#7324 cn

GREEN ENERGY 綠色能源系列

# 7324

8+ 133 8 年齡

數量

模型

› › › 目錄

給家長們的建議 & 安全注意事項 .......................................................................................... P2 零件表 ...................................................................................................................................... P3 風的形成 ................................................................................................................................... P4 風力分級 ................................................................................................................................... P5 扇葉造型與數量的奧祕 ........................................................................................................... P6 風力發電原理 ........................................................................................................................... P7 直流電馬達產生電流 ............................................................................................................... P7 30倍雙用發電機 ...................................................................................................................... P9 組裝模型的注意事項 ............................................................................................................... P10 如何變速 .................................................................................................................................. P11 風車測試距離 ........................................................................................................................... P12 如何固定風車 ........................................................................................................................... P13 讓我們開始實驗吧 ................................................................................................................... P14 將能量儲存起來 ....................................................................................................................... P15-16 進階說明 .................................................................................................................................. P16-18 使用家用立扇的的實驗數據 ................................................................................................... P19-20 使用工業立扇的的實驗數據 ................................................................................................... P19-20 模型 1 長扇葉風車 ................................................................................................................. P21-23 模型 2 短扇葉風車 ................................................................................................................. P24-26 模型 3 滑翔機 ........................................................................................................................ P27-28 模型 4 風帆車 ........................................................................................................................ P29-30 模型 5 三輪車 ........................................................................................................................ P31-32 模型 6 噴射車 ........................................................................................................................ P33-34 模型 7 越野車 ......................................................................................................................... P35-36 模型 8 賽車 ............................................................................................................................ P37-38

1

› › › 給家長們的建議＆安全 注意事項 產品特色 引領未來「綠色能源」趨勢—生生不息的風，為我們帶來更大的力量！ 讓孩子在家裡就可以認識最環保的風力發電，創造自己的風力發電模型車！ 1. 特色首創兩種積木風車葉片及 3 段變速的齒輪變速箱，可在各種風力下作用： a. 長葉片風車：模仿真實的風力發電風車，最適合海邊或是風大的地方。 b. 短葉片風車：類似飛機機翼的形狀，即使風小也可以運作，讓孩子在家裡的院子就可以風力發電！ c. 兩種積木風車都可於室內教學使用，只要使用電風扇即可運作！ d. 齒輪變速箱：依據風的大小調整齒輪變速，讓風力發電更快速，效果更好！ e. 專利長形管：易於固定風車，可讓風車穩固地進行實驗！ 2. 學習 a. 40 頁彩色說明書詳細示範 2 種積木風車及 6 個模型車，讓小孩子在快樂的實驗中，從基本開始練習！ b. 在室內時，帶領孩子依據電風扇吹出的風力大小，選擇不同的葉片、改變葉片數量及角度，調整齒輪變速箱， 找到最好的組合讓 LED 燈發得最亮！ c. 由室內得到的經驗，帶領孩子到戶外，觀察風力的大小，自己調整風車，使它能在最短的時間內，就 可以為電池充滿電！ d. 在實驗的過程中，與孩子一起見證風吹的力量及能源的儲存，用儲存滿滿電力的電池來驅動有趣的模型吧！ 3. 創新 加入自己獨一無二的經驗與想法，引導孩子加入自己獨特的企圖心與創意思考，自行研發更多關於風力、 電學與機械的模型，創造自己的電動車！ 4. 競賽 挑戰自己！接受同樣的風吹力量，看看誰的風車葉扇及齒輪變速組合最厲害，可以最快將電池充滿電，讓 模型車先馳得點！來參加機關王大賽吧！

給父母親的建議 透過這個科學遊戲實驗組，您的孩子可以從遊戲中學到有關物理的風力與電力概念。經由每個組裝的步驟，除了 可以讓孩子們學習思考能力，更可以帶領孩子們進入大自然能源的領域。 1. 請詳讀教學手冊內的安全注意事項。建議您可以依照說明書裡面的步驟組裝模型。很快地您就可以知道如何組裝 零件並且如何組裝您所想要的各種模型。 2. 這是一組適合 8 歲以上兒童的玩具。它可以幫助孩子們在組裝各種模型的過程中探索並了解風力與電路。 3. 開始組裝模型之前請告訴您的孩子一些電池的注意事項及可能發生的危險。 4. 請勿將電線或其他配件插入家用插座，這會造成極度的危險。這個模型只適合使用可充電電池與一般的電池。 5. 清潔方式： ● 清洗前，請先將電池取出。 ● 僅可以使用稍微沾溼的抹布擦拭。 這是一組適合 8 歲以上兒童的玩具。此說明 ● 請勿使用清潔劑。 書建議由父母陪同一起與孩子們在組裝各種 模型的過程中探索並了解風力與電路。開始 組裝之前請告訴您的孩子一些電池的注意事 1. 勿將一般的乾電池充電。 項及可能發生的危險。 2. 本產品使用一般 1.2V AA 充電電池或 1.5V AA 電池。 1. 如果長時間不使用的話，請將電池取出。 3. 蓄電池的充電只能在成人的指導下進行。 2. 不正確的使用電池可能會產生漏電的現象， 4. 勿將不同種類的電池或新、舊電池混合使用。 這有可能造成電池周邊環境的損害、火災 5. 只使用建議或類似種類的乾電池。 的可能性及人員的傷害。 6. 必須注意電池的正、負極性。 7. 不能使電池的正、負極兩端短路。 警告 8. 用完的電池必須從電池座內取出。 這組玩具並不適合 3 歲以下的幼兒使用，其中 9. 當電池沒電時，請遵照電池上的指示做廢棄物回收。 包含小朋友可能吞食的細小物件。請將玩具放 1O. 移出或放入電池時，請先關上開關。 在幼兒無法取得之處。

注意

安全注意事項

2

實驗包內的零件 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

×4

×40

×6

×1

×3

×3

×2

×2

×4

×8

×4

×6

13

14

×3

×1

16

15

×2

17

×2

×3

21

22

23

24

25

×5

×1

×2

×1

×2

18

19

×1

×1

20

×1

26

27

×2 28

29

×1

×1

30

31

×1

×1

×1 32

×6

33

34

35

36

×1

×2

×6 ×3

清單 : 找零件 - 檢查 - 核對 號碼

3

數量

品號

描述

數量

品號

1

C-軸固定鍵

描述

4

3620-W10-A1D

號碼 19

C-多向接頭-主體

1

3680-W10-A1R

2

C-長結合鍵

40

7061-W10-C1R

20

C-圓風車錐頭

1

7324-W10-B1W

3

C-短紙卡固定鍵

6

7061-W10-W1SK

21

C-墊片

5

R12#3620

4

C-自轉軸鍵

1

7026-W10-H1R

22

C-LED燈泡

1

E40-04

5

C-雙向轉接鍵

3

7061-W10-J1SK

23

C-螺絲

2

M20-12

6

C-單向轉接鍵

3

7061-W10-J2SK

24

C-100mmⅢ軸

1

7413-W10-L1D

7

C-二合一結合鍵

2

7061-W10-G1SK

25

C-150mmⅠ軸

2

7026-W10-P1D

8

C-底盤結合器

2

7026-W10-I1SK

26

C-管轉接器

2

7324-W10-E1SK

9

C-3孔長條

4

7026-W10-Q1SK

27

C-30倍馬達盒

1

7328-W85-A1

10

C-5孔長條

8

7413-W10-K1SK

28

C-1.5V單孔充電座

１

7324-W85-F1G

11

C-5孔超長條

4

7026-W10-S1SK

29

C-1.5V單孔電池座

１

7324-W85-F2B

12

C-15孔超長條

6

7413-W10-H1SK

30

B-扳手

1

7061-W10-B1Y

13

C-5×10孔長方框

3

7026-W10-U1SK

31

E-410mm管

1

1060-W17-410S

14

C-5×15孔長方框

1

9060-W10-C1SK

32

C-短風車葉片

6

7324-W10-C1B

15

C-20T齒輪

2

7026-W10-D2R

33

C-風車葉片

3

7324-W10-A1W

16

C-40T齒輪

2

7026-W10-E2B

34

C-束帶

6

R40#3680

17

C-60T齒輪

3

7026-W10-W4Y

35

E-夾鉗

1

1060-W85-M1Y

18

C-多向接頭-上蓋

1

3680-W10-B1R

36

C-8×12底盤

2

7125-W10-A1SK

1. 風的形成 「風」是如何形成的呢？有什麼用途？又如何利用風呢？ 地球表面被大氣包圍，太陽輻射不斷經由大氣傳送到達地球表面，地球表面各處的地方受熱 不相同，故產生了氣壓的高低。氣溫是影響氣壓高低的重要因素，溫度高造成熱空氣上升， 氣壓減小；而溫度低使冷空氣下降，氣壓增大，因而產生壓力差。由於地球自轉以及太陽熱 輻射不均所引起的空氣循環流動，形成了「風」。 人類很早便利用風力作為 動力能源，約一千年前的 中國及波斯已經開始設計 風車（wind mill），用於

圖 1 地球上的空氣受到太陽的熱與地球的自轉，所造成冷熱空氣 對流，成為「風」。

灌溉、取水以及磨碎穀物 和農作物。逐漸一些歐洲 的國家，像是荷蘭，將風 車加以改良使用，希 臘 Crete 島利用上百台帆布 製成之風車來汲水運用。 在中世紀的歐洲，風車是 相當重要的動力能源。歐

洲對於風車的研究相當的投入，在1890 年，丹麥的氣象學家製造了第一部風力發電機，開啟 了風能技術研發的大門。隨著風力發電機技術的成熟，風力發電更具成效。 二十世紀開始風力發展的演進，在 1900 年初期尚用於農業上的使用，至 1970 年代能源危機 後，風力發電被世人重視，系統化的加以開發研究風力發電機，我國也開始對風力發電進行 評估研究和開發，1990 年風力發電逐漸走向商業化，並隨著大家對替代能源使用的重視，風 力發電開始邁進新的紀元。

圖 2 為最早的傳統式風車（wind mill）到現今發展的現代式風力發電機（wind turbine）和風力發電廠 （wind farm）。 （ 資料來源 : 經濟部能源局）

4

風力分級（資料來源 : 中央氣象局） 風之強弱程度，通常用風力等級來表示，而風力的等級，可由地面或海面物體被風吹動之情 形加以估計之。目前國際通用之風力估計，係以蒲福風級為標準。蒲福氏為英國海軍上將， 於 1805 年首創風力分級標準。先僅用於海上，後亦用於陸上，並屢經修訂，乃成今日通用 之風級。實際風速與蒲福風級之經驗關係式為： Ｖ = 0.836 * ( Ｂ 3/2 ) Ｂ為蒲福風級數 Ｖ為風速（單位：公尺／秒） 茲將現行蒲福風級標準，表列如后（詳見表１） 表１ 陸上應用之蒲福風級表（Beaufort scale） 蒲福風級

5

風速

風之稱謂

一般敘述

kts

m/s

0

<1

<0.3

無 風

煙直上

1

1-2

0.3-1.5

軟 風

僅煙能表示風向，但不能轉動風標。

2

3-6

1.5-3.3

輕 風

人面感覺有風，樹葉搖動，普通之風標轉動。

3

7-10

3.3-5.5

微 風

樹葉及小枝搖動不息，旌旗飄展。

4

11-15

5.5-8.0

和 風

塵土及碎紙被風吹揚，樹之分枝搖動。

5

16-20

8.0-10.8

清 風

有葉之小樹開始搖擺。

6

21-26

10.8-13.9

強 風

樹之木枝搖動，電線發出呼呼嘯聲，張傘困難。

7

27-33

13.9-17.2

疾 風

全樹搖動，逆風行走感困難。

8

34-40

17.2-20.7

大 風

小樹枝被吹折，步行不能前進。

9

41-47

20.7-24.5

烈 風

建築物有損壞，煙囪被吹倒。

10

48-55

24.5-28.4

狂 風

樹被風拔起，建築物有相當破壞。

11

56-63

28.4-32.6

暴 風

少見，如出現必有重大災害。

12-17

≥64

≥32.6

颶 風

極少見，如出現必有重大災害。

※ 風級 3 到 7 分別是微風、和風、清風、強風和疾風（風速約介於 3 ～ 17m/s），是一般風力發電機可以 使用的範圍。

2. 扇葉造型與數量的奧秘 傳統式風車（wind mill） 傳統風車的葉片較多，斷 面形狀也不講究，風能轉 換成動能的效率較低。 現今發展的現代式風力發 電機（wind turbine）， 扇葉斷面和一般飛機的機 翼的形狀一樣是上面凸底 下平，風吹過的時候空氣 分別從上下兩面流過，從

圖 3 荷蘭風車和美國中部農村抽水的風車

上面流的速度快些，所以壓力小，從下面流的速度慢，所以壓力大。( 白努力定律 ) 因此壓 力大的一方要向壓力小的一方產生升力，對細長的扇葉迎風壓力降低。而且水滴狀的斷面形 狀，空氣分別從上下兩面流過後比較不會產生擾渦流，對能量轉換效率較高。智高設計的長 短風車扇葉均有採用這種符合流體力學的斷面設計。 升力 阻力

氣流 圖4 圖5

目前實際運用在風力發電的風力發電機 （wind turbine），大部分是採用 3 葉式的設計。你 可能從實驗數值發現，似乎 6 扇葉發電量較高。實 際的原因是：一台商業運轉的風力發電機，扇葉通 常長達 120 呎左右，又架在高塔上，上空的氣流速 遠大於地面上。又因為扇葉超長，產生的旋轉力矩 極大，因此，扇葉均設計成細長且斷面符合流體力 學的形狀。 智高的風力發電模型組，真實的建構一台風力發電 機，可以完成許多綠色能源的相關實驗。模型效能 確實無法與商用風力發電機組比擬；但是在你親自 的操作體驗下，你一定能獲得許多寶貴的科學知識。

圖6

圖 7 真實的風力發電機，與工程師對比下 更顯的龐大

6

3. 風力發電原理： 風力發電如何運作

3

葉片 塔架 引擎艙

2

軸承

5

6

1 4

12 7

13

9 8 11

14

15

低速軸 轉子軸承

10 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

葉片 旋轉翼 葉片螺距調節 煞車器 低速軸 齒輪箱 發電機 控制器 風速計 風向標 引擎艙 高速軸 偏搖齒輪 偏搖馬達 塔架

高速軸

齒輪箱

變壓器 煞車器

圖8

煞車器

發電機

圖9

風力發電的原理便是利用風來轉動風車葉片，來產生轉動扭矩而帶動齒輪箱增加轉速，以發 電機發電。而風來自大自然，具生生不息的特性，是能減少石化能源等燃料消耗最好的永續 再生能源，因其潔淨無污染，又兼具觀光效益，加上主要技術已漸成熟並商業化量產，而漸 蔚為全球成長最快速的主流再生能源。風力發電機轉風能為機械能，再經發電機將機械能變 電能，電力傳送至變壓系統做升、降壓處理，最後經輸電系統送電給用戶使用。真實的風力 發電機是交流發電機，如果需要儲存電能在電池裡，需要有整流的電路處理成直流電。

4. 直流發電機： 依據弗萊明右手定則 (Fleming’s right hand rule) 知，當右手食指指向磁場方 向、姆指的方向為導體移動 方向，則中指指向電流的流 動方向 ( 感應電壓的正端 )。 這就是發電機原理。 而直流發電機之結構與交流 發電機最大的不同，在於線 圈連結的「換向器」，俗稱 為「電刷」(brushes) 的機構。 7

右手姆指 , 食指和中指的角度互相垂直 磁場方向

電流方向 電流方向 移動方向

磁場

導體移動方向 導體移動方向

圖 10 弗萊明右手定則

與交流發電機相似

與交流發電機不同 換向器

圖 11 直流發電機原理

每當線圈經過垂直位置，換向器就 改變線圈與線圈外電路的連接方向 ==> 使線圈外電路的電流總是以同 一方向流動。利用這種機構，每當 迴路產生電壓正負變化時，接觸器 所接觸之導電片亦正好交換，如此 可使得兩接觸器輸出的電壓正負固 定，如圖四所示。這種連接 - 交換 過程稱為「換向」(commutation) ，可旋轉的半圓導電片稱為「換向 片」(commutator segments)， 位置固定的接觸器稱為「電刷」 (brushes)，兩者則可合稱為換向器 (comutator)。

直流發電機產生的電流： 線圈轉動一周時，電流 I 的大小不斷改變

I

1/2 周

1 周

轉動的周數

換向器 使 I 反向

線圈位置 圖 12 直流發電機線圈轉動與電流關係

5. 利用馬達（MOTOR）作為發電機（GENERATOR）的原理： 馬達與發電機構造基本上是完全相同的，以更簡潔的說法是 : 電動機（馬達）= 電流 ==>（磁場作用）==> 運動 發電機 = 運動 ==>（磁場作用）==> 電流 因此可以得知：將電流作用於馬達產生轉動；反之，將轉動作用於馬達產生電流！

8

6. 30 倍雙用發電機的特性說明：

馬達盒

圖 13

馬達 齒輪 D 齒輪 C 齒輪 B 齒輪 A X 軸

在這個實驗中，我們使用一個特別的電動車馬達盒元件，如圖 13 我們看到了它內部的結構。 電動車馬達盒內有三組互相嚙合的齒輪。 當馬達轉動將旋轉動力經由 A,B,C,D 齒輪傳送給 X 軸時，它的總齒數比為： 30/8 × 28/8 × 20/8 = 32.8125. 即 32.8125 比 1，也就是當馬達以 3200RPM 的轉速旋轉，經過齒輪箱傳送到 X 軸輸出 , 轉速 將減為 100RPM，減低 32 倍 , 但扭力會相對地加大 32 倍。

7. 充電座的原理：

在綠色充電座裡面，安裝了一顆二極體（Diodes） D1 二極體 發電機

充電電池

圖 14 綠色充電座 例子：

電子符號：

圖 15

9

二極體讓電流只能從一個方向通過，電子符號（箭頭）代表導通的方向。一般只要 0.7V 正向 電流就可以通過電路；當電流反方來時（例如風扇葉片角度轉錯方向以致傳動轉向相反，或電 接頭正負插錯），從符號就可以了解電路是不通的。 因此，當風速在理想狀態帶動發電機時，電流從導線正極流入充電電池的正極，緩慢的充蓄 在充電電池座裡。如果風速過小，發電出來的電壓降低，充電電池因為二極體的功用，不會 發生電流逆向流失的現象。在平穩的風力吹動下，風力發電機約 3-4 小時可以充保一顆 1.2V 1200mAh 的充電電池。

組裝注意事項 B

A

圖 16

B

圖 17

圖 18

圖 19 正確 ! ( 有間隙 )

不正確 ! ( 無間隙 )

1. 使用扳手〝A〞端可將長結合鍵拔出（如圖 16 所示）。 2. 使用扳手〝B〞端可將自轉軸鍵拔出（如圖 17 所示）。 3. 使用扳手〝B〞端可將 3 短紙卡固定鍵拔出（如圖 18 所示）。 4. 當使用傳動長軸將車輪或齒輪固定在基本架構時，為了減少操作時造成的摩擦力， 請確定在車輪或齒輪與基本架構間保留 1mm 的間距。

如何組裝與拆卸管接頭 注意：當您組裝管接頭及管子時，請勿將手放在連接處以免夾傷手指。 ● 使用夾鉗將 410mm 管子 與管接頭拆開，如圖 21。

圖 21

圖 20

● 將 410mm 管子與管接頭平行對齊 （如圖 20）向下結合，並如箭頭所 示旋轉管接頭 45 度（左右任何一 邊皆可），等聽到〝卡〞一聲，即 組裝完成。

如何拆卸電池盒 ● 使用扳手的〝B〞將電池撬起， 如圖 22 即可。

B

圖 22

10

如何調整齒數比

圖 23 1. 上排齒輪為固定不動，下排齒輪為可移動，並移動 此排齒輪變速。 2. 將左、右手的大拇指按住五孔長條，如圖 23 所示。 3. 左、右手的食指與中指放在下排黃色大齒輪的兩側， 如箭頭所示方向向右移動即可。

齒輪變速箱

圖 24 1. 將左、右手的大拇指按住五孔長條，如圖 24 所示。 2. 左、右手的食指放在下排紅色小齒輪的兩側，如箭 頭所示方向移動即可。

齒輪齒數比 1:3 30 倍馬達盒

圖 25

圖 26 變速為 1:3 將黃色大齒輪 (60T) 與紅色 (20T) 小齒輪垂直對齊，如圖 26 所示。

齒輪齒數比 1:1

齒輪齒數比 3:1

圖 27

11

變速為 1:1 將 2 個藍色中齒輪 (40T) 相互垂直 對齊，如圖 27 所示。

圖 28 變速為 3:1 將紅色小齒輪 (20T) 與黃色大齒輪 (60T) 垂直對齊，如圖 28 所示。

測試距離： 1. 16 吋家用電風扇的高度為 112 公分。 2. 18 吋工業立扇高度為 94 公分。 3. 風車葉片與 16 吋家用電風扇 /18 吋工業立扇的扇葉距離為 100 公分。 4. 因短風車扇葉較短，需將風車墊高 6 公分，使電風扇可吹動風車的扇葉。

57.5 cm

18 吋工業立扇 - 短扇葉風車

6 cm

94 cm

57.5 cm

18 吋工業立扇 - 長扇葉風車

100 cm

100 cm

圖 29

16 吋家用電風扇 - 長扇葉風車

圖 30

6 cm

112 cm

57.5 cm

57.5 cm

16 吋家用電風扇 - 短扇葉風車

100 cm 100 cm

圖 31

圖 32

12

室外 ● 使用 2 條束口帶將風車 固定於竹竿上，並將束 口帶拉緊 ( 如圖 34 ）， 並確定風車不會滑動再 將手放開即可。

圖 33

圖 34

室內 ● 將手壓住變速箱的上方 （如圖 35）。 ● 使用寬版膠帶，將風車底盤 的四邊與地面黏貼固定 （如圖 36）。 ● 使用 2 個鐵塊或石頭，一個 重量大約 1.3 公斤，壓住風 車底盤即可（如圖 37）。

圖 36

圖 35

圖 37

● 如果在室內無風的環境 裡，也可以用手指作此 發電的實驗，如圖 38、 39 所示，用左手拿風車 右手食指轉動扇葉。

13

圖 38

圖 39

實驗 1：調整齒輪箱速比 以短扇葉組成的風力發電機，你可以試一試，在同樣的風速吹動下，扇葉角度固定，調整齒 輪搭配段數 A 段 1:3、B 段 1:1、C 段 3:1；發電量有什麼變化 (LED 燈的亮度變化 ) ？又你能 找出齒輪搭配段數嗎 ? 齒輪齒數比 1:3

30 倍馬達盒

圖 40

圖 41

我們使用齒輪齒數比為 1:1 的來作實驗 2-4 實驗 2： 以短扇葉組成的風力發電機，你可以試一試，在不同的風速吹動下（電扇的風速段數），發電量有 什麼變化？你發現風速與發電量 (LED 燈的亮度變化 ) 的關係嗎？實驗 2-4 均使用齒輪比 1:1 的搭配 （如圖 42）

實驗 3： 調整扇葉角度以短扇葉組成的風力發電機，你可以試一試，在同樣的風速吹動下，扇葉角度不同， 發電量有什麼變化 (LED 燈的亮度變化 ) ？又你能找出最佳的扇葉角度嗎 ?

實驗 4： 調整扇葉數量以短扇葉組成的風力發電機，你可以試一試，在同樣的風速吹動下，扇葉數量不 同為 6 葉、4 葉（注意要對稱）、3 葉、2 葉時，發電量有什麼變化 (LED 燈的亮度變化 ) ？又你能找出最佳 的扇葉數量嗎 ?

齒輪齒數比 1:1

30 倍馬達盒

圖 42

圖 43

14

利用我們所做的實驗模型，就可以真正的建造一個超迷你的發電廠了

圖 44 綠色充電座是用來充電。

藍色電池座可搭配充電電池或一般電池來 驅動風車。

圖 45 綠色充電座是用來充電。

藍色電池座可搭配充電電池或一般電池來 驅動風車。

風車組裝完成，底座應適當固定（使用重物、磚塊等方式） 如何利用風車來充電： 1. 將 LED 燈取下，接頭接上特製的綠色充電座。 注意：不可以將藍色電池座接上。 2. 將扇葉依照先前實驗找到的最佳化條件調好角度。 3. 準備好充電電池（R6/AA 1.2V 1600mAh 以下，不要使用 太高充電值的充電電池，效果會不明顯） 注意：絕對不可以將一般 AA 電池放入綠色充電座中，用 一般電池充電會有爆炸的可能。 4. 在適當的空曠處使用自然風或在家中使用電風扇吹動風 車，當風車轉動起來，電能就會慢慢充入電池中。 5. 在無風的情況下也可以用藍色電池座及充滿電的電池來驅

15

動風車。

圖 46

6. 如果充電電池沒有充滿電，也可以用一般電池放入藍色電池座內來驅動風車。 7. 有一個很有趣的現象是：本來風車轉的很順很快，裝上充電電池後，你會發現突然風車變 的很慢，這是正常現象，因為充電電池是空的，形成一個超大電容，好像一個大池塘，剛 倒入水，一點也看不到；慢慢充一段時間後，充電電池電壓慢慢提升，風車會越來越順暢 轉動。 8. 視你的風速條件，一般在 4m/s 風速情況下，1~1.5hr 可以充飽一顆 1300 mAh 充電電池。 2~2.5hr 可以充飽一顆 2400 mAh 充電電池。 9. 風速有大有小的情況下，充電時間會加長，而因為風速有大有小，電壓會隨之高低會形成 電壓脈衝，對充電量反而有利。至於放置時間超過，並不會有過充等危險產生（因為風車 發電電壓在 4m/s 風速下，約為 4.5V。如果有超強突發強風，風車扇葉會因離心力脫離， 而降低轉動速度）。

進階說明 I 以角度規調角度（你可以用紙張預先做

LED 亮度變化無法量化，因此拿下 LED

出角度值來取代比對）

燈後，以三用電錶測試電壓與風扇扇葉 角度關係模式。

圖 47

圖 48

16

短扇葉 6 扇求扇葉角度變化與電壓變化關係圖 14" 立扇

6 扇葉角度與發電電壓關係圖

16" 工業電扇

14" 立扇 16" 工業電扇

0

0

0

5

0.6

1.2

10

1.01

2.72

15

2.39

3.51

20

2.42

4.05

25

2.16

3.04

30

1.88

2.44

電壓 V

扇葉角度（以超長軸與 萬用接頭夾角為基準）

圖 49

角度

以實驗值顯示，短扇葉角度以 20 度可以得到最佳化效果。

三葉長風扇葉測試 3 扇長扇葉角度與發電電壓關係圖

3 扇之長扇葉直邊與 萬用接頭夾角為基準齒輪比 3:1

齒輪比 1:1

角度

14" 立扇

16" 工業電扇

14" 立扇

16" 工業電扇

10

1.40

1.56

沒轉動

1.6

0

1.73

2.10

1.9

2.5

-10

1.55

1.65

1.76

1.89

14" 立扇 16" 工業電扇

電壓 V

14" 立扇 16" 工業電扇

圖 50

角度

以實驗值顯示，長扇葉角度以角度 0 度可以得到最佳化效果。

充電實驗數據圖 使用 R6/AA 1.2V 1300mAh 以及 R6/AA 1.2V 2400mAh 之充電電池

圖 51

分別放電完成後，作充電測試。

工 業 電 扇 最 強 檔 /6 扇 短 扇 葉 20 度 等 最佳化條件

17

試驗電池 R6/AA 1.2V 1300mAh

R6/AA 1.2V 2400mAh

0

0

0

30

0.9

0.6

60

1.2

0.98

90

1.32

1.1

電壓 V

充電時間 ( 分鐘 )

風力發電充電電池電壓檢測

時間（分鐘）

120

1.2

R6/AA 1.2V 1300mAh

150

1.37

R6/AA 1.2V 2400mAh

圖 52

給家長與老師共同參與的說明： 1. 在科學實驗的方法中稱為定量分析，每個實驗固定測試條件稱為控制變因 (Controlled Variables)； 在實驗中用來驗證的因素即為操縱變因 (Independent Variables)，因變量 (Dependent Variables) 就是實驗輸出的結果。 2. 不同的操縱變因，與不同的測試條件，反覆實驗下，能得到一組最好的結果。這組結果綜合了多項 實驗而得，所求得為「最佳化設計」，這對孩子們解決問題與求真求善的探索有很大的助益。 3. 風速與發電電量 (LED 燈的亮度變化 ) 之關係，用 LED 燈的亮度變化，比較難量化與數據化，如果 您手邊有三用電錶，可以測量電壓的變化（DC-V），更能準確的完成科學實驗。 4. 這個風力發電教具，可以在室外自然風中實驗，如果無自然風，也可以用電風扇替代。

進階說明 II ㄧ、 以下是風扇扇葉角度對發電量大小的分析 : 採用定量分析，以儀器測量來驗證最佳的扇葉角 度。在原「實驗 3: 以短扇葉組成的風力發電機， 你可以試一試，在同樣的風速吹動下，扇葉角度 不同，發電量有什麼變化 (LED 燈的亮度變化 )? 又你能找出最佳的扇葉角度嗎 ? 」LED 的亮不亮， 或是亮度的變化，是決定於發電電壓；當發電電 壓低於 1.7V，LED 將不會亮，當電壓越高則 LED 越亮。而發電電壓是因為發電機（末端軸）轉速 越高則電壓越高。

圖 53

圖 54

測量儀器（不包含在此包裝內）

圖 55 左起： ● 風速計 ● 三用電錶 (DMM) ● 轉速計 ● 角度規

18

16 吋家用立扇實驗測試數據

3片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

強

齒輪齒數比 1:3

中

30 倍馬達盒

弱

4片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

6片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

3片長 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中

16 吋家用電風扇

弱

18 吋工業立扇實驗測試數據

2片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強

齒輪齒數比 1:3

中 弱

30 倍馬達盒

3片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

4片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

6片短 葉片

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

3片長 葉片 18 吋 工 業 立 扇

19

齒輪齒數比 1:1

風 速 強 中 弱

6片短 葉片

3片長 葉片

齒輪齒數比 1:3

齒輪齒數比 1:3

風 速

轉 動

L E D燈

6片短 葉片

齒輪齒數比 3:1

風 速

強

強

中

中

弱

弱

風 速

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

轉 動

L E D燈

強 中 弱

2片短 葉片

齒輪齒數比 1:3

風 速 強 中 弱

3片短 葉片

4片短 葉片

6片短 葉片

3片長 葉片

齒輪齒數比 1:3

齒輪齒數比 1:3

齒輪齒數比 1:3

齒輪齒數比 1:3

風 速

2片短 葉片

齒輪齒數比 3:1

風 速

強

強

中

中

弱

弱

風 速

轉 動

L E D燈

3片短 葉片

齒輪齒數比 3:1

風 速

強

強

中

中

弱

弱

風 速

轉 動

L E D燈

4片短 葉片

齒輪齒數比 3:1

風 速

強

強

中

中

弱

弱

風 速

轉 動

L E D燈

6片短 葉片

齒輪齒數比 3:1

風 速

強

強

中

中

弱

弱

20

長 扇 葉 風 車 模型 1 實驗包內的零件 1

2

5

6

7

8

9

10

11

13

圖 56 ×3

×36

×3

×3

×1

×2

×3

×8

×4

B

×3

14

×1

18

19

×1

×1

15

×2

21

22

23

25

×5

×1

×2

×2

16

×2

17

20

×3

×1

26

27

33

1. 左手抓住錐頭，右手抓住長葉片的底端即可（如圖56所示）。 ×1 36

×3

萬用接頭的縫中，將四邊撬起（如圖57）即可。

×2

重新插入即可。

2

3

21

2. 如何拆卸風車錐頭與萬用接頭：使用扳手的“B”在錐頭與 3. 如果風車順時針轉時，LED燈不會發亮，請將LED燈轉向

×1

1

圖 57

調整葉片角度： ×2

31

玩法说明

4

模型

1 長扇葉風車

5 6

8 7

9 10

11 兩種固定方式：

12 14

13

22

長 扇 葉 風 車 模型 1 15

16

19

18

17

20

21

22

完成圖

23

請參閱第11頁

模型

2

短扇葉風車

實驗包內的零件 1

2

3

5

6

7

8

9

10

11

×4

×36

×6

×3

×3

×1

×2

×3

×8

×4

12

13

14

×3

×1

×6

15

×2

16

17

×2

×3 25

21

22

23

×5

×1

×2

18

19

×1

×1 32

圖 58

×6 26

27

36

玩法说明 短扇葉與超長條的結合：

×2 31

×2

×2 ×1

1. 短葉片與超長條平行對齊並結合，如圖58所示。 2. 將紙卡固定鈕與短葉片結合，如圖58所示。

×1

1

2 3

4

5

24

短 扇 葉 風 車 模型 2 6

7

8

11

10

9

兩種固定方式： 2

1

12

14 15

13

18

16

17

19

25

模型 20

2

短扇葉風車

22

21

x6

23

24

25

完成圖

請參閱第11頁

26

滑 翔 機 模型 3 實驗包內的零件 1

2

3

6

7

9

10

11

12

×2

×26

×2

×2

×1

×3

×8

×4

×6

13

14

×3

×1

15

×2

24

16

×2

25

17

29

×2

×1

32

27

玩法说明 如何組裝電池： 1. 先使用長/短扇葉風車充電，

×1

圖 59

再將充好的電池驅動模型車。

×2 ×2

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖59 ×1

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

1 2

3

4

5

6

27

8

模型

9

3 滑翔機

7

11

10

12

13

16

17

15

14

18

19

完成圖

28

風 帆 車 模型 4 實驗包內的零件 1

2

3

6

7

9

10

11

12

×2

×26

×2

×2

×1

×3

×8

×4

×6

13

14

×3

×1

15

×2

24

16

×2

25

17

29

×3

×1

32

27

玩法说明 如何組裝電池： 1. 先使用長/短扇葉風車充電，

×1

再將充好的電池驅動模型車。

×2 ×3

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖60 ×1

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

1

2

4

7

29

圖 60

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

3

5

8

6

9

模型 10

11

風帆車

12

15

14

13

4

18

16 17

19

21

20

22

完成圖

30

三 輪 車 模型 5 實驗包內的零件 1

×1

2

4

×21 ×1

5

6

7

9

10

11

12

×3

×2

×2

×4

×8

×3

×6

13

14

×3

×1

15

×1

24

16

17

×2

25

21

×2

×3 29

27

玩法说明 如何組裝電池： 1. 先使用長/短扇葉風車充電，

×1

再將充好的電池驅動模型車。

×2 ×1

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖61 ×1

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

1

2

圖 61

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

3

4

6

5

7

10 9

31

11

8

12

模型

13

5 三輪車

14 15

17

16

18

19

21

20

22

完成圖

32

噴 射 車 模型 6 實驗包內的零件 2

5

7

9

10

11

12

×24

×2

×2

×4

×6

×4

×5

13

×3

14

15

×2

×2

×1 24

16

17

29

×2

×1

27

玩法说明 ×1

25

如何組裝電池： 1. 先使用長/短扇葉風車充電，

×1

再將充好的電池驅動模型車。

×2

圖 62

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖62

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

1

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

2

3

4

7

5

6

8 9

33

10

模型

需留2mm的空隙防止摩擦

6 噴射車

11

12

13

14

15

16

17

完成圖

34

越 野 車 模型 7 實驗包內的零件 2

5

6

9

10

11

12

×26

×2

×2

×1

×8

×4

×6

13

14

×3

×1

15

×2

24

25

16

×2

17

27

玩法说明

×2

如何組裝電池：

×1

29

1. 先使用長/短扇葉風車充電， ×1

再將充好的電池驅動模型車。

×2 ×1

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖63

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

1

35

3

5

7 6

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

2

4

圖 63

8

模型

9

7

越野車

10 11

12

14

13

17

15

16

18

19

20 21

22

完成圖

36

賽 車 模型 8 實驗包內的零件 2

3

6

7

9

10

11

12

×23

×2

×2

×2

×4

×8

×4

×6

13

14

×3

×1

15

×2

24

16

×2

25

32

17

29

×2

×1 27

玩法说明 如何組裝電池： 1. 先使用長/短扇葉風車充電，

×1

再將充好的電池驅動模型車。

×2 ×2

2. 將電池的正極對藍色電池座的正極，負極對負極（如圖64 ×1

＊請自備一顆1.2V的充電電池或1.5V的電池

所示），由箭頭方向向下組裝即可完成。

1 4 3 2

7

6 5

8

37

9

圖 64

10

模型 11

12

8 賽車

13

14 16 15

17

18 19

20

21

22

23

24

25

完成圖

38

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