摘要：風(fēng)能是一種無污染、可再生的綠色能源，它很早就被人們利用，用風(fēng)車來抽水、磨面等，它對(duì)于解決全球性的能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)有著重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；電能；模型；實(shí)驗(yàn)

組員：莊昊霖、李一丁、孫義智、榮健睿、張曉非、張兆越、李睿、王雅慧、劉亦奇、初雨薇。

研究時(shí)間：2015年7月～8月

研究題目：風(fēng)與電的羅曼史——簡易風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作。

研究目標(biāo)：制作出簡易風(fēng)力發(fā)電機(jī)并探究原理。

風(fēng)力發(fā)電是把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，如今風(fēng)電已成為我國火電、水電之后的第三大電源，在電源結(jié)構(gòu)中的比重逐年提高，2015年占全國總發(fā)電量的3.3%，2020年底將達(dá)到6%。中國已經(jīng)成為引領(lǐng)全球風(fēng)電市場(chǎng)的重要力量[1]。本次試驗(yàn)制作目的是通過團(tuán)隊(duì)協(xié)作，設(shè)計(jì)制作簡易的風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)儀，讓團(tuán)隊(duì)了解風(fēng)力發(fā)電的原理，將課本中學(xué)到的理論知識(shí)付諸實(shí)踐中。同時(shí)在制作和測(cè)試過程中對(duì)出現(xiàn)的一些現(xiàn)象進(jìn)行深刻的思考，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和趣味性。也為今后的科學(xué)研究打下很好的基礎(chǔ)。

一、第一次試驗(yàn)

1、試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。電動(dòng)馬達(dá)、齒輪、鐵棍、塑料扇葉、電線、電池、燈泡、電流表。

2、試驗(yàn)制作。（1）制作風(fēng)扇：先將鐵棍當(dāng)作傳動(dòng)軸固定好，再在軸兩端一邊連接扇葉，一邊連接大齒輪，再將馬達(dá)固定在軸后面，連接小齒輪，連上電池，就做成了風(fēng)扇。

2.制作發(fā)電機(jī)：先將馬達(dá)固定，再將扇葉與馬達(dá)連接，再在馬達(dá)上連接燈泡和電流表形成閉合電路。

3.進(jìn)行試驗(yàn)：給風(fēng)扇通電，用風(fēng)扇吹發(fā)電機(jī)，觀察燈泡和電流表。

4.試驗(yàn)現(xiàn)象：燈泡不亮，電流表有微弱偏轉(zhuǎn)。

2、反思和改進(jìn)方向。在第一次試驗(yàn)中，電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說明已經(jīng)產(chǎn)生了電流。但是由于從玩具車上拆下來的電動(dòng)馬達(dá)功率過小，產(chǎn)生電流比較小，不足以使燈泡亮起來。需要作進(jìn)一步改進(jìn)。計(jì)劃改進(jìn)方式是：一方面通過網(wǎng)購采購小型發(fā)電機(jī)、在修車鋪里找到自行車輻條，另一方面畫出較為細(xì)致的設(shè)計(jì)圖指導(dǎo)試驗(yàn)。

二、第二次試驗(yàn)

1、試驗(yàn)材料準(zhǔn)備。試驗(yàn)材料：木板、木條、薄塑料片、導(dǎo)線、乳膠、小螺釘、易拉罐、筆管、小型發(fā)電機(jī)（帶有永磁體，6w12v）、輻條、輻條帽、發(fā)光二極管（小燈泡）、齒輪。

試驗(yàn)工具：尺子、剪刀、鋼絲鉗、錘子、錐子、（工具箱）、自行車。

2、設(shè)計(jì)構(gòu)思。設(shè)計(jì)圖如下：（單位：mm）

（1）整體結(jié)構(gòu)：

（2）基座木板：

（3）葉輪（風(fēng)輪）：

3、試驗(yàn)制作。

（1）按照設(shè)計(jì)圖4，在木板上畫出零件裝配的位置。

（2）制作葉輪。在薄塑料片上貼上一張白紙，在白紙上畫出一個(gè)圓，將圓周等分成24份，沿等分線向里剪70 mm長縫獲得24份葉片，并均朝一個(gè)方向扭斜，做成葉輪。在金屬葉輪中心處鉆直徑稍大于自行車輻條直徑的圓孔，如設(shè)計(jì)圖5所示。

（3）制作大傳動(dòng)輪，安裝小傳動(dòng)輪。用剪刀剪下兩只易拉罐筒底，將兩個(gè)筒底對(duì)好用膠粘接處理后便制成輪子，在輪子圓心和距圓心10 mm處分別鉆直徑稍大于幅條直徑的兩個(gè)圓孔，便完成大傳動(dòng)輪的制作。取兩個(gè)小齒輪，適當(dāng)擴(kuò)充軸心圓孔大小后，將兩個(gè)齒輪依次套在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，便完成了小傳動(dòng)輪的安裝。

（4）在底座上固定支架。根據(jù)已經(jīng)畫好的裝配圖，用兩個(gè)小螺釘將木條垂直固定在底座上。

（5）安裝葉輪和大傳動(dòng)輪。取一根自行車幅條，用鋼絲鉗將不帶螺絲扣部分截去后得到約120 mm長的一段，并用鉗子把幅條不帶螺絲扣一端折成“u”形作為傳動(dòng)軸。把傳動(dòng)軸直的一端穿過大傳動(dòng)輪中心圓孔，將“u”形端安裝在大傳動(dòng)輪上并用膠粘接固定好。在支架上離底板表面約120 mm高度處水平方向鉆孔徑大小稍大于幅條直徑的圓孔，將長約100mm的硬塑料管插入支架圓孔中并將其牢牢固定在支架上。在傳動(dòng)軸上套入墊片，然后將其插入塑料管中。接著再安裝一個(gè)墊片，并用兩個(gè)幅條帽把葉輪牢牢夾緊固定在傳動(dòng)軸的前端。為防止葉輪發(fā)生松動(dòng)，用乳膠進(jìn)行粘接處理。

（6）固定電動(dòng)機(jī)，安裝小燈泡。用乳膠將電動(dòng)機(jī)固定在木板上。調(diào)整大小傳動(dòng)輪位置使兩個(gè)輪平行且在同一個(gè)平面內(nèi)，把橡皮筋套在兩輪凹槽內(nèi)。取硬質(zhì)透明塑料筆管，筆管一端固定在底板指定位置上，另一端安裝小燈泡并連接導(dǎo)線，導(dǎo)線穿過筆管從下端開口出來和電動(dòng)機(jī)電刷引出線相連接[2]。

（7）進(jìn)行試驗(yàn)。方法一，用手轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪，帶動(dòng)傳動(dòng)輪使風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作，試驗(yàn)結(jié)果：小燈泡就被點(diǎn)亮啦。方法二，給風(fēng)扇通電，用風(fēng)扇吹發(fā)電機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果：燈泡點(diǎn)亮和電流表偏轉(zhuǎn)。方法三，為了更好地模擬自然風(fēng)力發(fā)電，把試驗(yàn)裝置放到戶外自然風(fēng)（風(fēng)口）吹，試驗(yàn)結(jié)果：燈泡點(diǎn)亮和電流表偏轉(zhuǎn)。方法四，為了更好地模擬自然風(fēng)力發(fā)電，將試驗(yàn)裝置綁在自行車上，騎行自行車產(chǎn)生的風(fēng)讓裝置發(fā)電，試驗(yàn)結(jié)果：燈泡點(diǎn)亮和電流表偏轉(zhuǎn)。

（8）試驗(yàn)結(jié)果：第二次制作的簡易風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置經(jīng)四種方法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均為燈泡點(diǎn)亮和電流表偏轉(zhuǎn)。

（9）制作過程小記錄：

三、總結(jié)與體會(huì)

在這次研究性學(xué)習(xí)的活動(dòng)中，我們團(tuán)隊(duì)10位同學(xué)團(tuán)結(jié)協(xié)作，經(jīng)過1個(gè)多月的努力，歷經(jīng)2次試驗(yàn)過程，最終親手制作出一個(gè)簡易風(fēng)力發(fā)電機(jī)并探究了其原理。

在第一次的試驗(yàn)中，因?yàn)閺耐婢哕嚿喜鹣聛淼碾妱?dòng)馬達(dá)功率過小，產(chǎn)生電流比較小，燈泡沒有亮，試驗(yàn)不成功。我們沒有氣餒，經(jīng)過分析總結(jié)進(jìn)行了改進(jìn)，并重新設(shè)計(jì)了葉輪，在第二次試驗(yàn)中終于達(dá)到了預(yù)定研究目標(biāo)。

1、探究原理。通過本次風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)儀的制作，結(jié)合課本中學(xué)到的理論知識(shí)，初步探究出風(fēng)力發(fā)電的原理，并得出一些結(jié)論：

2、簡單原理：葉輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)由傳動(dòng)裝置帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁場(chǎng)，最后產(chǎn)生電流，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

3、電磁感應(yīng)現(xiàn)象：閉合電路中的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。

4、提升能量轉(zhuǎn)換效率要素分析：一是風(fēng)能轉(zhuǎn)換機(jī)械能中葉輪是個(gè)關(guān)鍵部件，葉輪設(shè)計(jì)的形狀、大小以及所采用材料性能對(duì)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能至關(guān)重要；第二機(jī)械能的損失要靠傳動(dòng)軸的潤滑和精密制作來減少；第三機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電機(jī)的效率是關(guān)鍵。關(guān)于如何提升風(fēng)力發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率，涉及到空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、機(jī)械制造、電磁學(xué)和材料學(xué)等等學(xué)科[3]，將在今后的生活中加以學(xué)習(xí)和不斷提升。

四、學(xué)習(xí)感悟

這次活動(dòng)是一個(gè)將課本中的理論付諸實(shí)踐的機(jī)會(huì)，在親身的體驗(yàn)中我們收獲了很多東西：不僅鍛煉了自己的動(dòng)手能力，也培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。更重要的是，它教會(huì)了我們做一件事很有可能會(huì)經(jīng)歷失敗，這是通往成功的一個(gè)過程，關(guān)鍵在于不斷進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)，享受過程，同時(shí)讓結(jié)果變得更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳雪峰，李繼猛，程航，李兵，何正嘉. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究與進(jìn)展[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，（09）：45-52.

[2] 楊東，劉晶茹，楊建新，丁寧. 基于生命周期評(píng)價(jià)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳足跡分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（03）：927-934.

[3] 程明，張運(yùn)乾，張建忠. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，（03）：2-9.