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，有些學(xué)校配備了小太陽能板，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)備是無法搬進課堂的，考慮到安全因素，帶領(lǐng)學(xué)生參觀也很不現(xiàn)實，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年級上冊第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，教材對水能、熱能、風(fēng)能發(fā)電的介紹只有1張圖片，而學(xué)生對這些發(fā)電方式了解程度不盡相同，對輸電線、變電站的作用理解不當(dāng)，因無具體模型，教師的講解也幾乎在其表面徘徊。于是，我就有了做一個多種能源發(fā)電模型的想法。

設(shè)計方案

制作該模型的首要目的是運用于教學(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)電無法完成。由于教材是老版本，沒有太陽能發(fā)電的介紹，故增加了太陽能發(fā)電功能。

?水力發(fā)電以前的演示都是用自來水沖動水輪轉(zhuǎn)動，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，用小抽水機將水抽到高處蓄水池，下落的水流沖動水輪后流回底部蓄水箱，抽水機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)量彌補小電機風(fēng)扇風(fēng)速和出風(fēng)面的不足，若轉(zhuǎn)速不夠時還需利用機械方式（如齒輪）提高轉(zhuǎn)速，以達到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)可輸出的動能是一件不容易的事。我最先想到的是蒸汽機，但考慮到鍋爐的加工和使用涉及安全問題，況且在運行過程中需不斷給具有高壓的鍋爐內(nèi)加水，太難實現(xiàn)了。后來，我想到了利用空氣作為介質(zhì)的斯特林發(fā)動機，雖制作難度較高，但高溫部分少、壓力小，安全可靠。太陽能發(fā)電

太陽能板要正對強光才有一定的電能輸出，因此需要制作一個太陽光自動跟蹤裝置。

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)計制作與內(nèi)部燈光制作、底板部分的設(shè)計與制作。

模型的機械設(shè)計圖與電路圖如圖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)動機（發(fā)電機）

使用方法：點燃酒精燈，并將其放置于發(fā)動機前端的保溫罩下方，大約2分鐘后，撥動慣性飛輪，即可連續(xù)運轉(zhuǎn)。如長時間未使用，請打開飛輪旁邊的機油壺，蘸少量機油于各活動處，注意切勿將機油滴落在玻璃活塞表面（活塞上有機油摩擦力反而增加）。若長時間運行，可在熱缸的冷端加滿水，利于散熱。運行穩(wěn)定后，將發(fā)電機皮帶掛在飛輪上，即可對外輸出約5伏的電壓。此模型（見圖2）可以很好地向?qū)W生展示熱能—動能—電能的轉(zhuǎn)換。

自動太陽能跟蹤裝置

使用方法：打開蓄電池開關(guān)，此時太陽能板將自動對準(zhǔn)環(huán)境中的最強光源，教學(xué)時也可使用手機的照明燈作為光源。在太陽能電池板輸出端接上LED燈，隨著太陽能電池板轉(zhuǎn)動且對準(zhǔn)最強光源，可以很直觀地看到LED燈也達到最亮狀態(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），此時風(fēng)力發(fā)電機的葉片快速轉(zhuǎn)動，通過齒輪進一步提升轉(zhuǎn)速并帶動發(fā)電機輸出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，進一步了解齒輪在生活中的實際應(yīng)用。

水輪機發(fā)電模型

使用方法：接通微型抽水機電源，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并帶動發(fā)電機發(fā)電，可輸出5伏左右電壓，同時可通過調(diào)整穩(wěn)壓器電壓達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，點亮室內(nèi)的LED燈。模型成品見圖4。

創(chuàng)新點

利用斯特林發(fā)動機完成熱能到動能的轉(zhuǎn)換，安全可靠。

利用自動跟光控制技術(shù)，提升了太陽能教學(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)生進一步了解環(huán)保能源和非環(huán)保能源，認(rèn)識節(jié)約能源的重要性。

采用不銹鋼制作，機械質(zhì)感強，后期維護方便，易于存放。

小結(jié)

模型設(shè)計了熱能、風(fēng)能、水能和太陽能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發(fā)電，水能為循環(huán)水沖擊葉片發(fā)電，太陽能采用自動跟光模式發(fā)電。在設(shè)計制作中運用了斯特林發(fā)動機工作原理、強光自動跟蹤技術(shù)及太陽能電池工作原理、風(fēng)力發(fā)電原理、水輪機發(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)，點亮模型內(nèi)的LED燈并使收音機發(fā)出聲音。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目研發(fā)了“電從哪里來”實驗裝置，實現(xiàn)了熱能、風(fēng)能、水能和太陽能發(fā)電和演示，有助于學(xué)生對能量轉(zhuǎn)換概念的理解。項目選題新穎，原理科學(xué)，概念清晰，構(gòu)思巧妙，設(shè)計合理。作品實用性強，具有推廣價值。希望該項目在工藝方面作出改進和提升。