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    绳柱风车发电系统
    作者:周鉴恒    文章来源:作者惠赐    点击数:    更新时间:2011-3-15
    风力发电的商业运转先天上有两项主要缺点:一、地面风速较小,风能密度不高,以致于功率较大的风车尺寸都必须很大,且须装设在塔柱上;二、地面风速变化相当大,有时甚至无风,因此一般风车的利用率,约仅为预计利用率的19%至35%左右。气象研究显示:高空长年吹拂强劲且稳定的风。本研究提出绳柱风车的构想,利用风筝将风车拉升至高空,使风车稳定平衡而迎风发电,产生稳定可靠且功率较符实用的电力输出,满足一般用电的需求。这项创作涉及电磁学、力学的重要概念以及气象知识,启发风力发电之创新;适合学生组队研制,寓教于乐,经实际操作,发展出一种效果颇佳的教学模式。

    研究动机以及涉及的科学概念

    一、 在绿能研发上的价值

    针对风力发电输出功率不稳定、风力发电设备利用率偏低、以及风能密度低、大型风车造价昂贵、风车之塔柱高度有限、成本较高、受地形与地貌限制、须设置追随风向的装置等缺点,本文研发利用风筝(或其他飞行器)吊挂空中风力发电机至高空的绳柱风车系统7,利用高空稳定且强劲的风力转动空中风力发电机,产生稳定可靠的电力。

    二、 在物理学的教学方面。

    因为技职校院学生在学理和理论之掌握较生疏,再加上许多学生由于语文能力弱,阅读和理解造成困难,因为数学能力不足,以致于公式或抽象的概念无法建立,课堂上较为死板、理论推导或数学公式计算的传统教学方式,实有强人所难之嫌,于枯燥又不易理解的课堂讲演之中,往往抹杀了学生的兴趣,非但勤苦难成,事倍功半,有时甚至徒劳无功,学生除了没有长进和收获之外,还养成对学习望而生畏、排斥和恐惧学习的心理,尤其充分实证了黑板教学的失败和无能为力。

    加上大环境的改变,学生在求学期间,始终未能面对学习的困难,并加以克服,从而建立成功学习的经验。学习成功的经验其实是学生最重要的收获。学习成功的经验就像任何成功的经验一样,根据学习成功的经验,学生会知道:一、自我能力的优缺点;二、善用自我能力的方式和整个学习过程;三、克服挫折感;四、学习的要诀等等。但目前的技职校院的学生鲜少建立学习「成功的经验」。缺少「成功的经验」,学生反而养成许多不良的习惯,例如逃避学习、恐惧学习、负面自我的暗示等,更是雪上加霜。

    此外,技职校院的学生程度参差不齐,各项能力在同班同学之间其实相差很大,同一班级中有程度颇佳的学生,也有素质较差的学生,教师教材的取舍成了两难,在课堂上藉由相同的教学方式,使用单一教材,在同一进度下教学,极不合理也造成极大的困扰和许多学生的挫折感。

    借着组成专题研制小组研制绳柱风车系统,研究其原理、开发其创意、动手实做完成、加以测试、并构思未来的发展和改良,在教学上有以下之功能:()从实物入手,可以排除恐惧感,从做中学,动手动脑,实验和理论并重,从实验和从学理对该主题做全盘理解,过程寓教于乐。()针对的是一个实际的绳柱风车系统,而此主题涉及许多理论,甚至科目,与一般教科书常针对某个学理或理论的安排不同。()学习和参与的方式非常多元,例如:同侪之间互相指教传授、依个人所需求理解的途径自主寻找相关资料,从不同的角度,不同的程度参与学习活动,使程度不同的学生都可以受益于此教学活动。()培养学生探索、主动的求学态度,累积学生独立思考,研究的能力,激发学生创新发明的企图心和信心。

    三、 这项主题涉及物理学中几项重要概念8

    (1)       流体力学中扬力、阻力的产生,以及风与风筝之相对运动与攻角之关系。

    (2)       静力平衡的问题。如何利用重力、风造成的扬力和阻力、以及拉索拉力之间的平衡,使风力发电机维持稳定向前迎风。

    (3)       应用电磁学中法拉第定律,设计轻巧简单可靠的发电机,及探讨各种发电机原理和设计,评估其于此系统中的应用价值。

    (4)       熟悉电路学中二极管和桥式整流器的整流功能,电力传输、负载匹配等问题。

    (5)       了解能量转换、功率等概念。

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