簡易風力發電機研究性學習報告

摘要：風能是一種無污染、可再生的綠色能源，它很早就被人們利用，用風車來抽水、磨面等，它對于解決全球性的能源危機和環境危機有著重要意義。

關鍵詞：風力發電；電能；模型；實驗

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。

研究時間：2015年7月～8月

研究題目：風與電的羅曼史——簡易風力發電機的制作。

研究目標：制作出簡易風力發電機并探究原理。

風力發電是把風的動能轉化為電能，如今風電已成為我國火電、水電之后的第三大電源，在電源結構中的比重逐年提高，2015年占全國總發電量的3.3%，2020年底將達到6%。中國已經成為引領全球風電市場的重要力量[1]。本次試驗制作目的是通過團隊協作，設計制作簡易的風力發電機實驗儀，讓團隊了解風力發電的原理，將課本中學到的理論知識付諸實踐中。同時在制作和測試過程中對出現的一些現象進行深刻的思考，具有很強的實用性和趣味性。也為今后的科學研究打下很好的基礎。

一、第一次試驗

1、試驗材料準備。電動馬達、齒輪、鐵棍、塑料扇葉、電線、電池、燈泡、電流表。

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

2.制作發電機：先將馬達固定，再將扇葉與馬達連接，再在馬達上連接燈泡和電流表形成閉合電路。

3.進行試驗：給風扇通電，用風扇吹發電機，觀察燈泡和電流表。

4.試驗現象：燈泡不亮，電流表有微弱偏轉。

2、反思和改進方向。在第一次試驗中，電流表指針發生偏轉，說明已經產生了電流。但是由于從玩具車上拆下來的電動馬達功率過小，產生電流比較小，不足以使燈泡亮起來。需要作進一步改進。計劃改進方式是：一方面通過網購采購小型發電機、在修車鋪里找到自行車輻條，另一方面畫出較為細致的設計圖指導試驗。

二、第二次試驗

1、試驗材料準備。試驗材料：木板、木條、薄塑料片、導線、乳膠、小螺釘、易拉罐、筆管、小型發電機（帶有永磁體，6w12v）、輻條、輻條帽、發光二極管（小燈泡）、齒輪。

試驗工具：尺子、剪刀、鋼絲鉗、錘子、錐子、（工具箱）、自行車。

2、設計構思。設計圖如下：（單位：mm）

（1）整體結構：

（2）基座木板：

（3）葉輪（風輪）：

3、試驗制作。

（1）按照設計圖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，如設計圖5所示。

（3）制作大傳動輪，安裝小傳動輪。用剪刀剪下兩只易拉罐筒底，將兩個筒底對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圓孔，便完成大傳動輪的制作。取兩個小齒輪，適當擴充軸心圓孔大小后，將兩個齒輪依次套在電機轉軸上，便完成了小傳動輪的安裝。

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

（5）安裝葉輪和大傳動輪。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”形作為傳動軸。把傳動軸直的一端穿過大傳動輪中心圓孔，將“u”形端安裝在大傳動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。在傳動軸上套入墊片，然后將其插入塑料管中。接著再安裝一個墊片，并用兩個幅條帽把葉輪牢牢夾緊固定在傳動軸的前端。為防止葉輪發生松動，用乳膠進行粘接處理。

（6）固定電動機，安裝小燈泡。用乳膠將電動機固定在木板上。調整大小傳動輪位置使兩個輪平行且在同一個平面內，把橡皮筋套在兩輪凹槽內。取硬質透明塑料筆管，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線，導線穿過筆管從下端開口出來和電動機電刷引出線相連接[2]。

（7）進行試驗。方法一，用手轉動葉輪，帶動傳動輪使風力發電機工作，試驗結果：小燈泡就被點亮啦。方法二，給風扇通電，用風扇吹發電機，試驗結果：燈泡點亮和電流表偏轉。方法三，為了更好地模擬自然風力發電，把試驗裝置放到戶外自然風（風口）吹，試驗結果：燈泡點亮和電流表偏轉。方法四，為了更好地模擬自然風力發電，將試驗裝置綁在自行車上，騎行自行車產生的風讓裝置發電，試驗結果：燈泡點亮和電流表偏轉。

（8）試驗結果：第二次制作的簡易風力發電機裝置經四種方法試驗，試驗結果均為燈泡點亮和電流表偏轉。

（9）制作過程小記錄：

三、總結與體會

在這次研究性學習的活動中，我們團隊10位同學團結協作，經過1個多月的努力，歷經2次試驗過程，最終親手制作出一個簡易風力發電機并探究了其原理。

在第一次的試驗中，因為從玩具車上拆下來的電動馬達功率過小，產生電流比較小，燈泡沒有亮，試驗不成功。我們沒有氣餒，經過分析總結進行了改進，并重新設計了葉輪，在第二次試驗中終于達到了預定研究目標。

1、探究原理。通過本次風力發電機實驗儀的制作，結合課本中學到的理論知識，初步探究出風力發電的原理，并得出一些結論：

2、簡單原理：葉輪將風能轉換為機械能，經由傳動裝置帶動轉子，轉子轉動切割磁場，最后產生電流，將機械能轉化為電能。

3、電磁感應現象：閉合電路中的導體在磁場中做切割磁感線的運動，電路中會產生感應電流。

4、提升能量轉換效率要素分析：一是風能轉換機械能中葉輪是個關鍵部件，葉輪設計的形狀、大小以及所采用材料性能對風能轉換為機械能至關重要；第二機械能的損失要靠傳動軸的潤滑和精密制作來減少；第三機械能轉化為電能發電機的效率是關鍵。關于如何提升風力發電能量轉換效率，涉及到空氣動力學、結構力學、機械制造、電磁學和材料學等等學科[3]，將在今后的生活中加以學習和不斷提升。

四、學習感悟

這次活動是一個將課本中的理論付諸實踐的機會，在親身的體驗中我們收獲了很多東西：不僅鍛煉了自己的動手能力，也培養了團隊合作精神。更重要的是，它教會了我們做一件事很有可能會經歷失敗，這是通往成功的一個過程，關鍵在于不斷進行總結和改進，享受過程，同時讓結果變得更好。

參考文獻

[1] 陳雪峰，李繼猛，程航，李兵，何正嘉. 風力發電機狀態監測和故障診斷技術的研究與進展[J]. 機械工程學報，2011，（09）：45-52.

[2] 楊東，劉晶茹，楊建新，丁寧. 基于生命周期評價的風力發電機碳足跡分析[J]. 環境科學學報，2015，（03）：927-934.

[3] 程明，張運乾，張建忠. 風力發電機發展現狀及研究進展[J]. 電力科學與技術學報，2009，（03）：2-9.