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步驟1:裁去塑膠瓶底部,再沿四邊剪開,成為四塊扇葉的雛形。學生郭丞康(五年級)提醒:「不能剪太入(意指接近瓶口),因若剩下的部分太少,承托力太小,扇葉不夠挺直,風吹時便難以轉動。」
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步驟2:用熱風槍令塑膠稍為變軟,扭動成所需的扇葉形狀,其間留意4塊扇葉的弧度及高低要一致,否則會影響推動發電機的效能。吳瑋喬(五年級)說:「試驗時曾把扇葉扭得太彎,之後不成形」。離開熱風槍後塑膠會冷卻,扇葉便稍為定型。 黃諾詩表示,學生以日常所見的電風扇扇葉作參考,「從他們的經驗所得,最理想的扇葉弧度,就是與風扇的相近」。
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步驟3:比賽容許參賽者在扇葉上加上不同的輔助設計,以增強效能。該校學生決定在4塊扇葉各加上1支竹籤,以增加承托力,迎風時轉速更快。謝詠欣(六年級)透露,他們曾試用不同物料作承托,「即棄筷子太重,牙籤則太短」。 每次用熱風槍固定扇葉及加上竹籤後,他們會查看各扇葉是否平衡(右圖),再作調整。
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步驟4:測試效能的風力發電機組由大會統一提供,學生把設計的風車裝上,面向大風扇,機組上會顯示讀數,比賽便根據風車推動發電機的效能定勝負。黃諾詩補充說,比賽當日學生盡快完成風車製作,再不停測試及調整,希望在限時內可得出最高的發電效能。
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(圖一)
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(圖二)
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(圖三)
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(圖四)
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【明報專訊】天主教聖安德肋小學常識科主席、資優小組「小小科學家」負責教師黃諾詩表示,比賽當日參賽學生須使用大會提供的兩個塑膠瓶即場製作風車扇葉,之前可先行設計、練習及測試。她透露:「學生在學校試驗了約二百個膠樽。」經過反覆調整及練習,當中有何設計竅門呢?由得獎學生作出示範吧!

知多點

風的產生全因太陽而起,陽光照射令空氣變熱,因地形不同,地球表面的受熱程度各異。熱空氣向上升,形成低氣壓。熱空氣上升至一定高度時,便會逐漸冷卻並下降,形成高氣壓。空氣會由高氣壓流動到低氣壓的地方,這些流動的空氣便是風。當風吹向風車,對扇葉兩面造成不同的壓力,壓力的差異產生動力,令風車轉動。

■風車製作步驟

◆步驟1:裁去塑膠瓶底部,再沿四邊剪開,成為四塊扇葉的雛形。學生郭丞康(五年級)提醒:「不能剪太入(意指接近瓶口),因若剩下的部分太少,承托力太小,扇葉不夠挺直,風吹時便難以轉動。」

◆步驟2:用熱風槍令塑膠稍為變軟,扭動成所需的扇葉形狀,其間留意4塊扇葉的弧度及高低要一致,否則會影響推動發電機的效能。吳瑋喬(五年級)說:「試驗時曾把扇葉扭得太彎,之後不成形」。離開熱風槍後塑膠會冷卻,扇葉便稍為定型。

黃諾詩表示,學生以日常所見的電風扇扇葉作參考,「從他們的經驗所得,最理想的扇葉弧度,就是與風扇的相近」。

◆步驟3:比賽容許參賽者在扇葉上加上不同的輔助設計,以增強效能。該校學生決定在4塊扇葉各加上1支竹籤,以增加承托力,迎風時轉速更快。謝詠欣(六年級)透露,他們曾試用不同物料作承托,「即棄筷子太重,牙籤則太短」。

每次用熱風槍固定扇葉及加上竹籤後,他們會查看各扇葉是否平衡,再作調整。

◆步驟4:測試效能的風力發電機組由大會統一提供,學生把設計的風車裝上,面向大風扇,機組上會顯示讀數,比賽便根據風車推動發電機的效能定勝負。黃諾詩補充說,比賽當日學生盡快完成風車製作,再不停測試及調整,希望在限時內可得出最高的發電效能。

■科學原理

比賽中使用的風力發電機組雖製成可供手持的大小,但其發電原理與真實的風力發電站一樣。2016應用可再生能源設計暨競技大賽籌委會成員Jonathan哥哥解釋:「風能推動風車扇葉轉動,經過齒輪,再推動發電機,成為電能。」當中還涉及什麼科學原理?由他為大家解答!

1. 風車扇葉以什麼角度最具發電效能?為什麼?(圖一)

比賽中,通常把膠瓶的扇葉扭至15至35為佳。若扇葉角度太小、平面化,風力強時便吹不動;若角度太大,則風力較弱時吹不動。現實中大型風力發電站的風車,其扇葉角度是可調校的。

2. 比賽用的是四方形樽,故大部分參加者均裁出4塊扇葉(圖二),扇葉數量會影響發電效能嗎?

參賽者可設計不同形狀的風車,有的也剪出2塊、3塊等扇葉,對發電效能影響不算大,反而扇葉角度及強度影響更大。

大型風力發電站的風車大多是3塊扇葉的,因較易平衡,若扇葉太多也會太重、噪音大。

3. 比賽中,風車扇葉是否以一致的形狀及角度為佳?扇葉物料會影響發電效能嗎?

一般而言,各扇葉以一致的形狀及角度為佳,否則被風吹動時,扇葉便會產生反作用力,減低效能,但也有例外的設計。

有參賽者會加上輔助物料,增加扇葉的抗扭曲力,但若太重令風車轉動力減慢,便降低效益,竹籤是不錯的選擇(圖三)。有學生添加碳纖棒,好處是既輕巧又可增加扇葉的強度。

4. 風力發電站的選址有何考慮因素?

大多選址在海邊或海上,因海風一般較穩定及強勁。內地部分公路也於路燈上裝設小型風力發電裝置及太陽能板,毋須把電纜拖至偏遠公路,也可有路燈照明。

現時大型發電站的風車,大多以碳纖製成,主要見於日本、美國,優點是強度高,而且具高抗蝕性,不怕日曬雨淋、海邊鹽分及溫差的影響。

5. 香港發展風力發電的情G如何?

香港於南丫島有一個大型風力發電站——南丫風采發電站(圖四),但只佔本港很小部分的發電量。風力發電站的初期投資成本高昂,加上在香港建造風車要符合環境評估等規定,估計難以發展。

靈活思考最重要

黃諾詩老師表示,小組「小小科學家」共有12名小四至小六的學生,屬抽離課程,做的實驗比平日課堂難度高,「例如早前摺紙飛機,是世界級比賽用的(水平)。他們要先行找資料、看大量網上短片,我再教他們摺不同機種」。她強調,STEM教育其中一個很重要的元素,是學生要懂得看說明、找資料,「腦袋要有轉換,知道接下來做什麼。紙飛機的改良、再做、試飛,整個(過程)是腦思維的活動」。

常識科也把風車發電設計引入課堂,「四年級每人都用膠樽做一個風車扇葉,但因熱風槍較高溫,有危險性,課堂上用蠟燭代替」。

■想一想

1. 風力發電有何優點及缺點?

2. 除了風能,還有什麼是可再生能源?

■關鍵詞

風力發電 wind power

風車 windmill

可再生能源 renewable energy

文:曾嘉敏

圖:曾嘉敏、資料圖片、網上圖片

 
 
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