自制太陽能與風(fēng)能發(fā)電的新型能量轉(zhuǎn)換演示儀

黃慧敏　程敏熙　賴才　劉敬丹

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院　廣東 廣州　510006)

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自制太陽能與風(fēng)能發(fā)電的新型能量轉(zhuǎn)換演示儀

黃慧敏程敏熙賴才劉敬丹

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣東 廣州510006)

設(shè)計了一種展示太陽能發(fā)電與風(fēng)能發(fā)電的新型能量轉(zhuǎn)換演示儀，可演示光能、電能、風(fēng)能、重力勢能與動能的多種能量之間的相互轉(zhuǎn)化.并用89C52單片機(jī)制作出LED電壓顯示器，該顯示器可靈敏地顯示電壓的變化.該演示儀操作簡單，現(xiàn)象明顯，既可用于課堂演示也適合于科普展示.

能量轉(zhuǎn)換演示儀太陽能發(fā)電風(fēng)能發(fā)電LED電壓顯示器

1　引言

如今，中學(xué)物理教學(xué)中已經(jīng)涉及到太陽能發(fā)電，風(fēng)能發(fā)電，皮帶輪傳動，齒輪傳動等各種發(fā)電方式和能量轉(zhuǎn)換問題.但歷年來，缺乏針對這些知識點(diǎn)所研制的演示儀，教師講解時大多數(shù)用文字、圖片講解，使得學(xué)生對這些知識點(diǎn)的認(rèn)知還停留在感性認(rèn)知的層面上.針對此現(xiàn)狀，本文詳細(xì)地介紹了一種太陽能與風(fēng)能發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換演示儀，具有模塊化、功能化、實(shí)用性高等特點(diǎn)，有利于輔助學(xué)生更好地理解發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換問題.

2　教具裝置圖

自制的能量轉(zhuǎn)換演示儀如圖1所示.

圖1　實(shí)物裝置圖

①機(jī)械能轉(zhuǎn)化裝置;②太陽能電池;③變速風(fēng)車;④齒輪小車;⑤架設(shè)角調(diào)節(jié)裝置;⑥電壓表;⑦LED式電壓顯示器;⑧風(fēng)能發(fā)電裝置

3　基本原理

裝置的基本原理如圖2所示.

圖2　裝置的基本原理

3.1太陽能發(fā)電

演示儀使用的太陽能電池為多晶硅太陽能電池板，其輸出為直流電.若想增大干路電壓，可將太陽能電池板進(jìn)行串聯(lián)；若想增大干路電流，也可以將電池板并聯(lián)連接.

3.2電磁轉(zhuǎn)換

此功能主要由直流電磁鐵實(shí)現(xiàn)，電磁鐵將太陽能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為磁場能量，從而對小球產(chǎn)生吸引作用.斷開電源時，磁場也隨之消失，小球從軌道的頂端順著滑軌向下運(yùn)動，在運(yùn)動的過程中將重力勢能轉(zhuǎn)化為小球的動能.整個過程構(gòu)成電能-磁場能-機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化.

3.3風(fēng)能發(fā)電

由太陽能電池產(chǎn)生的直流電使小電動機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的風(fēng)隨之帶動另一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生電磁感應(yīng)效應(yīng)，從而產(chǎn)生電流.通過導(dǎo)軌使得兩電機(jī)之間的距離發(fā)生改變而使得風(fēng)能發(fā)電的電壓發(fā)生改變，通過LED電壓顯示器可直觀顯示電壓變化，改進(jìn)了以往教具不便于學(xué)生讀數(shù)的缺點(diǎn)，構(gòu)成太陽能-電能-風(fēng)能等能量之間的多級轉(zhuǎn)化.

3.4傳動結(jié)構(gòu)展示

電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化是日常生活中常見的能量轉(zhuǎn)化形式之一.本教具主要通過電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并通過變速風(fēng)車和模型車的結(jié)構(gòu)，展示不同半徑下皮帶輪轉(zhuǎn)速不同的現(xiàn)象和齒輪傳動的過程.

4　儀器的特點(diǎn)與用途

4.1特點(diǎn)

(1)傳統(tǒng)的太陽能板只能固定在某個架設(shè)角，而本裝置創(chuàng)新性地利用液壓傳動原理制成架設(shè)角可改變的裝置，便于定量探究架設(shè)角對太陽能電池輸出效率的影響.

(2)在實(shí)際生活中風(fēng)力發(fā)電的效率會隨風(fēng)速的變化而變化，本裝置利用水平滑軌人為改變風(fēng)扇的水平間距，模擬自然風(fēng)速時刻變化的特點(diǎn)，便于定性研究風(fēng)速對風(fēng)能發(fā)電效率的影響.

(3)使用89C52單片機(jī)控制的LED燈式的電壓顯示器，在能夠靈敏顯示風(fēng)力發(fā)電的電壓變化的同時，改善了以往課堂上使用指針式電壓表的表盤微小讀數(shù)困難的缺點(diǎn).

(4)本教具可演示太陽能在生活中的多種應(yīng)用，現(xiàn)象直觀，富有趣味性.

4.2用途

本教具適用于初中物理中“重力勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化”、“風(fēng)能發(fā)電”和“太陽能的利用”的演示，也可供學(xué)生課外研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生可以以此演示儀為基礎(chǔ)定量探究關(guān)于太陽能電池特性的測量，以及定性探究風(fēng)速對發(fā)電效率的影響.

5　制作材料

不同規(guī)格的有機(jī)玻璃板，長木條，不銹鋼彎曲導(dǎo)軌,15 V直流電流表，0.88 W太陽能板，DC3 V小電機(jī)，100 W白熾燈，LED燈，顯示電路，香蕉插座及插頭，12 V直流電磁鐵，5號電池及配對電池盒，導(dǎo)線若干,不同規(guī)格針筒，輸液管，抽屜滑軌，帶座軸承，塑料風(fēng)葉，皮帶及皮帶輪，齒輪組，5 mm軸承，直徑6 cm的塑料圓盤.

6　制作方法

6.1底座的制作

使用打孔機(jī)在有機(jī)玻璃板上進(jìn)行打孔并擰上香蕉插座.

6.2變速風(fēng)車及模型小車的制作

(1)利用彩色木條、卡紙、塑料圓盤制作風(fēng)車扇葉，如圖3(a)所示.將長木條搭建成三角支架，將軸承、圓木棒和小電機(jī)按圖3(b)所示進(jìn)行安裝.最后將制作好的風(fēng)車扇葉和皮帶輪安裝在圓木條上，并在皮帶輪上套上相對應(yīng)的皮帶.

(a)風(fēng)車扇葉

(b)三角支架

(2)先將小馬達(dá)安裝在模型小車底盤上，然后將齒輪安裝在小車后輪軸上，制成模型小車齒輪傳動結(jié)構(gòu).

6.3風(fēng)能發(fā)電模型及電壓顯示器的制作

(1)將小電機(jī)安裝在有機(jī)玻璃方柱頂部，再將其安裝在抽屜滑軌的末端；將另一小電機(jī)安裝在方柱頂部，并置于底座上，如圖4所示.

圖4　風(fēng)能發(fā)電模型

(2)圖5為電壓顯示器的電路圖，該電路以89C52單片機(jī)作為數(shù)字處理元件[1]，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用40個高亮LED燈顯示電壓的高低，并制作成電壓顯示電路模塊，使電壓每增加0.15 V,LED燈的個數(shù)增加一排，顯示范圍為0～3 V,制作電路板后再將其安裝在底座上.

圖5　LED電壓顯示器電路圖

6.4太陽能電池角度調(diào)節(jié)裝置

將2塊太陽能板鑲嵌在有機(jī)玻璃板內(nèi)，將其固定在鋼棒上，并使用帶座軸承連接鋼棒的兩邊；將針筒通過輸液管與另一針筒相連，并將其中一個針筒固定在具有轉(zhuǎn)動車軸的底座上，再將另一針筒的栓塞底端與有機(jī)玻璃板粘合，制成太陽能電池角度調(diào)節(jié)裝置.

7　使用方法

7.1探究太陽能板不同連接方式的輸出效率

保持太陽能板的架設(shè)角不變，將兩個太陽能板串聯(lián)，用電壓表測量其兩端的電壓值；將兩個太陽能板并聯(lián)，再觀察電壓表的示數(shù).

7.2探究模型風(fēng)速對風(fēng)能發(fā)電效率的影響

將太陽能電池與滑軌上的小馬達(dá)相連，開啟LED燈式的電壓顯示器，通過移動滑軌改變風(fēng)扇與小型發(fā)電馬達(dá)的水平間距，觀察電壓顯示器的示數(shù)變化.

7.3演示重力勢能與動能之間的相互轉(zhuǎn)化

將太陽能電池與直流電磁鐵相連，電磁鐵產(chǎn)生磁場，對鐵球具有吸引作用.斷開電路，小球從彎曲軌道的頂端開始運(yùn)動至底端，演示重力勢能與動能之間的相互轉(zhuǎn)化.

7.4演示太陽能的利用實(shí)例

將太陽能板與太陽能小車或者變速風(fēng)車模塊相連，以太陽能板所產(chǎn)生的電能驅(qū)動太陽能小車或變速風(fēng)車來演示太陽能的生活應(yīng)用.

7.5對太陽能電池的特性進(jìn)行初步測量

本裝置中太陽能電池設(shè)有架設(shè)角調(diào)節(jié)裝置，便于教師指導(dǎo)對實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生對太陽能板的基本特性進(jìn)行進(jìn)一步的研究.以以下幾個實(shí)驗(yàn)為例：

(1)測量太陽能電池的暗伏安特性曲線

關(guān)閉臺燈，用暗箱罩住太陽能電池[5]，將電路元件按圖6(a)進(jìn)行連接，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值在1 000 Ω串聯(lián)在電路中起保護(hù)作用[6]，并使用Origin7.5處理得出其暗伏安特性曲線[7,8]，如圖6(b)所示.

(a) 暗伏安特性電路圖

(b)太陽能電池暗伏安特性曲線

(2)測量在一定光照強(qiáng)度下太陽能電池的輸出功率與負(fù)載之間的關(guān)系

將100 W白熾燈更換為40 W的并打開臺燈，將臺燈與太陽能電池之間的距離保持在20 cm，將電路元件按圖7(a)進(jìn)行連接，并使用Origin7.5處理得出其輸出功率與負(fù)載之間的關(guān)系，如圖7(b)所示.

(a) 輸出功率與負(fù)載關(guān)系電路圖

(b) 一定光照下太陽能電池輸出功率與負(fù)載關(guān)系曲線

除以上兩個例子之外，還可以配合其他儀器探究太陽能電池的輸出功率與照射光波長之間的關(guān)系[9]、太陽能電池的輸出功率與架設(shè)角之間的關(guān)系等等，可以引導(dǎo)學(xué)生對其進(jìn)行深入挖掘，為太陽能電池的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

8　結(jié)束語

小型的單塊太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率比較低，本裝置驅(qū)動展示模塊時，需要的電流較大，因此將兩塊太陽能電池進(jìn)行并聯(lián)，還需注意的是，由于太陽能電池的輸出功率不太穩(wěn)定，因此在利用太陽能電池制作其他裝置時，要防止輸出功率不穩(wěn)定而造成電路或儀器損壞的問題.

1劉瑞.基于單片機(jī)的數(shù)字直流電壓表的設(shè)計與實(shí)現(xiàn).電子技術(shù)與軟件工程,2013(14):84

2鐘太福. 用單片機(jī)制作電壓表. 電子制作,2011(02):23～253張鵬飛,張鵬,張子亮,等.微型風(fēng)力發(fā)電演示儀.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011(03):70～72

4張鵬飛,張子亮,張鵬,等.小型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電演示裝置.物理實(shí)驗(yàn),2012(01):21～24

5茅傾青,潘立棟,陳駿逸,等. 太陽能電池基本特性測定實(shí)驗(yàn). 物理實(shí)驗(yàn),2004(11):6～8,11

6楊詩晨,劉燦,徐鐵鋼. 太陽能電池特性的研究——一項(xiàng)有意義的創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn). 物理與工程,2014(02):69～727熊萬杰,黃振中. 用Origin軟件處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2004(02):65～67

8劉絨俠,王黨社,彭首軍. 用origin軟件處理物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù). 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2008(02):91～93

9程言哲,張文理,佘寶琛,等. 太陽能電池板發(fā)電效率的實(shí)驗(yàn)研究. 自動化技術(shù)與應(yīng)用,2014(02):99～102

10肖夏,侯建富,王釗. 具有MPPT功能的光伏系統(tǒng)仿真. 天津大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)與工程技術(shù)版),2013(10):929～933

Self Making Energy Converting Demonstration Instrument between Solar and Wind Energy

Huang HuiminCheng MinxiLai CaiLiu Jingdan

(School of Physics and Telecommunication Engineering， South China Normal University, Guangzhou，Guangdong510006)

The energy converting instrument which can show the progress of solar and wind power were designed for demonstrating teaching. It can demonstrate many kinds of energy’s converting like optical energy, wind energy, electric energy, kinetic energy and gravitational potential. The voltage can be displayed by using a LED voltmeter sensitively. This instrument is easy to make and operate. The phenomenon is obvious. It is suitable for science popularization show and demonstration in class.

energy conversion; demonstration instrument; solar energy; wind energy;LED displaying voltmeter

黃慧敏(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)與教學(xué)研究.指導(dǎo)教師：程敏熙(1962-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)與教學(xué)研究.

2016-03-10)