王俏　孫長平　楊凱萍　李振　盧兆信　崔寶陽　周學(xué)云

【摘 要】自制“風(fēng)、光互補發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”是 一個簡潔的風(fēng)力與太陽光能互補的發(fā)電系統(tǒng)的原理演示模型，可以解決教師授課過程中因風(fēng)力發(fā)電、太陽光能發(fā)電實物龐大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，不利于教學(xué)講解和演示的問題。該裝置作為課程教具，可以更生動直觀的講解和演示其原理，裝置把復(fù)雜的系統(tǒng)精簡化，使整個系統(tǒng)更清晰更簡潔，更易于講解和演示，讓學(xué)生更直觀清晰的理解其運行原理，認識和了解新能源的利用，促進新能源的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)能；太陽光能；演示裝置

風(fēng)能、太陽能作為取之不盡，用之不竭的綠色清潔能源[1]，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛。近五年來世界風(fēng)能市場每年都以40%的速度在增長，風(fēng)力發(fā)電電的優(yōu)勢在于發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%[2]。而太陽能遠比風(fēng)能更豐富，應(yīng)用也更廣泛。從1995年開始，世界光伏產(chǎn)業(yè)以平均超過33%的增長率發(fā)展，近幾年來更是超過了40%[3]。在我國，西藏西部太陽能資源最豐富，最高達2333KWh/m2，居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠[4]。雖然風(fēng)力發(fā)電、太陽光能發(fā)電應(yīng)用意義重大，應(yīng)用范圍也較廣闊，但是實物龐大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，在實際的教學(xué)過程中很難直觀的進行教學(xué)講解和演示，形象教學(xué)效果。傳統(tǒng)的而該演示裝置可作為課堂教具，更生動直觀的講解和演示其原理，自制“風(fēng)、光互補發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”能把抽象的原理實物化，從而使整個系統(tǒng)清晰、簡潔、易于講解和演示，讓學(xué)生能直觀清晰地理解能量間轉(zhuǎn)換原理，對深入理解新能源的利用和發(fā)展具有重要的意義。

1 演示裝置的設(shè)計原理

風(fēng)力發(fā)電機是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，機械能轉(zhuǎn)化為電能的電力設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)，大約是的微風(fēng)速度，便可以開始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱為風(fēng)力發(fā)電機組。這種風(fēng)力發(fā)電機組，大體上可分風(fēng)輪（包括尾舵）、發(fā)電機和鐵塔三部分。自然條件下，由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個調(diào)速機構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風(fēng)輪始終對準風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個類似風(fēng)向標的尾舵。鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機的構(gòu)架。它一般修建得比較高，為的是獲得較大的和較均勻的風(fēng)力，又要有足夠的強度。我們的演示裝置，用小風(fēng)扇來模擬自然風(fēng)，因而風(fēng)速穩(wěn)定，也不需要較高的鐵塔來避開地面的障礙，因此，我們的演示裝置由葉片和發(fā)電機組成，為了展示風(fēng)力發(fā)電的效果，后接一個小型穩(wěn)壓器（帶有指示燈），以保證輸出的不穩(wěn)定電流可以輸入到蓄電池中，當電量充足可以帶動小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，演示風(fēng)力發(fā)電成果。

太陽光能發(fā)電是將光子能量轉(zhuǎn)換為電能的過程。其發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載組成。其中，太陽能電池組和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。如圖1所示。

作為簡化的實驗演示裝置，我們的發(fā)電系統(tǒng)僅由太陽能電池板、穩(wěn)壓器（逆變器）和發(fā)光二極管組成。當有適當強度的光照射到太陽能電池板上，便可以發(fā)電產(chǎn)生電流，或直接使二極管發(fā)光，或經(jīng)過穩(wěn)壓器穩(wěn)定，連接到蓄電池，把電能儲存到蓄電池中，留待使用。

整個裝置共有兩條線路，一條為風(fēng)力發(fā)電機，一條為太陽光能發(fā)電，最后都可通過USB接口連接蓄電池，把產(chǎn)生的電能儲備起來，留待使用。

2 裝置的實物操作與功能演示

自制“風(fēng)、光互補發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”實物圖如圖2、圖3所示。整個裝置共有兩條線路，一條為風(fēng)力發(fā)電機，由模擬自然風(fēng)的迷你風(fēng)扇、扇葉、發(fā)電機和穩(wěn)壓器組成，可通過USB接口與蓄電池連接，儲存電能；另一條為太陽光能發(fā)電，由太陽能電池板、發(fā)光二極管和穩(wěn)壓器組成，其中太陽能電池板與發(fā)光二極管組成一條線路，使產(chǎn)生的電能供應(yīng)二極管發(fā)光，而太陽能電池板與穩(wěn)壓器又組成一條線路，同樣可通過USB接口連接蓄電池，把產(chǎn)生的電能儲備起來，留待使用。因為最后的接口采用了USB接口，所以，適當?shù)臈l件下可以直接連接我們?nèi)粘５挠秒娫O(shè)備，如手機，把實驗和生活聯(lián)系起來，增加實驗演示的趣味，增強教學(xué)演示效果。

演示效果時，打開迷你風(fēng)扇的開關(guān)，即可模擬自然風(fēng)。迷你風(fēng)扇的風(fēng)的強度有三個檔位，可以演示三種不同強度的風(fēng)。當開啟風(fēng)扇，模擬自然風(fēng)，即可使扇葉轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動做功產(chǎn)生電能，點亮穩(wěn)壓器上的指示燈。當風(fēng)力適當，使發(fā)電機產(chǎn)生的電流達到一定的電壓，連接穩(wěn)壓器，即可為蓄電池充電，當電量充足即可使連接在蓄電池上的小風(fēng)扇啟動。因為發(fā)電機較小，功率不足，所以產(chǎn)生的電流電壓較小，為蓄電池充電緩慢。

把該裝置置于適當強度的太陽光下，太陽能電池板即可正常工作，使二極管發(fā)光。若把穩(wěn)壓器所在的線路連接蓄電池即可為蓄電池充電，留待使用。

3 總結(jié)

整個演示裝置共分為三部分，一部分是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，由迷你風(fēng)扇、扇葉、發(fā)電機、穩(wěn)壓器（帶有USB接口）組成；一部分是太陽光能發(fā)電系統(tǒng)，由兩塊太陽能電池板、發(fā)光二極管、穩(wěn)壓器（帶有USB接口）組成，一塊太陽能電池板和發(fā)光二極管組成一條線路，另一塊太陽能電池板與穩(wěn)壓器組成另一條線路；第三部分由蓄電池和連接在后的小風(fēng)扇（用電設(shè)備）組成。該實驗裝置簡單易操作，把復(fù)雜的線路設(shè)備簡化，使實驗原理的講解生動有趣，更直觀形象，更易于老師的講解，學(xué)生的理解。同時，因為每條線路最后都連接有保護線路的穩(wěn)壓器，當電壓適當，即可通過USB接口，連接日常的簡單用電設(shè)備，把枯燥的講解演示與我們的實際生活相連接起來，更激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動課堂氛圍，讓學(xué)生在趣味中掌握知識、理解原理。

【參考文獻】

[1]黎漢昌.中國風(fēng)力發(fā)電環(huán)境及應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2008（06）：120-121.

[2]于博，何秋艷，李鳳鳴.風(fēng)電場建設(shè)中的水土流失及治理措施[J].中國水土保持，2011（11）：23-25.

[3]謝鵬.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)在上川島公灣移動基站的應(yīng)用研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

[4]楊金煥.太陽能發(fā)電的進展與建議.世界科技經(jīng)濟與發(fā)展.2003（8）：39-43.endprint