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案例二：水力发电

简介​

对着micro:bit主板说话、拍手或制造声音——声音越大，LED灯环越亮、360°积木舵机驱动水轮发电机转速越快，模拟水流越湍急、发电功率越高；声音越小，LED越暗、舵机越慢；完全安静时LED熄灭、舵机停止，模拟水枯停机。声音代表了"水流的力量"。

案例目的​

  1. 认识水力发电站，了解其将水的势能转化为电能的基本原理。
  2. 理解能量转换链条——水的势能→水的动能→水轮机旋转动能→发电机电磁感应→电能。
  3. 了解水力发电的优点与缺点，建立对可再生能源的全面认知。

所需材料​

项目图片数量
micro:bit V21
Jacdac扩展板1
Jacdac 10cm连接线
Jacdac 25cm连接线1
Jacdac舵机模块1
Jacdac灯环1
360°积木舵机1
USB数据线1

传感器原理说明​

本案例使用micro:bit主板内置的麦克风作为传感器，实时采集环境声音响度（0~255），将其映射为舵机转速和LED灯环亮度。

搭建步骤​

模型原理说明​

360°积木舵机模块与水轮发电机模型​

360°积木舵机提供连续旋转动力，安装在水轮发电机模型的中心轴上。舵机旋转时带动水轮叶片转动，模拟水流冲击水轮机旋转、进而驱动发电机发电的过程。舵机转速对应"水流大小"——转速越快，代表水流越湍急、发电功率越高。

水力发电站——大坝的能量密码​

水力发电站的核心原理是利用水的落差来发电。水从高处流向低处时，蕴含的重力势能转化为动能——这股高速水流冲击水轮机叶片使其旋转，水轮机再带动发电机，通过电磁感应将旋转动能转化为电能。整个过程不燃烧任何燃料，零碳排放。

关键公式： 水力发电功率 ≈ 水的密度 × 重力加速度 × 水流量 × 水头高度。水头（落差）越高、流量越大，发电功率就越大。一个100米高的水头，每吨水落下可发电约0.27度。

连接示意图​

如下图所示，将micro:bit主板插入Jacdac扩展板，用连接线将舵机模块与LED灯环采用菊花链方式连接在Jacdac扩展板金手指接口上。

连接示意图

编程软件​

微软 MakeCode

MakeCode 编程​

步骤1：如何添加 Jacdac 扩展​

  1. 进入微软 MakeCode，点击 "新建项目"。

    新建项目

  2. 在弹出窗口输入项目名称并点击 "创建"。

    创建项目

  3. 点击代码抽屉中的 "扩展"。

    扩展

  4. 在弹出界面输入 "Jacdac" 并点击搜索图标，选择 Jacdac 软件库，如图所示。

    搜索Jacdac

步骤2：连接硬件​

  1. 用数据线将micro:bit主板连接到计算机。

    注意： 若micro:bit主板初次运行Jacdac程序，请先预装一个空白Jacdac程序至主板，否则跳过此步骤。

    连接micro:bit

  2. 连接传感器，MakeCode自动识别并仿真呈现，在仿真区内传感器实时反馈传感器状态。

    传感器仿真

  3. 点击 "ADD BLOCKS" 传感器扩展模块。

    注意： 连接新的传感器，重复执行一次"点击'ADD BLOCKS'传感器扩展模块"操作流程。

    ADD BLOCKS

如图所示编写程序​

程序截图

参考程序链接​

https://makecode.microbit.org/_1gAhi03bcemx

你也可以通过以下网页直接下载程序，下载完成后即可开始运行程序。

结果​

声音响度实时关联——声音越大，360°积木舵机转速越快、Jacdac灯环越亮；声音越小，360°积木舵机转速越慢、Jacdac灯环越暗，模拟水力发电站。

思考​

  1. 水力发电和水车提水（筒车案例）都利用了水的力量，它们有什么不同？
  2. 如果你生活的地方没有大河，还能用哪些方式发电？

程序逻辑说明​

触发条件动作来源
检测声音大小360°积木舵机以映射值的速度旋转，驱动水轮发电机；LED灯环亮度随声音大小变化micro:bit 声音传感器

知识拓展：水力发电——从一滴水到一座城市的光明​

一、水的能量从哪来——能量转换的科​

一滴水从几百米高的水库落下，到底经历了什么？下面是水力发电中完整的能量转换链条：

太阳辐射          蒸发水汽         云层降水          高山水库
（核聚变能）  →   （热能）    →   （重力势能）  →   （重力势能储存）
                                                         ↓
                                                   水从高处落下
                                                         ↓
                                                    水的动能
                                                   （高速水流）
                                                         ↓
                                                 冲击水轮机叶片
                                                         ↓
                                                  水轮机旋转动能
                                                   （机械旋转）
                                                         ↓
                                                 发电机电磁感应
                                                 （切割磁力线）
                                                         ↓
                                                      电能
                                                   （千家万户）
转化阶段能量形式变化在哪里发生效率
阶段一重力势能 → 水的动能压力管道（水从大坝高处冲下）约95%
阶段二水的动能 → 旋转动能水轮机（水流冲击叶片旋转）约90~95%
阶段三旋转动能 → 电能发电机（转子切割磁力线）约95~98%
综合效率约85~92%

水力发电的综合能量转换效率高达 85%~92%，是所有发电方式中最高的之一。作为对比：火力发电约35%~45%，太阳能光伏约15%~22%，风力发电约35%~45%。一吨水从100米高处落下，理论上可发电约0.27度——足以让一盏LED灯连续亮10小时。

二、水力发电站是怎么建起来的​

一座大型水力发电站通常包含以下核心组成部分：

                            ┌─────────────────────────────┐
                            │      水力发电站剖面图        │
                            └─────────────┬───────────────┘
                                          │
    ┌─────────┐    ┌─────────┐    ┌───────┴───────┐    ┌──────────┐
    │ 水库     │    │ 大坝     │    │  发电厂房      │    │ 输电线路  │
    │(Reservoir)│   │ (Dam)   │    │(Powerhouse)   │    │(Transmission)│
    └────┬────┘    └────┬────┘    └───────┬───────┘    └─────┬────┘
         │              │                 │                  │
    储存水量        拦截河水          水轮机+发电机       输送到电网
    提供水头        形成落差          将水能→电能         千家万户
组成部分功能有趣的事实
水库储存大量水，提供稳定的水头和流量三峡水库总库容393亿立方米，相当于2800个西湖
大坝拦截河水，形成水位落差三峡大坝高181米，长约2.3公里，相当于60层楼高
压力管道将水库高处的水引导至低处的水轮机水流速度可达每秒数十米，冲击力极强
水轮机将水流动能转化为旋转机械能单个水轮机转轮直径可达10米以上，重达数百吨
发电机利用电磁感应将旋转动能转化为电能三峡单台发电机功率700 MW，一台就够一个中型城市用电
尾水管将做完功的水排回下游河道保证下游河流生态不断流

三、全球水电——数据中的巨人​

关键数据数值
2024年全球水电总装机1,283 GW（12.83亿千瓦）
2024年全球水电发电量约4,200 TWh，占全球电力约14.3%
水电全球发电成本约0.057美元/度（最低的可再生能源之一）
全球最大水电站中国三峡水电站，装机22.5 GW，年发电约800~1,000亿度
水电使用国家数134个国家拥有水电资源
全球最老仍运行的水电站部分超过100年（水电站寿命极长）
中国水电装机超过420 GW，连续多年全球第一
排名国家水电装机容量占本国电力比例
1中国~420 GW约16%
2巴西~110 GW约63%
3美国~102 GW约6%
4加拿大~83 GW约60%
5俄罗斯~56 GW约17%

在巴西、加拿大、挪威、委内瑞拉等国，水电占全国电力的一半以上。挪威几乎100%的电力来自水力发电，是世界上最"水"的国家。

四、水力发电的AB面——没有完美的能源​

优点​

优点说明
转化效率极高85%~92%，远超火电（~40%）和光伏（~20%）
零碳排放运行发电过程不燃烧任何化石燃料，不排温室气体
可调度/响应快水电机组可在数分钟内从停机达到满功率，远快于火电和核电，适合调峰
寿命极长大坝和水电站可使用50~100年，长期投资回报极高
运营成本低建成后"燃料"免费（水从天上来），运维成本远低于火电
多功能综合利用同一座大坝可同时承担：发电、防洪、灌溉、供水、航运、旅游、养殖

三峡工程除了发电，还使长江中下游防洪标准从"十年一遇"提高到"百年一遇"，保护了约1,500万人口的安全。

缺点​

缺点说明真实案例
淹没大片土地水库蓄水会淹没上游农田、森林、村镇甚至古城三峡水库淹没面积1,084平方公里，约等于深圳全市面积的一半
人口迁移全球因建坝被迫迁移的人口估计高达8,000万三峡工程移民约130万人，是人类历史上最大规模的水库移民
生态破坏大坝阻断鱼类洄游、改变河流水温水质、破坏水生生态长江中华鲟因葛洲坝和三峡大坝阻断洄游通道，已极度濒危
泥沙淤积泥沙被拦截在库区，下游三角洲失去泥沙补充而退缩埃及阿斯旺大坝建成后，尼罗河三角洲每年退缩数十米
水库温室气体热带地区淹没的植被腐烂产生甲烷（温室效应是CO₂的25倍）部分热带水库在蓄水初期，淹没植被腐烂产生的甲烷排放强度较高——但这一现象仅限于特定地区和蓄水初期，并非水电的普遍特征。
受气候影响干旱导致发电量大幅下降2021年全球干旱使水力发电量下降0.4%，部分国家降幅超20%

核心矛盾： 水电是清洁的——但建坝的过程不"清洁"；水电是绿色的——但淹没的森林也是绿色的。水电是不是真正的"绿色能源"，取决于我们如何在发电效益与生态代价之间找到平衡。

五、水电的未来——从大坝到"微型水电站"​

趋势说明
抽水蓄能用多余电力（如夜间风电）将水抽回高处水库，用电高峰时再放水发电——相当于一个巨大的"水电池"。目前占全球储能的90%以上
小型/微型水电不建大坝，利用天然溪流的小落差发电（几十到几千瓦），对生态影响小，适合偏远山区和农村
老旧水电站改造全球约40%的水电设备已运行超过40年，通过技术改造可提升效率10%~20%
鱼道改进设计更友好的鱼梯和鱼道，帮助洄游鱼类翻越大坝
环境流量保障强制水电站向下游释放维持生态所需的最小水量，保证河流不断流

思考： 你的舵机模型模拟的是水轮机旋转发电，而现实中最大的挑战是——如何在发电的同时，不给河流和生活在河边的人们带来不可逆转的伤害。未来的工程师们，这个难题等着你们来解决。