兒童電子學(V):生產清潔能源

作者 : Giovanni Di Maria,EEWeb特約作者

電力不限於電池和電芯所產生的電力,也不限於透過牆壁插座所獲得的電力。從替代能源產生能量的系統有很多。本文介紹一些非常簡單的方法來產生和獲得免費電力...

宇宙充滿了免費的能量。可悲的是,我們地球人卻很樂意為開燈、啟動汽車和使用電子裝置所需的能量付費。說實話,宇宙是一個巨大的電池,能以完全免費而又乾淨的方式產生不可估量的能量。應該讓小朋友更加意識到這一點,因為使用清潔能源表明了人們的意識,並能為子孫後代享有更清潔的地球鋪路。

免費能量

電力不限於電池和電芯所產生的電力,也不限於透過牆壁插座所獲得的電力。從替代能源產生能量的系統有很多。之所以將它們稱為替代能源,是因為它們完全取代了傳統能源。本文將介紹一些非常簡單的方法來產生和獲得免費電力。不言而喻,我們所製造的發電機輸出功率有限,無法用它們來為電腦、電視、洗衣機、熱水器等大型電器供電。然而,它們卻可以為未來設計和建造更大功率的發電機帶來靈感。以下是一些簡單的實驗,其中包括一些可以免費發電的實驗。當然,實驗中不會使用電池。

水果電池

這個簡單的實驗讓我們得以用簡單的水果發電。該專案雖然產生的電壓和電流非常低,但是卻很有趣,因此有利於激起孩子們對科學發現的自然好奇心。該實驗基於一種簡單的電池創建——該電池是一種將化學能轉化為電能的裝置,由浸入溶液中的兩個不同金屬導體組成。可以使用狀況良好(也即不能太乾)的馬鈴薯或檸檬,至少實現幾個小時的發電(見1)。

馬鈴薯和檸檬的汁液可以使電流通過。取一根鋅釘(或鋅棒)和另一根銅釘(或銅棒),然後將它們插入水果中。要測試這個「天然電池」是否有效,可以使用萬用表來進行,就像在本系列前幾個部份中的一樣。有了這種清潔能源,就可以點亮LED二極體、小型數位時鐘或液晶計算機。

該實驗非常詳實有趣,幾乎可以免費進行。為了獲得更高的電壓或更大的電流,可以串聯或並聯多個裝置,如前面的文章中所示。事實上,一個水果是完全無濟於事的,因為它產生的能量很少。這種推論也適用於傳統電池。因此,至少應獲得約18個檸檬。如圖所示,將銅釘和鋅釘或銅棒和鋅棒插入水果中,電池就準備就緒了。將馬鈴薯用作電池的話,一個馬鈴薯電池可產生約0.8V的電壓,但其電流非常低,約為130μA。這種內建電池可以將LED二極體照亮好幾天。要獲得更多的能量,進而點亮12V燈,就需要大約15,000個檸檬或馬鈴薯。因此,不建議將此類電池用於實際目的。切記不要吃做過實驗的馬鈴薯。

A battery made with potatoes creates clean energy.

1:用馬鈴薯製成的電池

太陽光電板

這種解決方案效率更高,幾乎被所有企業和家庭使用。當然,這項實驗是在小規模上進行的,但它能使我們以一種非常簡單免費的方式完全理解太陽光發電是如何產生的。太陽能電池板可以從太陽產生清潔能源,並將太陽能轉換為電能或直流電,就像電池或電芯一樣。太陽能電池板有不同的尺寸,從幾平方公分非常小的面積到光電發電廠所用的巨大的尺寸。使用太陽能電池板,可以執行以下操作之一:

  • 直接為直流設備供電;
  • 為電池充電;
  • 為逆變器供電,將能量轉化為交流電。

該實驗(見2)基於第一種方法,這也是最簡單的方法。我們可以用它來獲得一個5V或12V、幾瓦特的小型太陽能電池板。它配備了兩個電極,就像電池一樣,一個是正極,一個是負極。它只能在陽光下工作,在黑暗中不能產生電流。有趣的是,燈泡、電機、電池充電器、收音機、電池、立體聲音響等設備都可以連接到太陽能電池板,只要它們的工作電壓都與面板相同即可。此外,切記不要將面板的正極和負極直接連接在一起。

Clean energy with a solar panel.

2:如何使用太陽能電池板產生免費電力。

自行車發電機

這是孩子們總是在自行車上使用的裝置。發電機是將機械能轉化為電能的電動機器。它使用起來非常簡單,只需要讓它的軸旋轉得非常快。在這種情況下,發電機可以連接到任何電氣或電子設備。它通常用來產生交流電(AC),因此必須將其轉換為直流電(DC),但我們將在下一部份中討論這一方面。

3展示一種簡單的電流產生器,它由自行車製成,可以為一個或多個燈泡供電。發電機本身可用於為電池充電。使用更大功率的發電機,可以增加所產生的清潔能源。有趣的是,即使是普通的DC馬達也可以用作發電機,因為它的操作是「可逆的」。如果你住在一個風很大的地區,你可以直接在馬達的轉子上安裝螺旋槳,這樣就可以用風發電。

A bike dynamo generates clean electricity.

3:自行車發電機發電。

冷卻風扇

個人電腦(PC)和電源中的冷卻風扇也是可逆機器,當其軸快速旋轉時會產生直流電,從而產生與旋轉速度成比例的電壓。任何尺寸的小型冷卻風扇都可用於實驗。

4展示使用和測量這種免費能量的實際示例。例如,如果風扇是設計為在12V電壓下工作,則應使用相同額定值的燈泡。但是,如果預計在低速下會發生旋轉,則也可以使用較低電壓的燈。在沒有風的情況下,可以使用吹風機吹風扇來啟動旋轉。風扇也可以安裝在交通工具上,例如汽車、摩托車甚至自行車上。請記住,風扇提供的能量非常低,無法為非常穩建的負載供電。當然,其所產生的電壓和電流要高於用馬鈴薯製成的電池。

PC Cooling fan

4:電腦冷卻風扇在快速旋轉時可以發電。

總結

免費發電是一個越來越重要的話題。如果在30年或40年前,這個問題根本就不存在。然而,在今天,任何領域都在試圖找到可以生產少量完全免費的能源的最佳解決方案。

編譯:Franklin Zhao

(參考原文:Electronics for Kids: Part 5 — Producing Clean Energy,by Giovanni Di Maria)

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