Xe chạy bằng năng lượng mặt trời hoạt động thế nào?
Tấm pin mặt trời biến ánh sáng thành điện năng cấp cho động cơ. Động cơ quay bánh xe thông qua trục hoặc bộ bánh răng, làm xe chuyển động. Khi thay đổi góc nghiêng của tấm pin, lượng ánh sáng chiếu lên bề mặt pin có thể thay đổi, nhưng tốc độ xe còn phụ thuộc vào bóng râm, ma sát bánh xe và khả năng khởi động của động cơ.
Trong hoạt động này, bạn sẽ chế tạo một chiếc xe đơn giản rồi so sánh thời gian xe đi hết cùng một quãng đường ở các góc nghiêng khác nhau.
Chuẩn bị vật liệu và dụng cụ
Chuẩn bị một tấm pin mặt trời nhỏ, động cơ DC hoặc động cơ giảm tốc có thông số điện áp phù hợp với tấm pin, dây nối, công tắc nhỏ nếu có, khung xe bằng bìa cứng dày hoặc vật liệu nhẹ, hai trục và bốn bánh xe. Cần thêm băng dính hoặc keo để cố định, thước, đồng hồ bấm giờ và bút để ghi kết quả.
Để chỉnh góc pin, làm một giá đỡ có bản lề bằng băng dính và vài thanh chống với chiều dài khác nhau. Trước khi nối điện, đọc thông số trên tấm pin và động cơ; không chọn tấm pin có điện áp vượt quá giới hạn cho phép của động cơ.
Lắp xe và kiểm tra chuyển động
Gắn hai trục song song dưới khung, lắp bánh xe và quay thử từng bánh bằng tay. Bánh cần quay tự do, không cọ vào khung. Cố định động cơ sao cho trục động cơ truyền lực tới bánh chủ động bằng bộ bánh răng hoặc cơ cấu truyền động phù hợp.
Nối cực dương của tấm pin với một đầu động cơ, cực âm với đầu còn lại; nếu dùng công tắc, lắp công tắc nối tiếp trên một dây. Cố định dây để không vướng bánh. Đặt xe dưới ánh nắng trực tiếp để kiểm tra. Nếu bánh quay ngược hướng mong muốn, ngắt kết nối rồi đổi chỗ hai dây ở động cơ. Nếu động cơ không khởi động, kiểm tra mối nối, bóng râm và độ ma sát của bánh trước khi thay linh kiện.
Tạo các góc nghiêng cho tấm pin
Gắn một mép tấm pin vào khung bằng bản lề, để mặt nhận sáng hướng lên và không bị dây hoặc thanh chống che khuất. Dùng thước đo góc để đặt lần lượt các mức 0°, 15°, 30°, 45° và 60° so với mặt phẳng nằm ngang. Thanh chống phải giữ pin chắc chắn nhưng không làm thay đổi vị trí các bộ phận khác của xe.
Góc cho kết quả tốt nhất không cố định trong mọi tình huống: nó phụ thuộc vào vị trí Mặt Trời và hướng xe. Khi thử, giữ xe cùng một hướng và nghiêng pin về phía có ánh nắng chiếu tới. Tránh để chính khung xe tạo bóng lên tấm pin.
Thiết kế phép thử công bằng
Chọn mặt đường phẳng, khô, không có bóng râm và đánh dấu vạch xuất phát, vạch đích cách nhau 1 m. Nếu xe chưa đi được 1 m, chọn một quãng ngắn hơn nhưng giữ nguyên quãng đó cho mọi lần thử. Đặt xe sau vạch xuất phát, bật công tắc hoặc nối mạch mà không đẩy xe, rồi bấm giờ khi đầu xe qua vạch xuất phát và dừng khi đầu xe qua vạch đích.
Thử mỗi góc ít nhất ba lần. Giữ nguyên khung xe, hướng chạy, mặt đường và cách thả xe. Tiến hành các lượt gần nhau về thời gian; có thể thử các góc theo thứ tự tăng dần rồi giảm dần để dễ nhận ra ảnh hưởng của việc nắng thay đổi. Ghi chú nếu có mây che, gió mạnh hoặc bóng râm đi qua.
Ghi số liệu và so sánh
Lập bảng với các cột: góc nghiêng, thời gian lượt 1, lượt 2, lượt 3, thời gian trung bình và ghi chú điều kiện ánh sáng. Nếu xe không tự khởi động hoặc không tới đích, ghi rõ điều đó thay vì điền thời gian bằng 0.
Với những lượt hoàn thành, tính thời gian trung bình bằng tổng thời gian chia cho số lượt hợp lệ. Có thể tính tốc độ trung bình bằng quãng đường chia cho thời gian trung bình; chẳng hạn, nếu quãng đường là 1 m thì đơn vị tốc độ là m/s. So sánh các góc dựa trên kết quả đã ghi, đồng thời xem các lượt của cùng một góc có chênh lệch nhiều không.
Giải thích kết quả và cải tiến thí nghiệm
Nếu xe đi nhanh hơn ở một góc nào đó, một cách giải thích có thể là mặt pin nhận ánh sáng thuận lợi hơn vào thời điểm thử. Tuy nhiên, không nên kết luận chỉ từ một lượt: ánh nắng thay đổi hoặc bánh xe cọ vào khung cũng có thể làm thời gian khác đi.
Nếu kết quả thiếu ổn định, kiểm tra lại mối nối, bánh xe và độ chắc của giá đỡ, rồi thử lại với cùng quy trình. Một bước mở rộng là đo điện áp ở hai cực tấm pin khi động cơ đang nối mạch, nếu có đồng hồ đo phù hợp. Ghi số đo cùng góc nghiêng và thời điểm để đối chiếu với chuyển động của xe.
Lưu ý an toàn
Nhờ người lớn hỗ trợ khi dùng kéo, dao thủ công hoặc keo nóng. Ngắt kết nối tấm pin trước khi chỉnh dây; không để hai đầu dây từ tấm pin chạm trực tiếp vào nhau. Không nhìn thẳng vào Mặt Trời để xác định hướng nắng.
Thử xe ở nơi an toàn, tránh đường có phương tiện qua lại. Nếu tấm pin hoặc dây nối nóng bất thường, dừng thử, che tấm pin để ngắt nguồn sáng và kiểm tra mạch trước khi tiếp tục.
