简易风力发电机研究性学习报告

　　摘要：风能是一种无污染、可再生的绿色能源，它很早就被人们利用，用风车来抽水、磨面等，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要意义。
　　关键词：风力发电；电能；模型；实验
　　组员：庄昊霖、李一丁、孙义智、荣健睿、张晓非、张兆越、李睿、王雅慧、刘亦奇、初雨薇。
　　研究时间：2015年7月～8月
　　研究题目：风与电的罗曼史——简易风力发电机的制作。
　　研究目标：制作出简易风力发电机并探究原理。
　　风力发电是把风的动能转化为电能，如今风电已成为我国火电、水电之后的第三大电源，在电源结构中的比重逐年提高，2015年占全国总发电量的3.3%，2020年底将达到6%。中国已经成为引领全球风电市场的重要力量[1]。本次试验制作目的是通过团队协作，设计制作简易的风力发电机实验仪，让团队了解风力发电的原理，将课本中学到的理论知识付诸实践中。同时在制作和测试过程中对出现的一些现象进行深刻的思考，具有很强的实用性和趣味性。也为今后的科学研究打下很好的基础。
　　一、第一次试验
　　1、试验材料准备。电动马达、齿轮、铁棍、塑料扇叶、电线、电池、灯泡、电流表。
　　2、试验制作。（1）制作风扇：先将铁棍当作传动轴固定好，再在轴两端一边连接扇叶，一边连接大齿轮，再将马达固定在轴后面，连接小齿轮，连上电池，就做成了风扇。
　　2.制作发电机：先将马达固定，再将扇叶与马达连接，再在马达上连接灯泡和电流表形成闭合电路。
　　3.进行试验：给风扇通电，用風扇吹发电机，观察灯泡和电流表。
　　4.试验现象：灯泡不亮，电流表有微弱偏转。
　　2、反思和改进方向。在第一次试验中，电流表指针发生偏转，说明已经产生了电流。但是由于从玩具车上拆下来的电动马达功率过小，产生电流比较小，不足以使灯泡亮起来。需要作进一步改进。计划改进方式是：一方面通过网购采购小型发电机、在修车铺里找到自行车辐条，另一方面画出较为细致的设计图指导试验。
　　二、第二次试验
　　1、试验材料准备。试验材料：木板、木条、薄塑料片、导线、乳胶、小螺钉、易拉罐、笔管、小型发电机（带有永磁体，6w12v）、辐条、辐条帽、发光二极管（小灯泡）、齿轮。
　　试验工具：尺子、剪刀、钢丝钳、锤子、锥子、（工具箱）、自行车。
　　2、设计构思。设计图如下：（单位：mm）
　　（1）整体结构：
　　（2）基座木板：
　　（3）叶轮（风轮）：
　　3、试验制作。
　　（1）按照设计图4，在木板上画出零件装配的位置。
　　（2）制作叶轮。在薄塑料片上贴上一张白纸，在白纸上画出一个圆，将圆周等分成24份，沿等分线向里剪70 mm长缝获得24份叶片，并均朝一个方向扭斜，做成叶轮。在金属叶轮中心处钻直径稍大于自行车辐条直径的圆孔，如设计图5所示。
　　（3）制作大传动轮，安装小传动轮。用剪刀剪下两只易拉罐筒底，将两个筒底对好用胶粘接处理后便制成轮子，在轮子圆心和距圆心10 mm处分别钻直径稍大于幅条直径的两个圆孔，便完成大传动轮的制作。取两个小齿轮，适当扩充轴心圆孔大小后，将两个齿轮依次套在电机转轴上，便完成了小传动轮的安装。
　　（4）在底座上固定支架。根据已经画好的装配图，用两个小螺钉将木条垂直固定在底座上。
　　（5）安装叶轮和大传动轮。取一根自行车幅条，用钢丝钳将不带螺丝扣部分截去后得到约120 mm长的一段，并用钳子把幅条不带螺丝扣一端折成＂u＂形作为传动轴。把传动轴直的一端穿过大传动轮中心圆孔，将＂u＂形端安装在大传动轮上并用胶粘接固定好。在支架上离底板表面约120 mm高度处水平方向钻孔径大小稍大于幅条直径的圆孔，将长约100mm的硬塑料管插入支架圆孔中并将其牢牢固定在支架上。在传动轴上套入垫片，然后将其插入塑料管中。接着再安装一个垫片，并用两个幅条帽把叶轮牢牢夹紧固定在传动轴的前端。为防止叶轮发生松动，用乳胶进行粘接处理。
　　（6）固定电动机，安装小灯泡。用乳胶将电动机固定在木板上。调整大小传动轮位置使两个轮平行且在同一个平面内，把橡皮筋套在两轮凹槽内。取硬质透明塑料笔管，笔管一端固定在底板指定位置上，另一端安装小灯泡并连接导线，导线穿过笔管从下端开口出来和电动机电刷引出线相连接[2]。
　　（7）进行试验。方法一，用手转动叶轮，带动传动轮使风力发电机工作，试验结果：小灯泡就被点亮啦。方法二，给风扇通电，用风扇吹发电机，试验结果：灯泡点亮和电流表偏转。方法三，为了更好地模拟自然风力发电，把试验装置放到户外自然风（风口）吹，试验结果：灯泡点亮和电流表偏转。方法四，为了更好地模拟自然风力发电，将试验装置绑在自行车上，骑行自行车产生的风让装置发电，试验结果：灯泡点亮和电流表偏转。
　　（8）试验结果：第二次制作的简易风力发电机装置经四种方法试验，试验结果均为灯泡点亮和电流表偏转。
　　（9）制作过程小记录：
　　三、总结与体会
　　在这次研究性学习的活动中，我们团队10位同学团结协作，经过1个多月的努力，历经2次试验过程，最终亲手制作出一个简易风力发电机并探究了其原理。
　　在第一次的试验中，因为从玩具车上拆下来的电动马达功率过小，产生电流比较小，灯泡没有亮，试验不成功。我们没有气馁，经过分析总结进行了改进，并重新设计了叶轮，在第二次试验中终于达到了预定研究目标。
　　1、探究原理。通过本次风力发电机實验仪的制作，结合课本中学到的理论知识，初步探究出风力发电的原理，并得出一些结论：
　　2、简单原理：叶轮将风能转换为机械能，经由传动装置带动转子，转子转动切割磁场，最后产生电流，将机械能转化为电能。
　　3、电磁感应现象：闭合电路中的导体在磁场中做切割磁感线的运动，电路中会产生感应电流。
　　4、提升能量转换效率要素分析：一是风能转换机械能中叶轮是个关键部件，叶轮设计的形状、大小以及所采用材料性能对风能转换为机械能至关重要；第二机械能的损失要靠传动轴的润滑和精密制作来减少；第三机械能转化为电能发电机的效率是关键。关于如何提升风力发电能量转换效率，涉及到空气动力学、结构力学、机械制造、电磁学和材料学等等学科[3]，将在今后的生活中加以学习和不断提升。
　　四、学习感悟
　　这次活动是一个将课本中的理论付诸实践的机会，在亲身的体验中我们收获了很多东西：不仅锻炼了自己的动手能力，也培养了团队合作精神。更重要的是，它教会了我们做一件事很有可能会经历失败，这是通往成功的一个过程，关键在于不断进行总结和改进，享受过程，同时让结果变得更好。
　　参考文献
　　[1] 陈雪峰，李继猛，程航，李兵，何正嘉. 风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展[J]. 机械工程学报，2011，（09）：45-52.
　　[2] 杨东，刘晶茹，杨建新，丁宁. 基于生命周期评价的风力发电机碳足迹分析[J]. 环境科学学报，2015，（03）：927-934.
　　[3] 程明，张运乾，张建忠. 风力发电机发展现状及研究进展[J]. 电力科学与技术学报，2009，（03）：2-9.