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案例四：波浪发电

简介​

对着micro:bit主板说话、拍手或制造声音——声音越大，360°积木舵机驱动凸轮转速越快，"浮子"上下起伏越剧烈，模拟海浪越大、发电功率越高；声音越小，起伏越平缓；完全安静时舵机停止，模拟海面风平浪静。声音代表了"海浪的力量"。

案例目的​

  1. 认识波浪发电原理——将波浪的起伏动能转化为电能。
  2. 了解海洋能源的种类与潜力——潮汐能、波浪能、温差能、海流能、盐差能。
  3. 理解人与海洋的关系——海洋不仅是食物和航运的来源，更是未来清洁能源的巨大宝库。

所需材料​

项目图片数量
micro:bit V21
Jacdac扩展板1
Jacdac 10cm连接线1
Jacdac舵机模块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。

搭建步骤​

模型原理说明​

360°积木舵机模块与凸轮——模拟波浪起伏​

360°积木舵机连续旋转，输出轴上的凸轮周期性地顶起和放下"浮子"（从动件），使其做上下往复运动——模拟海面上浮子在波浪作用下的起伏状态。舵机每转一圈，浮子完成一次"上升→下降"的完整波浪周期。凸轮的设计决定了波浪的"形态"——圆滑的凸轮产生柔和的浪涌，尖锐的凸轮产生陡峭的浪峰。

在真实的波浪发电装置中，浮子的起伏运动通过液压系统或直线发电机直接转化为电能——每一次波浪的呼吸，都在向电网输送清洁电力。

波浪发电——大海的呼吸​

波浪发电的基本原理是三级能量转换：

波浪的起伏动能/势能
        ↓ 一级转换
装置的运动（浮子振荡、气室水柱振动、摆体摆动）
        ↓ 二级转换
旋转机械能（涡轮/液压马达旋转）
        ↓ 三级转换
电能（发电机电磁感应）

三种主流的波浪发电技术：

技术类型原理特点
振荡水柱式（OWC）波浪使气室内水柱上下振动，压缩空气驱动涡轮转动部件不与海水接触，防腐性好，维护方便
摆式装置波浪推动摆体前后或上下摆动，通过液压装置发电转换效率较高，适合波浪低频大推力特性
聚波水库式波浪被喇叭形波道聚拢抬高，溢入高处水库，用水位落差驱动水轮机无活动部件，可靠性好，但对地形有特殊要求

连接示意图​

如下图所示，将micro:bit主板插入Jacdac扩展板，将舵机模块连接在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/_HHgJmiT3XXFr

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​

对着micro:bit主板大声说话或拍手时，360°积木舵机高速旋转驱动凸轮，浮子剧烈上下起伏，模拟"狂风巨浪、满负荷发电"；轻声细语时，起伏平缓，模拟"微风细浪"；完全安静时，舵机停止、浮子静止，模拟"海面如镜"。声音大小实时控制波浪强度。

思考​

  1. 舂米机案例中用了凸轮，波浪发电站也用了凸轮——同一个机构，一个在模拟捶打谷物，一个在模拟波浪起伏。你还想到了哪些可以用凸轮来模拟的自然现象或生产动作？
  2. 波浪发电面临的最大挑战之一是"台风"——巨浪可能摧毁发电装置。如果你是工程师，你会怎么设计来应对极端天气？

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，驱动凸轮带动浮子上下起伏micro:bit 声音传感器

知识拓展：蓝色能源——海洋，人类未开发的超级电池​

一、大海从不休息——为什么海洋能如此诱人​

地球表面约71%被海洋覆盖。海洋每天吸收的太阳能相当于约2500亿桶石油燃烧释放的热量——大约是2024年全球石油日消耗量的2,400倍。更重要的是，海洋能具有陆地可再生能源不具备的优势：

对比维度太阳能风能海洋能
间歇性夜间为零时大时小潮汐规律、波浪持续
可预测性受云层影响难以精确预报潮汐可提前数年精确预报
空间占用占用大量陆地占用大量陆地在海面/海下，不争陆地资源
能量密度约0.2 kW/m²约0.5 kW/m²海水密度是空气的832倍，低速也可产出大能量

全球海洋能理论蕴藏量估计高达10¹⁰~10¹¹ kW量级（即100亿到1000亿千瓦），约为当前全球电力装机总量的10~100倍。然而，截止2024年底，全球实际投入运行的海洋能装机仅约513 MW（0.513 GW）——不到理论潜力的百万分之一。

二、海洋能源家族——五种"蓝色能源"​

能源类型能量来源技术成熟度全球理论蕴藏量中国资源优势区域
潮汐能月球和太阳引力引起海面升降✅ 已商业化（法国La Rance 240 MW，韩国Sihwa 254 MW）~10⁹ kW级浙江、福建
波浪能风吹海面形成波浪🔧 实海况样机测试中~10⁹ kW级浙江、福建、广东、台湾
温差能表层与深层海水温度差（约20°C）🔬 比例样机测试中~10¹⁰ kW级南海（占中国99%）
海流/潮流能地球自转、温差、引力等驱动海水流动🔧 全比例样机测试中~10⁸ kW级舟山群岛
盐差能淡水与海水盐度差异产生的渗透压🧪 实验室验证阶段~10⁹ kW级各大江河入海口

三、波浪发电——捕捉大海每一次呼吸​

波浪是风与海水相互作用的结果。风吹过海面，将部分动能传递给海水，形成波浪。波浪可以长途传播数千公里而不显著衰减——在太平洋中部形成的涌浪，可以一直传到万里之外的海岸线上。

波浪发电关键事实数据
全球波浪能理论蕴藏量约2×10⁹ kW（20亿千瓦）
中国沿海波浪年平均功率约1.3×10⁷ kW（1,300万千瓦）
台风巨浪功率密度可达每米迎波面数千kW
2024年欧洲波浪能累计装机约13.5 MW（仅830 kW在运行）
全球海洋能新增装机（2024年）仅1.6 MW

波浪能目前仍处于工程样机实海况测试阶段——这意味着全世界还没有一座真正商业化的波浪发电站。一个蕴藏量万亿级别的能源宝库，正等待着工程师们打开它的钥匙。而你的舵机凸轮模型，正是探索这个宝库的第一步。

四、人与海洋——从恐惧到敬畏再到共生​

时代人与海洋的关系典型事件
远古时代恐惧与神秘神话中的海神、龙王、海怪
大航海时代（15~17世纪）征服与探索哥伦布横跨大西洋、麦哲伦环球航行、海上丝绸之路
工业时代（19~20世纪）掠夺与污染过度捕捞、海洋石油开采、塑料污染（每年约800万吨入海）
当代（21世纪）觉醒与共存海洋保护区、碳汇渔业、海洋牧场、海洋清洁能源开发

今天，人类正站在一个新的起点上。海洋不再是需要"征服"的对象，也不再是取之不尽的"免费垃圾场"，而是需要与之共生的巨大生态和能源伙伴：

维度海洋给予人类人类回馈海洋
食物全球约30亿人依赖海产品作为主要蛋白质来源发展可持续渔业、打击非法捕捞、建立海洋保护区
气候海洋吸收了全球约25%的CO₂排放和90%的额外热量减少碳排放、控制海洋酸化
能源潮汐、波浪、温差、海流、盐差——五种"蓝色能源"开发清洁海洋能技术，不破坏海洋生态
运输全球约90%的货物通过海运使用低硫燃料、减少船舶噪音保护鲸类
药物海洋生物是新药研发的重要来源（抗癌、抗病毒等）保护海洋生物多样性，不过度采集

思考： 你的舵机凸轮模型每一次"浮子"的起落，都在模拟大海的一次呼吸。地球上的潮汐和波浪已经存在了数十亿年——早在人类出现之前，早在化石燃料形成之前。学会从大海的呼吸中获取能量，就是学会与这个星球最古老的力量和谐共生。未来的蓝色能源时代，等待着你们去开创。