自制“風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”

王俏　孫長(zhǎng)平　楊凱萍　李振　盧兆信　崔寶陽(yáng)　周學(xué)云

【摘 要】自制“風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”是 一個(gè)簡(jiǎn)潔的風(fēng)力與太陽(yáng)光能互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)的原理演示模型，可以解決教師授課過(guò)程中因風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)光能發(fā)電實(shí)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(wèn)題。該裝置作為課程教具，可以更生動(dòng)直觀的講解和演示其原理，裝置把復(fù)雜的系統(tǒng)精簡(jiǎn)化，使整個(gè)系統(tǒng)更清晰更簡(jiǎn)潔，更易于講解和演示，讓學(xué)生更直觀清晰的理解其運(yùn)行原理，認(rèn)識(shí)和了解新能源的利用，促進(jìn)新能源的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)能；太陽(yáng)光能；演示裝置

風(fēng)能、太陽(yáng)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(lái)世界風(fēng)能市場(chǎng)每年都以40%的速度在增長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電電的優(yōu)勢(shì)在于發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%[2]。而太陽(yáng)能遠(yuǎn)比風(fēng)能更豐富，應(yīng)用也更廣泛。從1995年開(kāi)始，世界光伏產(chǎn)業(yè)以平均超過(guò)33%的增長(zhǎng)率發(fā)展，近幾年來(lái)更是超過(guò)了40%[3]。在我國(guó)，西藏西部太陽(yáng)能資源最豐富，最高達(dá)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(yáng)光能發(fā)電應(yīng)用意義重大，應(yīng)用范圍也較廣闊，但是實(shí)物龐大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中很難直觀的進(jìn)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(dòng)直觀的講解和演示其原理，自制“風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”能把抽象的原理實(shí)物化，從而使整個(gè)系統(tǒng)清晰、簡(jiǎn)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(duì)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(jì)原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)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(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，再透過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來(lái)促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)，大約是的微風(fēng)速度，便可以開(kāi)始發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱(chēng)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，大體上可分風(fēng)輪（包括尾舵）、發(fā)電機(jī)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(dòng)發(fā)電機(jī)之前，還必須附加一個(gè)把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個(gè)調(diào)速機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機(jī)上。為保持風(fēng)輪始終對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個(gè)類(lèi)似風(fēng)向標(biāo)的尾舵。鐵塔是支承風(fēng)輪、尾舵和發(fā)電機(jī)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(qiáng)度。我們的演示裝置，用小風(fēng)扇來(lái)模擬自然風(fēng)，因而風(fēng)速穩(wěn)定，也不需要較高的鐵塔來(lái)避開(kāi)地面的障礙，因此，我們的演示裝置由葉片和發(fā)電機(jī)組成，為了展示風(fēng)力發(fā)電的效果，后接一個(gè)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(dāng)電量充足可以帶動(dòng)小風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，演示風(fēng)力發(fā)電成果。

太陽(yáng)光能發(fā)電是將光子能量轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。其發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、控制器、蓄電池、逆變器、用戶(hù)即照明負(fù)載組成。其中，太陽(yáng)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(hù)系統(tǒng)，負(fù)載為系統(tǒng)終端。如圖1所示。

作為簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)演示裝置，我們的發(fā)電系統(tǒng)僅由太陽(yáng)能電池板、穩(wěn)壓器（逆變器）和發(fā)光二極管組成。當(dāng)有適當(dāng)強(qiáng)度的光照射到太陽(yáng)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(guò)穩(wěn)壓器穩(wěn)定，連接到蓄電池，把電能儲(chǔ)存到蓄電池中，留待使用。

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

2 裝置的實(shí)物操作與功能演示

自制“風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的原理演示裝置”實(shí)物圖如圖2、圖3所示。整個(gè)裝置共有兩條線路，一條為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由模擬自然風(fēng)的迷你風(fēng)扇、扇葉、發(fā)電機(jī)和穩(wěn)壓器組成，可通過(guò)USB接口與蓄電池連接，儲(chǔ)存電能；另一條為太陽(yáng)光能發(fā)電，由太陽(yáng)能電池板、發(fā)光二極管和穩(wěn)壓器組成，其中太陽(yáng)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(yáng)能電池板與穩(wěn)壓器又組成一條線路，同樣可通過(guò)USB接口連接蓄電池，把產(chǎn)生的電能儲(chǔ)備起來(lái)，留待使用。因?yàn)樽詈蟮慕涌诓捎昧薝SB接口，所以，適當(dāng)?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(jī)，把實(shí)驗(yàn)和生活聯(lián)系起來(lái)，增加實(shí)驗(yàn)演示的趣味，增強(qiáng)教學(xué)演示效果。

演示效果時(shí)，打開(kāi)迷你風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)，即可模擬自然風(fēng)。迷你風(fēng)扇的風(fēng)的強(qiáng)度有三個(gè)檔位，可以演示三種不同強(qiáng)度的風(fēng)。當(dāng)開(kāi)啟風(fēng)扇，模擬自然風(fēng)，即可使扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做功產(chǎn)生電能，點(diǎn)亮穩(wěn)壓器上的指示燈。當(dāng)風(fēng)力適當(dāng)，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流達(dá)到一定的電壓，連接穩(wěn)壓器，即可為蓄電池充電，當(dāng)電量充足即可使連接在蓄電池上的小風(fēng)扇啟動(dòng)。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)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(dāng)強(qiáng)度的太陽(yáng)光下，太陽(yáng)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(gè)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(jī)、穩(wěn)壓器（帶有USB接口）組成；一部分是太陽(yáng)光能發(fā)電系統(tǒng)，由兩塊太陽(yáng)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(yáng)能電池板和發(fā)光二極管組成一條線路，另一塊太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單易操作，把復(fù)雜的線路設(shè)備簡(jiǎn)化，使實(shí)驗(yàn)原理的講解生動(dòng)有趣，更直觀形象，更易于老師的講解，學(xué)生的理解。同時(shí)，因?yàn)槊織l線路最后都連接有保護(hù)線路的穩(wěn)壓器，當(dāng)電壓適當(dāng)，即可通過(guò)USB接口，連接日常的簡(jiǎn)單用電設(shè)備，把枯燥的講解演示與我們的實(shí)際生活相連接起來(lái)，更激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動(dòng)課堂氛圍，讓學(xué)生在趣味中掌握知識(shí)、理解原理。

【參考文獻(xiàn)】

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