自制太阳能与风能发电的新型能量转换演示仪

黄慧敏　程敏熙　赖才　刘敬丹

(华南师范大学物理与电信工程学院　广东 广州　510006)



自制太阳能与风能发电的新型能量转换演示仪

黄慧敏程敏熙赖才刘敬丹

(华南师范大学物理与电信工程学院广东 广州510006)

设计了一种展示太阳能发电与风能发电的新型能量转换演示仪，可演示光能、电能、风能、重力势能与动能的多种能量之间的相互转化.并用89C52单片机制作出LED电压显示器，该显示器可灵敏地显示电压的变化.该演示仪操作简单，现象明显，既可用于课堂演示也适合于科普展示.

能量转换演示仪太阳能发电风能发电LED电压显示器

1　引言

如今，中学物理教学中已经涉及到太阳能发电，风能发电，皮带轮传动，齿轮传动等各种发电方式和能量转换问题.但历年来，缺乏针对这些知识点所研制的演示仪，教师讲解时大多数用文字、图片讲解，使得学生对这些知识点的认知还停留在感性认知的层面上.针对此现状，本文详细地介绍了一种太阳能与风能发电的能量转换演示仪，具有模块化、功能化、实用性高等特点，有利于辅助学生更好地理解发电与能量转换问题.

2　教具装置图

自制的能量转换演示仪如图1所示.

图1　实物装置图

①机械能转化装置;②太阳能电池;③变速风车;④齿轮小车;⑤架设角调节装置;⑥电压表;⑦LED式电压显示器;⑧风能发电装置

3　基本原理

装置的基本原理如图2所示.

图2　装置的基本原理

3.1太阳能发电

演示仪使用的太阳能电池为多晶硅太阳能电池板，其输出为直流电.若想增大干路电压，可将太阳能电池板进行串联；若想增大干路电流，也可以将电池板并联连接.

3.2电磁转换

此功能主要由直流电磁铁实现，电磁铁将太阳能板产生的电能转化为磁场能量，从而对小球产生吸引作用.断开电源时，磁场也随之消失，小球从轨道的顶端顺着滑轨向下运动，在运动的过程中将重力势能转化为小球的动能.整个过程构成电能-磁场能-机械能之间的转化.

3.3风能发电

由太阳能电池产生的直流电使小电动机发生转动，产生的风随之带动另一发电机转动，产生电磁感应效应，从而产生电流.通过导轨使得两电机之间的距离发生改变而使得风能发电的电压发生改变，通过LED电压显示器可直观显示电压变化，改进了以往教具不便于学生读数的缺点，构成太阳能-电能-风能等能量之间的多级转化.

3.4传动结构展示

电能和机械能之间的相互转化是日常生活中常见的能量转化形式之一.本教具主要通过电机将电能转化为机械能，并通过变速风车和模型车的结构，展示不同半径下皮带轮转速不同的现象和齿轮传动的过程.

4　仪器的特点与用途

4.1特点

(1)传统的太阳能板只能固定在某个架设角，而本装置创新性地利用液压传动原理制成架设角可改变的装置，便于定量探究架设角对太阳能电池输出效率的影响.

(2)在实际生活中风力发电的效率会随风速的变化而变化，本装置利用水平滑轨人为改变风扇的水平间距，模拟自然风速时刻变化的特点，便于定性研究风速对风能发电效率的影响.

(3)使用89C52单片机控制的LED灯式的电压显示器，在能够灵敏显示风力发电的电压变化的同时，改善了以往课堂上使用指针式电压表的表盘微小读数困难的缺点.

(4)本教具可演示太阳能在生活中的多种应用，现象直观，富有趣味性.

4.2用途

本教具适用于初中物理中“重力势能与动能的相互转化”、“风能发电”和“太阳能的利用”的演示，也可供学生课外研究性学习，学生可以以此演示仪为基础定量探究关于太阳能电池特性的测量，以及定性探究风速对发电效率的影响.

5　制作材料

不同规格的有机玻璃板，长木条，不锈钢弯曲导轨,15 V直流电流表，0.88 W太阳能板，DC3 V小电机，100 W白炽灯，LED灯，显示电路，香蕉插座及插头，12 V直流电磁铁，5号电池及配对电池盒，导线若干,不同规格针筒，输液管，抽屉滑轨，带座轴承，塑料风叶，皮带及皮带轮，齿轮组，5 mm轴承，直径6 cm的塑料圆盘.

6　制作方法

6.1底座的制作

使用打孔机在有机玻璃板上进行打孔并拧上香蕉插座.

6.2变速风车及模型小车的制作

(1)利用彩色木条、卡纸、塑料圆盘制作风车扇叶，如图3(a)所示.将长木条搭建成三角支架，将轴承、圆木棒和小电机按图3(b)所示进行安装.最后将制作好的风车扇叶和皮带轮安装在圆木条上，并在皮带轮上套上相对应的皮带.

(a)风车扇叶

(b)三角支架

(2)先将小马达安装在模型小车底盘上，然后将齿轮安装在小车后轮轴上，制成模型小车齿轮传动结构.

6.3风能发电模型及电压显示器的制作

(1)将小电机安装在有机玻璃方柱顶部，再将其安装在抽屉滑轨的末端；将另一小电机安装在方柱顶部，并置于底座上，如图4所示.

图4　风能发电模型

(2)图5为电压显示器的电路图，该电路以89C52单片机作为数字处理元件[1]，实现模数转换，利用40个高亮LED灯显示电压的高低，并制作成电压显示电路模块，使电压每增加0.15 V,LED灯的个数增加一排，显示范围为0～3 V,制作电路板后再将其安装在底座上.

图5　LED电压显示器电路图

6.4太阳能电池角度调节装置

将2块太阳能板镶嵌在有机玻璃板内，将其固定在钢棒上，并使用带座轴承连接钢棒的两边；将针筒通过输液管与另一针筒相连，并将其中一个针筒固定在具有转动车轴的底座上，再将另一针筒的栓塞底端与有机玻璃板粘合，制成太阳能电池角度调节装置.

7　使用方法

7.1探究太阳能板不同连接方式的输出效率

保持太阳能板的架设角不变，将两个太阳能板串联，用电压表测量其两端的电压值；将两个太阳能板并联，再观察电压表的示数.

7.2探究模型风速对风能发电效率的影响

将太阳能电池与滑轨上的小马达相连，开启LED灯式的电压显示器，通过移动滑轨改变风扇与小型发电马达的水平间距，观察电压显示器的示数变化.

7.3演示重力势能与动能之间的相互转化

将太阳能电池与直流电磁铁相连，电磁铁产生磁场，对铁球具有吸引作用.断开电路，小球从弯曲轨道的顶端开始运动至底端，演示重力势能与动能之间的相互转化.

7.4演示太阳能的利用实例

将太阳能板与太阳能小车或者变速风车模块相连，以太阳能板所产生的电能驱动太阳能小车或变速风车来演示太阳能的生活应用.

7.5对太阳能电池的特性进行初步测量

本装置中太阳能电池设有架设角调节装置，便于教师指导对实验感兴趣的学生对太阳能板的基本特性进行进一步的研究.以以下几个实验为例：

(1)测量太阳能电池的暗伏安特性曲线

关闭台灯，用暗箱罩住太阳能电池[5]，将电路元件按图6(a)进行连接，调节电阻箱的阻值在1 000 Ω串联在电路中起保护作用[6]，并使用Origin7.5处理得出其暗伏安特性曲线[7,8]，如图6(b)所示.

(a) 暗伏安特性电路图

(b)太阳能电池暗伏安特性曲线

(2)测量在一定光照强度下太阳能电池的输出功率与负载之间的关系

将100 W白炽灯更换为40 W的并打开台灯，将台灯与太阳能电池之间的距离保持在20 cm，将电路元件按图7(a)进行连接，并使用Origin7.5处理得出其输出功率与负载之间的关系，如图7(b)所示.

(a) 输出功率与负载关系电路图

(b) 一定光照下太阳能电池输出功率与负载关系曲线

除以上两个例子之外，还可以配合其他仪器探究太阳能电池的输出功率与照射光波长之间的关系[9]、太阳能电池的输出功率与架设角之间的关系等等，可以引导学生对其进行深入挖掘，为太阳能电池的实际应用提供参考.

8　结束语

小型的单块太阳能电池的转换效率比较低，本装置驱动展示模块时，需要的电流较大，因此将两块太阳能电池进行并联，还需注意的是，由于太阳能电池的输出功率不太稳定，因此在利用太阳能电池制作其他装置时，要防止输出功率不稳定而造成电路或仪器损坏的问题.

1刘瑞.基于单片机的数字直流电压表的设计与实现.电子技术与软件工程,2013(14):84

2钟太福. 用单片机制作电压表. 电子制作,2011(02):23～253张鹏飞,张鹏,张子亮,等.微型风力发电演示仪.大学物理实验，2011(03):70～72

4张鹏飞,张子亮,张鹏,等.小型风光互补发电演示装置.物理实验,2012(01):21～24

5茅倾青,潘立栋,陈骏逸,等. 太阳能电池基本特性测定实验. 物理实验,2004(11):6～8,11

6杨诗晨,刘灿,徐铁钢. 太阳能电池特性的研究——一项有意义的创新研究实验. 物理与工程,2014(02):69～727熊万杰,黄振中. 用Origin软件处理物理实验数据. 大学物理实验,2004(02):65～67

8刘绒侠,王党社,彭首军. 用origin软件处理物理实验数据. 大学物理实验,2008(02):91～93

9程言哲,张文理,佘宝琛,等. 太阳能电池板发电效率的实验研究. 自动化技术与应用,2014(02):99～102

10肖夏,侯建富,王钊. 具有MPPT功能的光伏系统仿真. 天津大学学报(自然科学与工程技术版),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

黄慧敏(1991-)，女，在读硕士研究生，研究方向为物理实验与教学研究.指导教师：程敏熙(1962-)，男，博士，副教授，研究方向为物理实验与教学研究.

2016-03-10)