Sáng kiến kinh nghiệm THPT: Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với dự án nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG THPT NGUYỄN CHÍ THANH

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
An Giang, ngày 10 tháng 01 năm 2019.
BÁO CÁO

Kết quả thực hiện sáng kiến, cải tiến, giải pháp kỹ thuật, quản lý, tác nghiệp,
ứng dụng tiến bộ kỹ thuật hoặc nghiên cứu khoa học sư phạm ứng dụng
I- Sơ lược lý lịch tác giả:
- Họ và tên: Phan Văn Quang

Nam, nữ: Nam

- Ngày tháng năm sinh: 1987
- Nơi thường trú: TT Chợ Vàm- Phú Tân – An Giang
- Đơn vị cơng tác: THPT Nguyễn Chí Thanh
- Chức vụ hiện nay: Giáo viên
- Trình độ chun mơn: Thạc sĩ Hóa học
- Lĩnh vực cơng tác: giáo viên dạy lớp
II.- Sơ lược đặc điểm tình hình đơn vị:
- Cuộc thi nghiên cứu khoa học kỹ thuật dành cho học sinh là cuộc thi được tổ
chức thường niên, nó là cơ hội để các em học sinh học hỏi giao lưu và thể hiện niềm
đam mê với nghiên cứu khoa học, tuy nghiên việc thực hiện các đề tài nghiên cứu ở
các trường nơng thơn gặp nhiều khó khăn. Cụ thể như đối với các dự án cần phải đo
kết quả ở các trung tâm phân tích, hay tìm mua các dụng cụ thí nghiệm, hoặc kinh
phí để thực hiện dự án. Tuy nhiên bù đắp lại những khó khăn đó là sự hỗ trợ có hiệu
quả từ ban giám hiệu, thầy cơ và lịng say mê nghiên cứu của các em nên hằng năm

trường đều các sản phẩm tham dự cuộc thi khoa học kỹ thuật và đạt kết quả tốt.
- Tên sáng kiến/đề tài giải pháp: hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ
thuật với dự án “nghiên cứu máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm
biến nhiệt độ”
- Lĩnh vực: năng lượng vật lý.
III. Mục đích yêu cầu của đề tài, sáng kiến:
1. Thực trạng ban đầu trước khi áp dụng sáng kiến
- Khuyến khích học sinh trung học nghiên cứu khoa học; sáng tạo kỹ thuật,
công nghệ và vận dụng kiến thức của các môn học vào giải quyết những vấn đề thực
tiễn , theo yêu cầu sở giáo dục nhà trường tổ chức chuyển khai cuộc thi nghiên cứu
khoa học đến tồn học sinh, thơng qua các buổi sinh hoạt dưới cờ, các tiết sinh hoạt
chủ nhiệm, các buổi hoạt động ngoại khóa nhằm khơi gợi cho học sinh ý tưởng khoa
học.
- Các em có nhiều ý tưởng trao đổi với giáo viên xuất phát từ kiến thức đã học,
nhu cầu bức thiết của cuộc sống, các vấn đề nóng của xã hội, môi trường. Tuy nhiên
Trang: 1


việc tiến hành nghiên cứu dựa trên các ý tưởng đó cịn gặp rất nhiều khó khăn, do
điều kiện nghiên cứu nhà trường, địa phương, kinh phí làm đề tài, và trình độ giáo
viên hướng dẫn, do vậy việc lựa chọn một đề tài phù hợp với các yêu cầu trên là sự
căn nhắc khó khăn giữa giáo viên hướng dẫn và học sinh để đề tài được thực hiện
thành cơng.
- Trong nhiều ý tưởng học sinh đề xuất có ý tưởng về sự cần thiết sử dụng năng
lượng mặt trời để làm nóng nước phục vụ nhu cầu sinh hoạt hộ gia đình, qua tìm hiểu
thơng tin thiết bị nước nóng trên thị trường cũng như các thiết bị tự chế người dân và
các dự án liên quan đã dự thi, thầy và trò tiến hành thực hiện dự án "Nghiên cứu máy
nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ".
2. Sự cần thiết phải áp dụng sáng kiến
- Nghiên cứu khoa học trong học sinh được ngành giáo dục tổ chức trong nhiều

năm qua. Đã có rất nhiều cuộc thi được tổ chức và cũng nhiều lớp tập huấn được triển
khai. Tuy nhiên phong trào tham gia ở các trường vẫn còn hạn chế chỉ tập trung vào
một vài giáo viên. Thông qua sáng kiến nhằm phát động rộng rãi trong toàn trường
nhằm lan tỏa đến toàn thể học sinh nhằm giúp cho học sinh có thể vận dụng kiến thức
đã học để giải quyết các vấn đề cuộc sống, và giúp cho việc đổi mới việc dạy và học
ngày càng đi vào chiều sâu.
- Về nội dung dự án giải quyết vấn đề cần thiết cuộc sống:
+ Nước ta nằm trong khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên việc sử dụng
năng lượng mặt trời để làm nóng nước là rất cần thiết.
+ Những chiếc máy nước nóng năng lượng mặt trời trên thị trường có giá thành
cao. Và thực tế đã có một số máy nước nóng năng lượng mặt trời do người dân tự chế
tạo, tuy nhiên những chiếc máy đó có hạn chế là khơng giữ được nhiệt độ của nước
lâu.
+ Từ suy nghĩ đó nhóm học sinh đã nghiên cứu tạo ra một thiết bị làm nóng
nước bằng năng lượng mặt trời và có thể tự động thu nước nóng xuống dự trữ ở bình
bảo ơn để giữ được nhiệt độ nước lâu hơn.
3. Nội dung sáng kiến
3.1 Tiến trình thực hiện:
Bước 1: Phát động cuộc thi nghiên cứu khoa học trong toàn trường, do ban giám
hiệu nhà trường thực hiện.
Bước 2: Học sinh suy nghĩ các ý tưởng tìm đến giáo viên để hỗ trợ thực hiện ý
tưởng của bản thân.
Bước 3: Dựa trên ý tưởng và giả thuyết khoa học, xây dựng kế hoạch nghiên
cứu cụ thể.
Bước 4: Tiến hành nghiên cứu, hoàn thiện sản phẩm, và viết bài báo cáo kết quả
nghiên cứu.
Bước 5: hướng dẫn cho các em tham gia các cuộc thi vòng trường, vòng sơ khảo,
vòng 2.
Trang: 2

3.2 Thời gian thực hiện:
- Phát động cuộc thi nghiên cứu khoa học kỹ thuật: 1/2018
- Thời gian xây dựng kế hoạch nghiên cứu: 8/2018 - 9 /2018
- Thời gian thực hiện 9/2018 - 12/2018.
- Học sinh tham gia dự án
+ Dương Thị Bích Duyên

Lớp: 11C6

+ Trần Quang Huy

Lớp: 10C7

3.3 Tổ chức thực hiện nghiên cứu dự án khoa học.
3.3.1. Dự án nghiên cứu vấn đề gì?
Dự án nghiên cứu về việc sử dụng nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời để
đun nóng nước. Sử dụng cảm biến nhiệt độ để quản lí nhiệt độ của nước và điều khiển
lượng nước cung cấp và lượng nước nóng nhận được bằng van điện từ giúp máy có
khả năng tự hoạt động để thu được nước nóng mà khơng cần nhờ sự can thiệp của
con người. Sử dụng bình dự trữ để bảo quản nhiệt độ của nước nóng. Bên cạnh đó
thiết bị phải đảm bảo chi phí lắp đặt thấp phù hợp với thu nhập của tất cả mọi người
3.3.2. Các giả thuyết khoa học phục vụ cho quá trình nghiên cứu dự án
a. Hiệu ứng nhà kính:
Khi Mặt Trời xun qua kính thì các tia sáng có bước sóng < 0,7μm sẽ qua được
kính. Khi năng lượng bức xạ Mặt Trời xuyên qua các cửa sổ hoặc máy nhà bằng kính
sẽ xảy ra các tương tác của các photon lên vật chất làm phát xạ các tia hồng ngoại (có
bước sóng > 0,7 μm) nên khơng khỏi đi ra khỏi nhà kính và kèm theo một nhiệt lượng
dẫn đến khơng khí bên trong nóng lên kể cả những vị trí khơng được chiếu sáng trực
tiếp.

b. Bức xạ Mặt Trời:
Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra. Đây chính
là nguồn năng lượng chính cho các q trình phong hóa, bóc mịn, vận chuyển, bồi
tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời.
c. Phương pháp đối lưu:
Đối lưu là sự di chuyển của những nhóm phân tử trong chất lưu như chất lỏng,
chất khí hay chất lưu biến (rheid). Đối lưu có thể diễn ra thơng qua bình lưu hoặc
qua khuếch tán hoặc qua cả hai.
Dịng đối lưu có thể chảy nhờ lực đẩy Ácsimét, khi chênh lệch nhiệt độ kéo theo
chênh lệch mật độ của chất lưu trong trường lực hấp dẫn; hoặc có thể bị cưỡng bức
bằng một dịng chảy do ngoại lực tác động như bơm.
d. Cảm biến nhiệt độ:
Cảm biến nhiệt độ là một thiết bị dùng để cảm nhận lượng nhiệt tại khu vực cần
đo. Mục đích sử dụng cảm biến nhiệt độ là để báo cho người dùng biết lượng nhiệt
hiện tại trong khu vực cần đo là bao nhiêu. Cảm biến nhiệt độ được thiết kế rất nhiều
loại với nhiều dãy đo; độ bền và độ chính xác khác nhau tùy theo từng khu vực đo
mà người dùng nên chọn thiết bị dò nhiệt hợp lý.

Trang: 3


Hình 1: Cảm biến nhiệt độ
e. Van điện từ:
Van điện từ là một thiết bị cơ điện, dùng để kiểm sốt dịng chảy chất khí hoặc
chất lỏng dựa vào ngun lí chặn đóng mở do lực tác động của cuộn dây điện từ.

Hình 2: van điện từ
3.3.3. Tóm tắt q trình nghiên cứu dự án và kết quả thu được.
A. Thí nghiệm áp dụng biện pháp hiệu ứng nhà kính và dùng nguồn năng
lượng ánh sáng Mặt Trời để đun nóng nước.

a. Chuẩn bị:
- 1 thùng xốp, 1 thùng nhựa đen, nhiệt kế 100oC, 1 tấm kính, 10 lít nước.
b. Tiến hành:
* Điều kiện tiến hành: trời hoang mây, nắng tốt.
- Đặt thùng nhựa đen vào bên trong thùng xốp, sau đó đổ nước vào sao cho mực
nước có độ sâu khoảng 15cm. Dùng một tấm kính đậy kín lên trên mặt thùng. Đặt
phơi dưới trời nắng, dùng nhiệt kế để đo nhiệt độ của nước sau mỗi 30 phút.
- Lưu ý tấm kính đậy đặt gốc nghiêng 20o so với thùng đề giảm hiện tượng nước
bám lên mặt kính.

Hình 3: Mơ hình thí nghiệm thiết bị làm nóng nước từ năng lượng mặt trời.
Trang: 4


C. kết quả:

Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ nước có thể đạt 72oC.
B. Thí nghiệm về áp dụng phương pháp đối lưu của chất lỏng để thu nhận
lượng nước nóng do máy cung cấp:
a. Chuẩn bị:
- 600 ml nước nóng, 600 ml nước lạnh, 1 ống màu thực phẩm, Bình thơng nhau
b. Tiến hành
Cho vài giọt màu thực phẩm vào cốc 1 chứa đầy nước nóng, và 1 cốc chứa đầy
nước lạnh. Hai cốc thông với nhau và có khóa K ở giữa. Đặt cốc nước lạnh cao hơn
cốc nước nóng sau đó mở khóa K và cho nước lạnh từ từ dẫn qua cốc nước nóng.
Nước nóng bị đẩy lên trên và tràn ra ngoài, khảo sát sự thay đổi nhiệt độ nước nóng
theo thể tích nước tràn ra.

Hình 4: Mơ hình thí nghiệm phương pháp đối lưu.
c. Kết quả

Trang: 5


Qua thí nghiệm ta nhận được kết quả khi nhiệt độ nước giảm 3oC ta có thể thu
được 50% lượng nước trong cốc nước nóng.
C. Thí nghiệm về khả năng hoạt động của cảm biến nhiệt độ và van điện từ
a. Chuẩn bị, cài đặt cảm biến nhiệt độ
- Cảm biến nhiệt độ, van điện từ, cốc nước 500ml, đèn cồn
- Thiết lập nhiệt độ ở cảm biến nhiệt là P0= 600C
- Biên độ nhiệt dao động P1= 3
b. Tiến hành
- Lắp các thiết bị theo hình mơ hình sau:

Hình 5: Mơ hình thí nghiệm hoạt động cảm biến nhiệt và van điện từ
- Cho nhiệt độ nước tăng dần đến 600C, sau đó hạ nhiệt độ nước xuống dưới 570C
quan sát sự hoạt động cảm biến nhiệt độ và van điện từ.
- Việc cài đặt nhiệt độ phù hợp với nhiệt độ môi trường và cũng theo mong muốn
người sử dụng.
c. kết quả:

Trang: 6


Khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ cài đặt van điện từ sẽ mở cho nước đi qua
và khi nhiệt độ hạ xuống dưới nhiệt độ cài đặt van sẽ đóng và khơng cho dịng nước
đi qua. Ngồi ra, tuỳ theo yêu cầu sử dụng của mọi người và thời tiết như thế nào thì
chúng ta có thể thay đổi cài đặt nhiệt độ.
D. Thiết kế máy nước nóng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ:
a. Chuẩn bị

- 2 thùng xốp, 1 Thùng nhựa màu đen bên trong
- 1 Cảm biến nhiệt độ 12V (công suất 0,5W), 1 Van điện từ (12V; ϕ = 13mm, công
suất 2W)
- Nguồn điện 12V, Ống nước, 1 tấm kính.
CHÚ THÍCH
(1) Nguồn nước lạnh vào.
b. Tiến hành.
(2) Van điện từ đóng mở nước lạnh vào
Tiến hành lắp ráp mơ hình theo sơ đồ sau:

bình số 4.
(3) Cảm biến nhiệt, đo nhiệt độ nước trong
bình số 4 để điều khiển van điện từ.
(4) Bình nước hấp thụ năng lượng mặt trời
để đun nóng nước.
(5) ống xả nước nóng vào bình bảo ơn số 7.
(6) Kính trong suốt để cho ánh sáng chiếu
vào bình số 4, và tạo hiệu ứng nhiệt trong
bình số 4.
(7) Bình bảo ơn chứa nước nóng để phục vụ
nhu cầu sinh hoạt.
(8) Nguồn điện 12v cho van điện từ và cảm
biến nhiệt

Hình 6: sơ đồ cấu tạo máy nước nóng năng lượng mặt trời.
c. Ngun lí hoạt động
- Sử dụng nguồn điện 12V để làm nguồn cung cấp điện cho cảm biến nhiệt độ (3) và
van điện từ (2).
- Nước sẽ hấp thu năng lượng mặt trời và được làm nóng nước trong bình (4) nhiệt
Trang: 7

độ của nước tăng lên, khi nhiệt độ đạt 600C thì cảm biến nhiệt độ (3) sẽ tự cảm nhận
được nhiệt độ của nước và đóng role điện, khi đó dòng điện đi qua van điện từ (2),
và van điện từ sẽ mở ra, dòng nước lạnh đi qua van cung cấp vào bình (4) từ phía
dưới lên theo phương pháp đối lưu, từ đó nước nóng sẽ tự động dâng lên và tràn ra
ống dẫn xuống bình bảo ơn (7) để dự trữ nước nóng.
- Khi nhiệt độ nước trong bình số (4) giảm xuống 57oC thì cảm biến nhiệt điều khiển
role ngắt dòng điện van điện từ sẽ đóng, nước trong bình (4) giữ ỗn định để tiếp tục
làm nóng theo một chu trình kế tiếp.
- Chu trình đó sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi trời khơng cịn nắng.
d. khảo sát thực tế
Tiến hành khảo sát thử nghiệm máy nước nóng năng lượng 5 ngày khác nhau (vào
những ngày trời quang mây nắng tốt) để kiểm tra khả năng hoạt động và lượng nước
nóng thu được.
e. Kết Quả: thể tích nước nóng 59oC thu được trong một ngày.

Hình 7: kiểm tra sự hoạt động máy nước nóng năng lượng mặt trời.
Trang: 8


Lần khảo sát

Ngày 1

Ngày 2

Ngày 3

Ngày 4

Ngày 5

Nhiệt độ không khí

30,5 oC

30,2 oC

31,0 oC

30,5 oC

31,2 oC

Lượng nước nóng
thu được (lít/ngày)

36 lít

36 lít

38,5 lít

39 lít

42 lít

- Lượng nước nóng 590C thu được trung bình trong một ngày là 38 lít.
- Máy nước nóng năng lượng mặt trời hoạt động tốt đáp ứng mục tiêu đề ra.

IV. Hiệu quả đạt được:
- Với việc lựa chọn nội dung dự án phù hợp với điều kiện nghiên cứu nhà trường,
việc tích cực tham gia nghiên cứu của hai học sinh và sự hỗ trợ nhà trường. Dự án đã
được thực hiện đúng với thời gian đề ra tháng 12 năm 2018.
- Dự án đã đạt được giải nhì vịng 2 tổ chức tại trường THPT Chuyên Thoại Ngọc
Hầu tháng 12/2018.
- Dự án đã đạt được kết quả thực tiễn sau:
+ Máy nước nóng có thể làm nóng nước bằng năng lượng mặt trời.
+ Máy có thể tự cảm nhận được nhiệt độ của nước thông qua cảm biến nhiệt và
điều khiển van điện từ tự động đóng, mở nước để thu được nước nóng mà khơng cần
sự tác động của con người.
+ Máy có tích hợp bình dự trữ nước để bảo quản nhiệt độ của nước khi gặp phải
thời tiết thất thường hoặc ban đêm.
+ Giá của sản phẩm là 400.000 đồng, phù hợp với tất cả mọi người. Những người
có thu nhập thấp đến trung bình đều có thể sử dụng được sản phẩm.
V. Mức độ ảnh hưởng
- Với việc thực hiện các bước cơ bản của việc nghiên cứu một dự án khoa học kỹ
thuật, khơng chỉ giúp ích cho bản thân học sinh tham gia nghiên cứu mà còn tác động
đến tất cả học sinh toàn trường về niềm đam mê nghiên cứu khoa học để thực hiện
nhiều nghiên cứu khoa học trong tương lai.
- Sản phẩm thu được của dự án là “máy nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời
có gắn cảm biến nhiệt độ” thiết bị này phù hợp với tất cả các hộ gia đình trong việc
sử dụng nước nóng trong sinh hoạt.
VI- Kết luận:
Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật với đề tài “nghiên cứu máy
nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời có gắn cảm biến nhiệt độ” đã thu được các
kết quả sau:
- Đã khơi dậy trong học sinh tình yêu khoa học, say mê nghiên cứu và vận dụng
các kiến thức đã học áp dụng vào thực tiễn cuộc sống. Thơng qua đó lan truyển niềm
đam mê nghiên cứu khoa học đến tất cả học sinh trong nhà trường.

Trang: 9


- Nâng cao ý thức của học sinh về bảo vệ mơi trường biết sử dụng có hiệu quả
các nguồn năng lượng có hạn và vơ hạn.
- Nâng cao ý thức cộng đồng biết quan tâm đến cuộc sống của người dân trong
mỗi học sinh.
- Hình thành kiến thức cơ bản ở học sinh về việc tìm kiếm ý tưởng, lặp kế hoạch
và tiến hành thực hiện ý tưởng đó.
- Hướng dẫn học sinh nghiên cứu khoa học kỹ thuật là góp phần đổi mới hình
thức tổ chức dạy học và đánh giá kết quả học tập theo định hướng phát triển năng lực
và phẩm chất của học sinh; thúc đẩy giáo viên tự bồi dưỡng nâng cao năng lực chuyên
môn, nghiệp vụ; nâng cao chất lượng dạy học trong các cơ sở giáo dục trung học.
Tôi cam đoan những nội dung báo cáo là đúng sự thật.

Xác nhận của đơn vị áp dụng sáng kiến

Người viết sáng kiến

Phan Văn Quang

Trang: 10