน�าเสนอผลงานขาดความนาสนใจ ใหขอมลไมครบถวนหรอไมชดเจน

5. การท�างานเปนกลม มการแบงหนาทของสมาชกกลม และแตละคนปฏบตตามบทบาทของตนเอง สมาชกกลมทกคนมสวนรวมในการท�ากจกรรม การแลกเปลยนความคดเหนและการแกปญหา

มการแบงหนาทของสมาชกกลม แตสมาชกบางสวนอาจละเลยการปฏบตตามบทบาทของตนเอง และ/หรอไมมสวนรวมในการท�ากจกรรม การแลกเปลยนความคดเหนและการแกปญหา

ไมมการแบงหนาทของสมาชกกลม และ/หรอสมาชกกลมไมรวมมอกนในการท�ากจกรรม การแลกเปลยนความคดเหนและการแกปญหา

หมายเหต: สามารถปรบเปลยนเกณฑการใหคะแนนไดตามความเหมาะสม

ขอเสนอแนะเพมเตมในการจดกจกรรม 1. วสดทดแทนในการสรางกงหนน�า มดงน

วสด วสดทดแทน

ชดเจนเนอเรเตอรขนาดเลกพรอมหลอด LED มอเตอรไฟฟากระแสตรง ขนาด 3 โวลต

พลาสตกเจาะรส�าหรบเสยบใบพด ไม

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

43

2. ครอาจจดกจกรรมแขงขนในหองเรยนไดโดยตดสนจากคาความตางศกยไฟฟาทวดไดสงทสด 3. ครอาจเพมเตมประเดนการวดและประเมนผลดานความคดสรางสรรค โดยใหนกเรยนทงหองรวมกน

ใหคะแนนวากงหนน�าผลตไฟฟาของกลมใดทท�างานไดและมรปแบบทแปลกใหม หรอมความสวยงาม ประณตมากทสด

4. เวลาทใชในการจดกจกรรมอาจมากกวา 4 ชวโมง และสามารถจดในกจกรรมชมนม หรอรายวชา เพมเตมได

ใบพดทท�าจากชอนพลาสตก ใบพดทท�าจากฝาขวดน�าพลาสตก

ใบพดทท�าจากพลาสตกลกฟก ใบพดทท�าจากฝาขวดน�าพลาสตก และฐานจากไม

แบบจ�าลองกงหนน�าผลตไฟฟาจากวสดตาง ๆ

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

44

5. ครควรเนนย�าเรองความปลอดภยในการใชอปกรณมคมของนกเรยน 6. จดชดทดสอบการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟาดงภาพตอไปน

สอและแหลงเรยนร 1. หนงสอเรยนรายวชาพนฐานวทยาศาสตร 5 ชนมธยมศกษาปท 3 เลม 1 สถาบนสงเสรมการสอน

วทยาศาสตรและเทคโนโลย 2. หนงสอเรยนรายวชาเพมเตมวทยาศาสตร พลงงานทดแทนกบการใชประโยชน ระดบมธยมศกษา

ตอนตน สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย 3. ใบความร เรอง โรงไฟฟาพลงน�า 4. ภาพน�าตกซงมความสงตางกน 5. ภาพหรอวดทศนการผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�า

วดความสงจากระดบทปลอยน�าถงจดทน�ากระทบกบกงหน ทระยะ 0.6 เมตร 1.0 เมตร และ 1.5 เมตร

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

45

แนวค�าตอบใบบนทกกจกรรม

1. จากการวเคราะหสถานการณ สรปเปนปญหาหรอความตองการไดดงน แนวค�าตอบ ตองการผลตไฟฟาใชในหมบาน โดยใชประโยชนจากน�าตกทไหลตลอดทงป โดยสรางเปนแบบจ�าลอง

กงหนน�าผลตไฟฟาทสามารถผลตไฟฟาไดมากทสดจากวสดทก�าหนดให

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

ใบพด ใชฝาขวดน�าพลาสตก เพราะมน�าหนกเบา สรางงาย และรองรบน�าทไหลตก กระทบไดด

ฐาน ท�าจากไมเนองจากม ความแขงแรงและหาไดงาย

แกนของใบพด ท�าจากไมเสยบ ลกชน และมจ�านวน 8 แกน เนองจากท�าใหกงหนหมน ไดตอเนอง

ภาพการออกแบบกงหนน�าผลตไฟฟา

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

46

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

47

5. บนทกแนวทางการปรบปรงแกไขกงหนน�าเพอใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด มดงน

แนวค�าตอบ 1. สรางกงหนน�าทมจ�านวนใบพดทเหมาะสมกบการหมนทตอเนอง 2. ปรบมมของใบพดใหเหมาะสมกบการรบแรงจากน�า 3. ใชวสดทมน�าหนกเหมาะสมในการสรางใบพด 4. ใชวสดส�าหรบท�าใบพดใหมพนทในการรบน�ามากทสด

6. สรปหลกการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟา และปจจยทมผลตอการสรางกงหนน�าใหสามารถผลตไฟฟาไดมากทสด

แนวค�าตอบ หลกการท�างานของกงหนน�าผลตไฟฟา คอ เมอปลอยน�าจากถงซงอยระดบสงกวากงหนน�าใหไหลมาตกกระทบกบใบพดจะท�าใหกงหนน�าหมน เมอกงหนน�าหมนจะท�าใหแกนของเจนเนอเรเตอรทตดอยกบกงหนหมนตาม ท�าใหสามารถผลตไฟฟาได ความสามารถในการผลตไฟฟาของกงหนน�าจะขนอยกบปรมาณและความเรวของน�าไหลตกกระทบกบใบพดของกงหนน�า จ�านวนใบพด วสดทใชท�าใบพด มมของใบพดทท�ากบน�าทตกกระทบ พนททรองรบการตกกระทบของน�า

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

48

ใบความรท 1

โรงไฟฟาพลงน�า

การผลตไฟฟาในโรงไฟฟาพลงน�า หลายคนคงเคยไดยนค�าวา “ในน�ามปลา ในนามขาว” กนมาบาง ค�านพบไดทประเทศไทยของเรา เพราะประเทศไทยเปนประเทศทอดมสมบรณไปดวยแหลงน�าและแมน�าทส�าคญมากมาย และในแหลงน�ากมทรพยากรหลากหลายทสามารถใหคนในทองถนประกอบอาชพได และเพอเปนการน�าน�าในแหลงตาง ๆ มาใชประโยชนมากขน ปจจบนจงมการสรางเขอนกกเกบน�า ซงมจดประสงคหลกเพอกกเกบน�าไวใชในการเกษตร นอกจากนนกมจดประสงคในดานอน ๆ เชน เพอการอปโภคบรโภค 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

49

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

ภาพการท�างานของโรงไฟฟาพลงน�า

ชดจ�าลองการผลตไฟฟาของโรงไฟฟาพลงน�า

จากภาพดานขวามอ ถาเราปลอยน�าจากทสงลงไปยงเครองก�าเนดไฟฟาทอยในระดบท ต�ากวา พลงงานศกยของน�าจะถายโอนใหกบกงหนของเครองก�าเนดไฟฟา ท�าใหกงหนเคลอนทโดยการหมนรอบแกน เมอกงหนหมนจะท�าใหแกนของเครองก�าเนดไฟฟาทตดอยกบกงหนหมนตาม เกดการเปลยนพลงงานจลนของการหมนของแกนเครองก�าเนดไฟฟา เปนพลงงานไฟฟา ซงถามการตดตงโวลตมเตอรทเครองก�าเนดไฟฟา จะสงเกตไดวาคาทอานไดจากโวลตมเตอรจะมการเปลยนคาไป ซงกคอมพลงงานไฟฟาเกดขนนนเอง

ระดบนำเหนอเขอน

เขอน

เครองกำเนดไฟฟา สายสงไฟฟา

กงหนนำ

อโมงคสงนำ

แมนำ

ระดบนำทายเขอน

อางเกบนำ

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.) กระทรวงศกษาธการ

50

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

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

เอกสารอางอง:สงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย กระทรวงศกษาธการ, สถาบน.หนงสอเรยนรายวชาเพมเตมวทยาศาสตร

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

www.NEED.orgภาพโรงไฟฟาพลงน�า เขอนภมพล จงหวดตาก จากการไฟฟาฝายผลตแหงประเทศไทย

อาคารลดแรงดน

ระบบสายสงไฟฟา

ทางออกของนำ

คลองหรอทอผนนำ

โรงไฟฟา

สถาบนสงเสรมการสอนวทยาศาสตรและเทคโนโลย (สสวท.)กระทรวงศกษาธการ

51

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

52