楊波
研究背景
在目前的中小學(xué)科技器材配備中,能量轉(zhuǎn)換方面的器材只配備了手搖發(fā)電機(jī),有些學(xué)校配備了小太陽(yáng)能板,但沒有專門的風(fēng)能發(fā)電、水能發(fā)電和熱能發(fā)電器材。雖然孩子們對(duì)各種發(fā)電模式或多或少地有一些了解,但不了解內(nèi)部構(gòu)造,也只是“知其然,不知其所以然”,況且這些設(shè)備是無(wú)法搬進(jìn)課堂的,考慮到安全因素,帶領(lǐng)學(xué)生參觀也很不現(xiàn)實(shí),因此,制作綜合發(fā)電模型能很好地解決這一教學(xué)難題。
在教學(xué)5年級(jí)上冊(cè)第4單元“電與我們的生活”第5課最后一板塊“電從發(fā)電廠到我們家”時(shí),教材對(duì)水能、熱能、風(fēng)能發(fā)電的介紹只有1張圖片,而學(xué)生對(duì)這些發(fā)電方式了解程度不盡相同,對(duì)輸電線、變電站的作用理解不當(dāng),因無(wú)具體模型,教師的講解也幾乎在其表面徘徊。于是,我就有了做一個(gè)多種能源發(fā)電模型的想法。
設(shè)計(jì)方案
制作該模型的首要目的是運(yùn)用于教學(xué),故將教材中所列舉的4種發(fā)電方式考慮其中,但核能發(fā)電無(wú)法完成。由于教材是老版本,沒有太陽(yáng)能發(fā)電的介紹,故增加了太陽(yáng)能發(fā)電功能。
?水力發(fā)電以前的演示都是用自來(lái)水沖動(dòng)水輪轉(zhuǎn)動(dòng),考慮到模型要在課堂上演示,還要節(jié)約水資源,故采用循環(huán)水模式,用小抽水機(jī)將水抽到高處蓄水池,下落的水流沖動(dòng)水輪后流回底部蓄水箱,抽水機(jī)又將底部蓄水箱中的水抽到高處,如此循環(huán)。
風(fēng)力發(fā)電
因?qū)嶋H的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片巨大,迎風(fēng)面大,生活中能大面積出風(fēng)的只有電扇,而每次演示不可能都搬電扇操作,故在葉片盡量大的前提下只有增加葉片數(shù)量彌補(bǔ)小電機(jī)風(fēng)扇風(fēng)速和出風(fēng)面的不足,若轉(zhuǎn)速不夠時(shí)還需利用機(jī)械方式(如齒輪)提高轉(zhuǎn)速,以達(dá)到3伏以上的電壓輸出(演示用的LED燈工作電壓在3伏左右)。
熱能發(fā)電
將有限的熱能轉(zhuǎn)換為連續(xù)可輸出的動(dòng)能是一件不容易的事。我最先想到的是蒸汽機(jī),但考慮到鍋爐的加工和使用涉及安全問題,況且在運(yùn)行過程中需不斷給具有高壓的鍋爐內(nèi)加水,太難實(shí)現(xiàn)了。后來(lái),我想到了利用空氣作為介質(zhì)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),雖制作難度較高,但高溫部分少、壓力小,安全可靠。太陽(yáng)能發(fā)電
太陽(yáng)能板要正對(duì)強(qiáng)光才有一定的電能輸出,因此需要制作一個(gè)太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置。
附屬設(shè)施
附屬設(shè)施包括各路發(fā)電系統(tǒng)的開關(guān)控制和連接(制作變電站模型)、建筑物設(shè)計(jì)制作與內(nèi)部燈光制作、底板部分的設(shè)計(jì)與制作。
模型的機(jī)械設(shè)計(jì)圖與電路圖如圖1所示。因篇幅所限,具體制作過程略。
教學(xué)用途與方法
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(發(fā)電機(jī))
使用方法:點(diǎn)燃酒精燈,并將其放置于發(fā)動(dòng)機(jī)前端的保溫罩下方,大約2分鐘后,撥動(dòng)慣性飛輪,即可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如長(zhǎng)時(shí)間未使用,請(qǐng)打開飛輪旁邊的機(jī)油壺,蘸少量機(jī)油于各活動(dòng)處,注意切勿將機(jī)油滴落在玻璃活塞表面(活塞上有機(jī)油摩擦力反而增加)。若長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,可在熱缸的冷端加滿水,利于散熱。運(yùn)行穩(wěn)定后,將發(fā)電機(jī)皮帶掛在飛輪上,即可對(duì)外輸出約5伏的電壓。此模型(見圖2)可以很好地向?qū)W生展示熱能—?jiǎng)幽堋娔艿霓D(zhuǎn)換。
自動(dòng)太陽(yáng)能跟蹤裝置
使用方法:打開蓄電池開關(guān),此時(shí)太陽(yáng)能板將自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)環(huán)境中的最強(qiáng)光源,教學(xué)時(shí)也可使用手機(jī)的照明燈作為光源。在太陽(yáng)能電池板輸出端接上LED燈,隨著太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)且對(duì)準(zhǔn)最強(qiáng)光源,可以很直觀地看到LED燈也達(dá)到最亮狀態(tài)。模型見圖3。
風(fēng)力發(fā)電模型
使用方法:接上模型中小風(fēng)扇的電源(12伏),此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片快速轉(zhuǎn)動(dòng),通過齒輪進(jìn)一步提升轉(zhuǎn)速并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出5伏左右電壓。該模型可以直觀地看到轉(zhuǎn)速提升裝置,學(xué)習(xí)風(fēng)力發(fā)電過程,進(jìn)一步了解齒輪在生活中的實(shí)際應(yīng)用。
水輪機(jī)發(fā)電模型
使用方法:接通微型抽水機(jī)電源,蓄水池中的水不斷被抽到高處的水池中,連續(xù)下落的水流沖擊水輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,可輸出5伏左右電壓,同時(shí)可通過調(diào)整穩(wěn)壓器電壓達(dá)到上下水位的大致平衡。由于關(guān)鍵部件采用透明材料制作,運(yùn)行過程一目了然,使學(xué)生能夠清晰了解水力發(fā)電過程。
附屬設(shè)施
各發(fā)電組通過導(dǎo)線連接到“變電站”進(jìn)行切換,每組電源輸出均可控制通斷,然后將輸出總線端與“別墅”的輸入端相連,點(diǎn)亮室內(nèi)的LED燈。模型成品見圖4。
創(chuàng)新點(diǎn)
利用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)完成熱能到動(dòng)能的轉(zhuǎn)換,安全可靠。
利用自動(dòng)跟光控制技術(shù),提升了太陽(yáng)能教學(xué)的深度。
水力發(fā)電模型中采用循環(huán)水,方便教學(xué)演示,節(jié)約水資源。
4種模型的組合,讓學(xué)生進(jìn)一步了解環(huán)保能源和非環(huán)保能源,認(rèn)識(shí)節(jié)約能源的重要性。
采用不銹鋼制作,機(jī)械質(zhì)感強(qiáng),后期維護(hù)方便,易于存放。
小結(jié)
模型設(shè)計(jì)了熱能、風(fēng)能、水能和太陽(yáng)能4種發(fā)電模式。其中熱能模式采用酒精燈供熱的斯特林熱機(jī)發(fā)電,水能為循環(huán)水沖擊葉片發(fā)電,太陽(yáng)能采用自動(dòng)跟光模式發(fā)電。在設(shè)計(jì)制作中運(yùn)用了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理、強(qiáng)光自動(dòng)跟蹤技術(shù)及太陽(yáng)能電池工作原理、風(fēng)力發(fā)電原理、水輪機(jī)發(fā)電原理等多種科學(xué)原理。各組發(fā)電系統(tǒng)通過明顯且規(guī)范的線路至“變電站”,然后連接到自制的建筑模型內(nèi),點(diǎn)亮模型內(nèi)的LED燈并使收音機(jī)發(fā)出聲音。
該項(xiàng)目獲得第33屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。
專家評(píng)語(yǔ)
該項(xiàng)目研發(fā)了“電從哪里來(lái)”實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)了熱能、風(fēng)能、水能和太陽(yáng)能發(fā)電和演示,有助于學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)換概念的理解。項(xiàng)目選題新穎,原理科學(xué),概念清晰,構(gòu)思巧妙,設(shè)計(jì)合理。作品實(shí)用性強(qiáng),具有推廣價(jià)值。希望該項(xiàng)目在工藝方面作出改進(jìn)和提升。