電從哪里來

楊波

研究背景

在目前的中小學科技器材配備中，能量轉換方面的器材只配備了手搖發電機，有些學校配備了小太陽能板，但沒有專門的風能發電、水能發電和熱能發電器材。雖然孩子們對各種發電模式或多或少地有一些了解，但不了解內部構造，也只是“知其然，不知其所以然”，況且這些設備是無法搬進課堂的，考慮到安全因素，帶領學生參觀也很不現實，因此，制作綜合發電模型能很好地解決這一教學難題。

在教學5年級上冊第4單元“電與我們的生活”第5課最后一板塊“電從發電廠到我們家”時，教材對水能、熱能、風能發電的介紹只有1張圖片，而學生對這些發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，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電模型的想法。

設計方案

制作該模型的首要目的是運用于教學，故將教材中所列舉的4種發電方式考慮其中，但核能發電無法完成。由于教材是老版本，沒有太陽能發電的介紹，故增加了太陽能發電功能。

?水力發電以前的演示都是用自來水沖動水輪轉動，考慮到模型要在課堂上演示，還要節約水資源，故采用循環水模式，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。

風力發電

因實際的風力發電機葉片巨大，迎風面大，生活中能大面積出風的只有電扇，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量彌補小電機風扇風速和出風面的不足，若轉速不夠時還需利用機械方式（如齒輪）提高轉速，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）。

熱能發電

將有限的熱能轉換為連續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加水，太難實現了。后來，我想到了利用空氣作為介質的斯特林發動機，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。

附屬設施

附屬設施包括各路發電系統的開關控制和連接（制作變電站模型）、建筑物設計制作與內部燈光制作、底板部分的設計與制作。

模型的機械設計圖與電路圖如圖1所示。因篇幅所限，具體制作過程略。

教學用途與方法

斯特林發動機（發電機）

使用方法：點燃酒精燈，并將其放置于發動機前端的保溫罩下方，大約2分鐘后，撥動慣性飛輪，即可連續運轉。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。運行穩定后，將發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）可以很好地向學生展示熱能—動能—電能的轉換。

自動太陽能跟蹤裝置

使用方法：打開蓄電池開關，此時太陽能板將自動對準環境中的最強光源，教學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動且對準最強光源，可以很直觀地看到LED燈也達到最亮狀態。模型見圖3。

風力發電模型

使用方法：接上模型中小風扇的電源（12伏），此時風力發電機的葉片快速轉動，通過齒輪進一步提升轉速并帶動發電機輸出5伏左右電壓。該模型可以直觀地看到轉速提升裝置，學習風力發電過程，進一步了解齒輪在生活中的實際應用。

水輪機發電模型

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，連續下落的水流沖擊水輪機并帶動發電機發電，可輸出5伏左右電壓，同時可通過調整穩壓器電壓達到上下水位的大致平衡。由于關鍵部件采用透明材料制作，運行過程一目了然，使學生能夠清晰了解水力發電過程。

附屬設施

各發電組通過導線連接到“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，點亮室內的LED燈。模型成品見圖4。

創新點

利用斯特林發動機完成熱能到動能的轉換，安全可靠。

利用自動跟光控制技術，提升了太陽能教學的深度。

水力發電模型中采用循環水，方便教學演示，節約水資源。

4種模型的組合，讓學生進一步了解環保能源和非環保能源，認識節約能源的重要性。

采用不銹鋼制作，機械質感強，后期維護方便，易于存放。

小結

模型設計了熱能、風能、水能和太陽能4種發電模式。其中熱能模式采用酒精燈供熱的斯特林熱機發電，水能為循環水沖擊葉片發電，太陽能采用自動跟光模式發電。在設計制作中運用了斯特林發動機工作原理、強光自動跟蹤技術及太陽能電池工作原理、風力發電原理、水輪機發電原理等多種科學原理。各組發電系統通過明顯且規范的線路至“變電站”，然后連接到自制的建筑模型內，點亮模型內的LED燈并使收音機發出聲音。

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

專家評語

該項目研發了“電從哪里來”實驗裝置，實現了熱能、風能、水能和太陽能發電和演示，有助于學生對能量轉換概念的理解。項目選題新穎，原理科學，概念清晰，構思巧妙，設計合理。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。