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儿童电子学(五):生产清洁能源

2022-09-14 17:50:37 Giovanni Di Maria 阅读:
宇宙充满了免费的能量。可悲的是,我们地球人却很乐意为开灯、启动汽车和使用电子设备所需的能量付费。说实话,宇宙是一个巨大的电池,可以以完全免费而又干净的方式产生不可估量的能量。应该让小朋友更加意识到这一点,因为使用清洁能源表明了人们的意识,并能为子孙后代享有更清洁的地球铺平道路。

宇宙充满了免费的能量。可悲的是,我们地球人却很乐意为开灯、启动汽车和使用电子设备所需的能量付费。说实话,宇宙是一个巨大的电池,可以以完全免费而又干净的方式产生不可估量的能量。应该让小朋友更加意识到这一点,因为使用清洁能源表明了人们的意识,并能为子孙后代享有更清洁的地球铺平道路。uawednc

免费能量

电力不限于电池和电芯所产生的电力,也不限于通过墙壁插座所获得的电力。从替代能源产生能量的系统有很多。之所以将它们称为替代能源,是因为它们完全取代了传统能源。在本文中,我们将介绍一些非常简单的方法来产生和获得免费电力。不言而喻,我们所制造的发电机输出功率有限,无法用它们来为计算机、电视、洗衣机、热水器等大型电器供电。然而,它们却可以为未来设计和建造更大功率的发电机带来灵感。以下是一些简单的实验,其中就包括一些可以免费发电的实验。当然,实验中不会使用电池。uawednc

水果电池

这个简单的实验可以让我们用简单的水果发电。该项目虽然产生的电压和电流非常低,但是却很有趣,因此有利于激起孩子们对科学发现的自然好奇心。该实验基于一种简单的电池创建——该电池是一种将化学能转化为电能的装置,由浸入溶液中的两个不同的金属导体组成。可以使用状况良好(也即不能太干)的土豆或柠檬,至少实现几个小时的发电(见图1)。uawednc

土豆和柠檬的汁液可以使电流通过。取一根锌钉(或锌棒)和另一根铜钉(或铜棒),然后将它们插入水果中。要测试这个“天然电池”是否有效,可以使用万用表来进行,就像在本系列前几个部分中的一样。有了这种清洁能源,就可以点亮LED二极管、小型数字时钟或液晶计算器。uawednc

该实验非常翔实有趣,几乎可以免费进行。为了获得更高的电压或更大的电流,可以串联或并联多个装置,如前面的文章中所示。事实上,一个水果是完全无济于事的,因为它产生的能量很少。这种推理也适用于传统电池。因此,至少应获得约18个柠檬。如图所示,将铜钉和锌钉或铜棒和锌棒插入水果中,电池就准备就绪了。将土豆用作电池的话,一个土豆电池可产生约0.8V的电压,但其电流非常低,约为130μA。这种内置电池可以将LED二极管照亮好几天。要获得更多的能量,进而点亮12V灯,就需要大约15,000个柠檬或土豆。因此,不建议将此类电池用于实际目的。切记不要吃做过实验的土豆。uawednc

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图1:用土豆制成的电池uawednc

光伏板

这种解决方案效率更高,几乎被所有企业和家庭使用。当然,我们的实验是在小规模上进行的,但它能使我们以一种非常简单免费的方式完全理解太阳光发电是如何产生的。太阳能电池板可以从太阳产生清洁能源,并将太阳能转换为电能或直流电,就像电池或电芯一样。太阳能电池板有不同的尺寸,从几平方厘米非常小的面积到光电发电厂所用的巨大的尺寸。使用太阳能电池板,可以执行以下操作之一:uawednc

  • 直接为直流设备供电;
  • 为电池充电;
  • 为逆变器供电,将能量转化为交流电。

我们的实验(见图2)基于第一种方法,这也是最简单的方法。我们可以用它来获得一个5V或12V、几瓦特的小型太阳能电池板。它配备了两个电极,就像电池一样,一个是正极,一个是负极。它只能在阳光下工作,在黑暗中不能产生电流。有趣的是,灯泡、电机、电池充电器、收音机、电池、立体声音响等设备都可以连接到太阳能电池板,只要它们的工作电压都与面板相同即可。此外,切记不要将面板的正极和负极直接连接在一起。uawednc

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图2:如何使用太阳能电池板产生免费电力。uawednc

自行车发电机

这是孩子们总是在自行车上使用的装置。发电机是将机械能转化为电能的电机。它使用起来非常简单,只需要让它的轴旋转得非常快。在这种情况下,发电机可以连接到任何电气或电子设备。它通常用来产生交流电,因此必须将其转换为直流电,但我们将在下一部分中讨论这一方面。uawednc

图3展示了一种简单的电流发生器,它由自行车制成,可以为一个或多个灯泡供电。发电机本身可用于为电池充电。使用更大功率的发电机,可以增加所产生的清洁能源。有趣的是,即使是普通的直流电机也可以用作发电机,因为它的操作是“可逆的”。如果你住在一个风很大的地区,你可以直接在电机的转子上安装螺旋桨,这样就可以用风发电。uawednc

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图3:自行车发电机发电。uawednc

冷却风扇

电脑和电源中的冷却风扇也是可逆电机,当其轴快速旋转时会产生直流电,从而产生与旋转速度成比例的电压。任何尺寸的小型冷却风扇都可用于实验。uawednc

图4展示了使用和测量这种免费能量的实际示例。例如,如果风扇是设计为在12V电压下工作,则应使用相同额定值的灯泡。但是,如果预计在低速下会发生旋转,则也可以使用较低电压的灯。在没有风的情况下,可以使用吹风机吹风扇来启动旋转。风扇也可以安装在交通工具上,例如汽车、摩托车甚至自行车上。请记住,风扇提供的能量非常低,无法为非常健壮的负载供电。当然,其所产生的电压和电流要高于用土豆制成的电池。uawednc

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图4:电脑冷却风扇在快速旋转时可以发电。uawednc

总结

免费发电是一个越来越重要的话题。如果在30年或40年前,这个问题根本就不存在。然而,在今天,任何领域都在试图找到可以生产少量完全免费的能源的最佳解决方案。uawednc

另请阅读:

儿童电子学(一):LED uawednc

儿童电子学(二):电容器uawednc

儿童电子学(三):电气测量uawednc

儿童电子学(四):连接电路uawednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb,参考链接:Electronics for Kids: Part 5 — Producing Clean Energy,由Franklin Zhao编译。)uawednc

责编:Franklin
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