ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА БАЗЕ ЛАБОРАТОРИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ В ОБЛАСТИ ВОДОРОДНОЙ ЭКОНОМИКИ

EDUCATIONAL PROGRAMMES IN HYDROGEN ECONOMY

Статья поступила в редакцию 06.08.12. Ред. рег. № 1387 The article has entered in publishing office 06.08.12. Ed. reg. No. 1387

УДК 001.92; 620.91; 621.352.6

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ НА БАЗЕ ЛАБОРАТОРИИ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Ю. Ходаковска, Л. Гринберга, Я. Клеперис

Институт физики твердого тела при Латвийском университете Латвия, Рига, LV-1063, ул. Кенгарага, д. 8 Тел. +371 67262145; факс. +371 67132778, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 20.08.12 Заключение совета экспертов: 25.08.12 Принято к публикации: 30.08.12

Помимо научной деятельности в лабораториях Института физики твердого тела организуют и проводят различные образовательные мероприятия, ориентированные в основном на учашдхся школ или высших учебных заведений. Возраст и образование слушателей накладывает определенные ограничения на лектора, однако эти рамки не мешают разнообразию преподнесения материала.

Данная статья посвящена нашему опыту в организации различных образовательных мероприятий, проводимых главным образом на базе Института физики твердого тела и посвяшенных возобновляемым источникам энергии и водородной энергетике.

Ключевые слова: материалы для водородной энергетики, образование, водородная энергетика, солнечная энергия.

EDUCATIONAL ACTIVITIES BASED ON RESEARCH LAB MATERIALS FOR

HYDROGEN ENERGY

J. Hodakovska, L. Grinberga, J. Kleperis

Institute of Solid State Physics 8 Kengaraga Str., Riga, LV-1063, Latvia Tel. +371 67262145; fax: +371 67132778, e-mail: [email protected]

Referred: 20.08.12 Expertise: 25.08.12 Accepted: 30.08.12

There are several educational events on renewable energy technologies in the Institute of Solid State Physics apart from scientific research; the target audience is mainly students from schools, institutes and universities. Age and education plays major role in the way of explaining phenomena, but at the same time it is not a restriction on how it is done, allowing apply several methods.

In this article our experience in organizing such type of events on the base of Institute of Solid State Physics, dedicated to renewable power sources and hydrogen economy, is discussed.

Keywords: materials for hydrogen energy, education, hydrogen energy, solar energy.

Organization(s): Institute of Solid State Physics, researcher, Dr.Phys. Education: University of Latvia, Faculty of Physics and Mathematic (1999-2011). Experience: Institute of Polymer Mechanics, laboratory assistant (2001-2002). Institute of Solid State Physics, laboratory assistant (2001-2008), researcher (from 2008).

Main range of scientific interests: hydrogen economy, polymer electrolyte membrane fuel cells. Publications: 3.

Julija Hodakovska

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (113) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Введение

Образовательные мероприятия среди школьников и студентов на базе научно-исследовательских организаций преследуют сразу две цели: просветительскую и агитационную. Первая призвана ознакомить людей с достижениями науки, повысить понимание процессов и уменьшить напряжение, разжигаемое порой некоторыми недобросовестными или необразованными журналистами, пытающимися создать видимость сенсации.

Агитация же является необходимым элементом для пополнения рядов студентов или привлечения внимания к конкретной проблематике. Научные исследования невозможно поручить роботу или каким-либо иным образом автоматизировать, сведя влияние человека к минимуму, ведь именно ученый является генератором идей и главным анализатором результатов, способным сделать выводы и определить дальнейшее направление опытов. К сожалению, далеко не во всех школах у учеников имеется возможность изучать науку не только по учебникам, но и проводя занимательные эксперименты, и посещение научно-исследовательских центров позволяет в некоторой мере компенсировать этот недостаток. Студенты более заинтересованы в выборе дальнейшего направления своей карьеры и, как следствие, в выборе специализации. В обоих случаях происходит знакомство с передовыми исследованиями, а не с уже ставшими классикой темами из учебников.

Наша лаборатория принимает участие в нескольких видах подобной деятельности, а именно проводит:

- короткие (до 20 минут) ознакомительные лекции в ходе экскурсии для школьников и студентов, посещающих Институт физики твердого тела (ИФТТ);

- полноценные (от 1 часа) лекции для школьников и студентов в рамках образовательных мероприятий (например, лекции студентам, в том числе и не имеющим отношения к физике) или проектов (например, «Schools at University for Climate & Energy»[1]);

- соревнование для школьников «Кубок Солнца» между самодельными транспортными средствами, работающими на солнечных батареях;

- лабораторные работы для студентов (на данный момент по хранению водорода в металлгидридах и по топливным элементам).

Ниже будет подробнее рассказано о каждом виде нашей деятельности, его особенностях, достоинствах и недостатках.

Ознакомительные экскурсии и семинары для школьников и студентов

Посещение ИФТТ учащимися (реже интересующимися какой-либо проблематикой, связанной с исследованиями, проводимыми в ИФТТ) включает в

себя посещение лабораторий, где у них есть возможность ознакомиться с работой ученых. На рассказ о каждой лаборатории отведено ограниченное количество времени. В случае с нашей лабораторией это является причиной крайне сжатого обзора изучаемых нами проблем, т. к. необходимо коснуться деятельности несколько групп, которые занимаются разными аспектами, связанными с водородной энергетикой и возобновляемыми ресурсами:

- солнечная энергия и энергия ветра;

- получение водорода путем электролиза и при помощи микроорганизмов;

- хранение водорода в металлгидридах;

- использование водорода в топливных элементах.

Как правило, рассказ построен именно в том порядке, в котором пункты приведены выше. Проблемы возобновляемой энергии на примере Солнца или ветра чаще всего известны даже школьникам младших классов. Это позволяет вовлечь их в дискуссию и по возможности заинтересовать в теме. После следует обсуждение хранения энергии и переход на получение энергии из водорода, что создает для слушателей понятную логическую цепочку от производства до потребителя.

Для демонстрации нами используются следующие предметы:

- солнечные батареи со снятыми защитными крышками, позволяющие видеть кремниевую пластинку;

- щит, позволяющий направлять солнечную энергию в электрическую сеть, и компьютерная программа для мониторинга [2];

- металлгидрид в виде минерала и порошка;

- демонстрационная батарея топливных элементов (с небольшим баллоном водорода в металлгид-риде (Ovonic Hydrogen Systems, США) [3] и небольшим электромотором с пропеллером) и разобранный топливный элемент;

- при наличии возможности - небольшой автомобиль типа картинга на топливном элементе (рис. 1).

-л:-*

т

а Ь

Рис. 1. Материалы для демонстраций: порошок металлгидрида и топливный элемент (а); автомобиль на топливном элементе (b) Fig. 1. Materials for demonstrations: metalhydride powder and fuel cell (а); electromobile with fuel cell (b)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Помимо использования наглядных пособий не следует забывать и об уровне образования слушателей. Поэтому не рекомендуется углубляться в физические термины, т.к. помимо посещения нашей лаборатории дети уже посетили или еще посетят другие лаборатории, и обилие терминов не позволит им адекватно воспринимать информацию. При наличии времени или разделения тем на отдельные лекции (в сумме от 1 часа) возникает возможность подробнее рассказать о некоторых процессах, важных для конкретного направления исследований. Для подобных демонстраций превлекают студентов, работающих в лаборатории, что позволяет не только подать материал в более доступной форме, но и разобраться в теме самим студентам, при этом приобретается опыт выступления перед аудиторией.

Главными недостатками данного вида мероприятий является нехватка знаний у слушателей, вынуждающая тратить время на объяснение ряда основных понятий, сокращая время на сам исследуемый вопрос. Еще один существенный недостаток - отсутствие интереса со стороны слушателей, т.к. в группу часто входят не только заинтересованные в теме ученики (исключением являются группы, изначально составленные из интересующихся темой людей, например, участников Республиканской олимпиады по физике). Эту проблему невозможно решить в силу организационных особенностей лекций и требований в том числе и со стороны школ.

Лабораторные работы

Лабораторные работы - как и посещение семинаров - являются обязательным для студентов мероприятием. Аналогично школьникам студенты имеют различную подготовку, однако некоторые знания в области физики у них уже имеются. Еще одно преимущество (которое, к сожалению, далеко не всегда используется самими студентами) - возможность ознакомиться с описанием работы и уточнить непонятные термины до самой лабораторной работы. Главным недостатком этой формы подачи знаний является ограниченное время, которое не дает возможности студентам работать в течение нескольких дней (типичная лабораторная работа длится 4 часа), что уменьшает количество возможных тем.

Наша лаборатория в последние годы предлагала 2 варианта лабораторных работ, обе работы основываются на имеющихся в продаже комплектах, что делает их привлекательными для лаборатории, т.к. не требует освобождать аппаратуру для студентов, таким образом прерывая собственные эксперименты.

Первая лабораторная работа - «Материалы для водородной энергетики» - концентрируется на изучении феноменов, связанные с хранением водорода, при помощи установки НТТ-2 (Solid-H™, Hydrogen Instruments Inc., США), состоящей из 2 контейнеров, соединенных между собой с возможностью перекрыть соединение краном, а также манометров, по-

зволяющих контролировать давление водорода в контейнерах. После проведения экспериментов по абсорбции и десорбции водорода студенты должны нарисовать диаграмму Вант-Гоффа, вычислить свободную энергию Гиббса и изменение энтропии, а также объяснить фазовый закон Гиббса на основе результатов своих измерений (рис. 2).

4

3.6

F

(С 3.2

п

с 2.8

2.4

2

DES Д(1/ Т ) ^DES=RTÍnPlM,ÍSK

- (Д/Лрс — AGnrc VТ

С£>

•

, 0 00017 ,

0.00315 0.0032

b

0.0033 0.0034

1/Т (К)

Рис. 2. Установка НТТ-2 (а) и пример расчета параметров на основе диаграммы Вант-Гоффа (b) Fig. 2. HTT-2 device (а) and sample for analysis based on Vant-Hoff diagramm (b)

Лабораторная работа «Топливные элементы» позволяет студентам ознакомиться с данной технологией, ее особенностями и попробовать самим создать топливный элемент. Опыт по созданию топливного элемента был взят из журнала «Химия и жизнь» (1966 г., № 9) как не требующий дорогих составляющих и легкий в исполнении. Для сравнения параметров студентам доступен коммерческий демонстрационный метаноловый топливный элемент и тестовый стенд (приобретен на www.fuelcellstore.com), что позволяет расчитать и сравнить рабочие параметры. Использование схожего топлива при разных электролитах (раствор щелочи для этанола и твердая полимерная про-тон-проводящая мембрана для метанола) позволяет усложнить работу и привлечь внимание к разнообразию топливных элементов (рис. 3).

a

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (113) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

b

Рис. 3. Схема самодельного топливного элемента на этане [4] (а) и внешний вид коммерческого топливного элемента на метане (b) Fig. 3. Scheme of self-made ethanol fuel cell [4] (a) and commercially available methanol fuel cell (b)

Для получения вольт-амперной характеристики и мощности используется специальный тестовый стенд, подключенный к компьютеру, что позволяет автоматизировать эксперимент или же, напротив, изменять параметры эксперимента вручную, уделяя внимание наиболее интересным (рис. 4).

Рис. 4. Набор для тестирования топливных элементов или других источников электроэнергии Fuel Cell Monitor [5] Fig. 4. Testing kit Fuel Cell Monitor for fuel cells and other power sources [5]

Обе лабораторные работы рассчитаны не более, чем на 4 часа работы в лаборатории, однако дают возможность ознакомиться с представленными технологиями.

Кубок Солнца

Еще один вид мероприятий, проводимых нашей лабораторией для школьников, - соревнования между самодельными моделями машин, работающими на солнечных батареях: Кубок Солнца. Помимо самих соревнований в программу мероприятия входят также лекции на темы, связанные с альтернативной энергией.

Впервые соревнование было проведено в 2008 году, и с тех пор оно стало ежегодным мероприятием, в котором принимают участие множество школ из различных городов Латвии. Информация о мероприятии изначально распространялась при помощи интернет-портала, объединяющего учителей, а также среди посетивших ИФТТ или во время иных мероприятий, куда были приглашены представители нашей лаборатории.

Мы предоставляем участникам солнечные батареи, моторы и винты (для модели лодки), однако, если у учащихся есть возможность использовать свои материалы, они имеют на это право. Чтобы соревнования проходили честно, именно для таких случаев разработана система классов - набор требований к моделям, позволяющий отделить более продвинутые модели от самых простых. Таким образом увеличивается интерес участников, которые осознают, что даже если они не могут позволить себе вложить в свою модель какую-либо сумму денег, у них есть шанс выиграть в соответствующей категории.

Как правило, в соревновании принимает участие более 60 команд, что позволяет выделить 2-3 категории в каждом виде соревнований. Также имеется несколько дисциплин:

- скоростная трасса, состоящая из гладкой поверхности (доски для ламинатного напольного покрытия);

- «силовая» трасса, где при помощи искусственного травяного покрытия на дистанции создан рельеф;

- водяная трасса, располагающаяся в надувном бассейне (позволяет после использования освободить занимаемую площадь);

- воздушная трасса, к сожалению, пока никому не удалось создать действительно летающую модель, хотя попытки были, и как вызов более продвинутым изготовителям моделей эта дисциплина остается в списке.

Единственное ограничение - участие 1 модели в каждой дисциплине, т.е. одна и та же команда может попробовать свои силы даже на всех 4 предложенных трассах [6] (рис. 5).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 09 (113) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

c

Рис. 5. Трассы для проведения кубка Солнца: силовая (а), скоростная (b) и водная (с) Fig. 5. Race tracks in competition "Solar Cup": power (a), speed (b) and water (c)

Интерес к этому мероприятию проявляют спонсоры - от производителей продуктов до распостра-нителей инструментов и издательств, а также государственные структуры, призванные поддерживать образование в стране - это позволяет наградить наиболее отличившихся. По возможности мы стараемся организовать небольшие подарки для всех участников. Свою лепту в информированность населения вносят СМИ, снимающие и транслирующие репортажи о проводимом мероприятии.

тематикой. В этом случае научно-исследовательская работа, как правило, занимает не менее полугода, в течение которого ученики изучают теорию и проводят эксперименты. Лучшие работы участвуют в конкурсе за право представлять Латвию на международном уровне.

Теоретические консультации и помощь в экспериментальной части являются тем, что мы можем предложить школьникам. Теоретические консультации могут быть как оценкой реальности исполнения задуманного эксперимента или рекомендацией, к кому слеует обратиться, так и помощью в подборке литературы. Подобная помощь в работе возможна при любой сложности научно-исследовательской работы школьников. Однако наиболее интересны практические работы, где школьники проверяют выдвинутые ими же гипотезы или исследуют какой-либо феномен.

В отличие от лабораторных работ или экскурсий, ученики в данном случае заинтересованы в результатах и проявляют инициативу, с ними легче работать. Из недостатков данного вида работы можно назвать сложности в согласовании времени - помимо того, что школьники приходят после уроков, требуется также учесть осуществление ими своих экспериментов, т.к. требуется аппаратура.

На данный момент с нашей помощью выполнено 16 работ, включающих такие темы, как производство электричества при помощи волн, прямое преобразование энергии ветра в тепло и создание переносного душа с солнечным коллектором.

Заключение

Разнообразие образовательных мероприятий, которые возможно проводить на базе лаборатории, велико, некоторые из вариантов не требуют больших затрат времени или финансов, другие являются серьезной работой для всех участников. Мы надеемся, что опыт нашей лаборатории в этой области окажется полезным и позволит привлечь к науке молодых людей.

Благодарности

Авторы благодарят Государственную научную программу в энергетике за финансовую поддержку исследований.

Другие виды деятельности

Список литературы

Научно-исследовательские работы в школах были введены около 10 лет назад, они предоставляют собой возможность школьникам самим выбрать тему и степень сложности своего научного труда. Такие работы проводятся во всех школах и среди учеников всех классов, большая часть предпочитает легкие в исполнении темы, занимающие немного времени (около недели). Однако некоторая часть - в основном учащиеся 10-12 классов - выбирает темы, требующие серьезного научного подхода, для чего обращается в лабораторию, занимающуюся выбранной

1. http://vide.lu.lv/docs/pkp.html.

2. Quasiautonomous Educational Solar Power Supply. Technical Manual // Solar-System Ltd., Hungary, 2008.

3. http://www.ovonic-hydrogen.com.

4. Пол-литра электричества // Химия и Жизнь. 1966. No. 9. С. 76-78.

5. http://www.fuelcellstore.com/en/pc/viewPrd.asp7idpro-duct=1259.

6. Kleperis J., Dimanta I., Dimants J., Sloka B. Lessons from Teaching Renewables: Domestic and Cross-border education - Latvian Solar Cup // Regional Formation and Development Studies. 2012. No. 1 (6). P. 60-66.

ГхГ>

- TATA —

IXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 09 (113) 2012 Ю1 © Научно-технический центр «TATA», 2012 I w I