設計再生能源系統：物理與工程的實作風力發電機專題

作者：Vernier 科學教育

如果您的學生能夠打造一台風力發電機，透過真實的探究來優化它，並用它將水抽到高處——同時在一個相互關聯的再生能源專題中涵蓋電路、電磁學、能量轉移和工程設計，那會怎麼樣呢？

這正是麻薩諸塞州波士頓 Maimonides School 科學教師 Chris Williams 所打造的專題。擁有 30 年教學經驗且身為 Vernier Trendsetter 的 Chris 總是在思考，如何讓物理學變得更有意義，讓工程學變得更具相關性。其成果是一個多階段的專題，圍繞著 KidWind 進階風力實驗套件、Go Direct^® 電能感應器以及 Vernier 可變負載所建立，帶領學生從電路基礎一路邁向風力抽水競賽——其嚴謹程度足以應付 AP 與大學初階物理，應用性足以符合 CTE 能源學程，同時也具備足夠的適應性，適合高中 STEM 選修課或獨立單元。就像任何優秀的工程專題一樣，它在每一次執行時都會不斷改進。

再生能源正在蓬勃發展

在美國，風能與太陽能現在是建置成本最低的新型發電形式——根據美國能源資訊局 (U.S. Energy Information Administration) 的資料，太陽能與風能合計佔 2026 年預計新增公用事業規模容量的 65%。從全球來看，單是中國每年新增的太陽能與風力發電量，就足以涵蓋整個國家的總用電量。

對 Chris 來說，離家更近的是 Vineyard Wind 1——麻薩諸塞州首個大型離岸風電專案——最近已在瑪莎葡萄園島 (Martha’s Vineyard) 海岸外完成建設，並開始向電網輸電。全面運轉後，它將為全州近 40 萬戶家庭和企業供電。這不是一個假設性的工程挑戰。這是學生正在繼承的能源版圖——對許多人來說，這也是他們可能進入的產業。風力發電機技術員是美國成長最快的職業之一，而這個專題培養的技能（讀取電學數據、迭代設計、理解系統的取捨）可以直接轉移到能源技術的職涯中。

圍繞系統思考構建的多階段專題

Chris 圍繞著系統思考來構建他的專題——每個階段都在從空氣中的風到將水抽向高處的鏈條中，增加一個環節：

• Wind (風)
• Blades (葉片)
• Shaft & Gears (傳動軸與齒輪)
• Generator (發電機)
• Rectifier (整流器)
• Load & Pump (負載與水泵)

每個階段在實際打造風力發電機的同時，也建立學生的理解。整個流程在每週上課三次的 STEM 選修課中大約需要六到七週的時間——不過，個別階段可以被擷取並改編，用於物理單元、CTE 課程或大學初階實驗。

^{處於不同建造階段的學生風力發電機：左側的發電機使用加重線軸來測試機械功率，而右側的兩台則已安裝了發電機與齒輪。}

階段 0：從科學開始，而非建造

在學生接觸任何一片葉片之前，他們會先花時間學習電路。使用 Go Direct 電能感應器，他們探索電壓、電流、電阻與功率——測量電位差，觀察指南針在載流導線附近如何偏轉，並建立他們日後在發電機運作不如預期時所需的定量直覺。

這是基礎工作，但 Chris 賦予了它明確的目的：你們現在需要理解這些物理量，因為在接下來的每個階段中，你們都將圍繞著它們進行設計。

階段 1：風能轉化為機械功率

現在，學生們開始動手做。使用 KidWind 進階風力實驗套件，每個小組建造一台三葉片風力發電機，測試從 10° 到 50° 的葉片螺距角 (pitch angle)，並測量在每個設定下提升加重水桶的速度。學生計算功率，各小組在鎖定最佳角度之前進行迭代優化。

這個階段以一種立即清晰易懂的方式介紹力矩與機械功率：風力發電機要麼能提起重物，要麼不能。物理學不再抽象，這就是水桶在地上還是懸在空中的差別。

^{學生在測試葉片螺距、高度與材料等變因時，追蹤多次試驗的數據。}

階段 2A 與 2B：打造發電機，然後加上齒輪

這裡的事情變得真正需要動手做，其程度超出了學生對物理課的預期。每個小組都會纏繞自己的電磁發電機線圈——大約 150 到 300 圈的 28 號漆包線——並將其安裝在他們的風力發電機上。接著全班匯整不同繞線圈數小組的數據，為每個人提供一個真實的數據集來測試法拉第定律 (Faraday's law)：線圈數越多，感應電壓就越大。

階段 2B 將齒輪加入傳動系統。學生很快就了解到，較大的齒輪比能讓發電機轉得更快——但也需要葉片提供更大的力矩。如果將齒輪比推得太高，風力發電機就會停轉。這是一個關於取捨的課題，是任何學習單都無法複製的。

階段 3：負載與發電機的匹配

使用 Go Direct 電能感應器與 Vernier 可變負載，學生掃描一系列的電阻值，並測量發電機在每個設定下的功率輸出。結果會呈現一條有明顯峰值的曲線——在這個電阻值下，能將最大功率傳遞給負載。這個峰值對應於發電機的內電阻，這是直接從真實電力系統物理學中汲取的概念。

當學生將他們的風力發電機連接到水泵，卻發現一台高速旋轉並產生高電壓的風力發電機，可能仍然無法抽起一滴水時，他們就會恍然大悟——因為電流太小了。

那種困惑的瞬間引發了 Chris 最喜歡的課堂對話之一：電壓和電流究竟是什麼意思？為什麼兩者都需要？

階段 4 與 5：優化葉片，然後進行競賽

在了解了電氣系統的特性後，學生們回到葉片上——這次是為了優化電功率輸出，而不僅僅是機械功率。他們測試葉片數量、長度、形狀和材料等變因，在每個步驟中收集數據，並朝著能用證據捍衛的最終配置邁進。

最終的挑戰非常直接且清晰：在 30 到 60 秒內，盡可能將大量的水抽到最高處。發電機的交流輸出通過一個整流電路（學生在專題結束前會自己製作），為水泵供電，然後競賽開始。在前幾個階段做出的每個設計決定，要麼得到回報，要麼徒勞無功。

Chris 還沒有和學生充分探討過一個延伸問題：如果將全班的風力發電機連接成一個小型風力發電廠，它們應該串聯還是並聯接線，才能將抽水功率最大化？到了階段 5，學生已經具備了解決這個問題所需的一切知識。

跨越物理標準與工程實踐的有意義參與

本專題涵蓋的物理範圍相當廣泛——機械功與功率、力矩、電磁感應、法拉第定律與冷次定律、交流電與直流電的對比、內電阻、最大功率轉移、整流與電路設計。各個階段處理了所有八項 NGSS 科學與工程實踐，以及多項 HS-PS2、HS-PS3 和 HS-ETS1 的表現期望。

但 Chris 發現最有價值的並非內容的覆蓋率——而是學生為了解決真實問題所培養出的概念深度。

當學生的風力發電機轉得飛快，而水卻沒有移動時，他們會有動力去了解原因，這種動力是教科書上的問題永遠無法達到的。

Chris 主要與 11 年級和 12 年級的學生一起進行這個專題，不過也有少數 9 年級和 10 年級的學生在同儕的支持下成功參與。他指出，評分應側重於展現對科學的理解，而非建構品質——在參與這個專題之前，他的許多學生甚至從未使用過螺絲起子，更不用說纏繞漆包線圈了。

準備好親自嘗試了嗎？您可以從網路研討會錄影開始，聽聽 Chris 詳細解說整個專題，並探索其中分享的免費資源。您也可以參考我們的實驗手冊：《威尼爾再生能源實驗手冊》(Renewable Energy with Vernier)。

您是否也在課堂上使用 KidWind 或再生能源專題？我們很樂意聽聽您的分享——請透過電子郵件與我們聯繫，或在社群媒體上與我們分享您的成果。

Chris Williams 擁有 30 年的科學教學經驗。他目前在麻薩諸塞州波士頓的 Maimonides School 擔任科學教師，也是 Vernier Trendsetters 社群的一員。他曾參與過兩次專注於能源與環境教育的北極探險，並熱衷於將物理教學與現實世界的工程挑戰結合。