跳到主要内容

案例六：风力发电

简介​

倾斜micro:bit主板来控制"风力"的大小——倾斜角度越大，代表风力越强，360°积木舵机驱动风力发电机叶片旋转的转速也越快；将主板放平时（无风状态），叶片停止转动。通过加速度计感知倾斜角度并实时调节转速，模拟风力发电机随风运转的真实场景。

案例目的​

  1. 认识风力发电机，了解其将风能转化为电能的基本原理。
  2. 认识micro:bit主板的加速度计——一种可以感知倾斜角度和运动状态的MEMS传感器。
  3. 了解陀螺仪与加速度计的区别及各自在生活中的应用。
  4. 学习多条件分支（if-else if-else）——根据倾斜角度划分风力等级，程序在不同等级下执行不同转速。
  5. 了解风能在人类能源利用史中的重要地位。

所需材料​

项目图片数量
micro:bit V21
Jacdac扩展板1
Jacdac 25cm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主板内置的加速度计作为传感器，检测主板的倾斜角度（前后方向），将倾斜角度映射为不同的风力等级和对应的舵机转速。

搭建步骤​

模型原理说明​

风力发电机——捕捉风的能量​

风力发电机由塔架、叶片、机舱（含发电机）三大部分组成。风吹动叶片旋转，通过主轴将旋转动能传递给发电机，发电机利用电磁感应原理将动能转化为电能。简单来说：

风能 → 叶片旋转（动能） → 齿轮箱变速 → 发电机旋转 → 电磁感应 → 电能

叶片转得越快，发电机输出的功率就越大。一台现代大型风力发电机（10 MW）在满发状态下，每小时可发电10,000度——足够一个普通家庭使用约3年。

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/_5uu7PU2ojFTc

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​

将micro:bit主板水平放置时，舵机静止，无风状态；轻轻向前倾斜主板（小角度），舵机以低转速旋转——微风拂过；倾斜角度增大到中等，舵机中速旋转——风力渐强；大幅度倾斜，舵机高速旋转——强风来袭。倾斜角度实时决定"风力大小"和叶片转速。

思考​

  1. 加速度计除了检测倾斜，还能感知什么动作？（提示：摇晃、自由落体）
  2. 如果把micro:bit贴在自行车轮上旋转，加速度计读数会怎样变化？

程序逻辑说明​

触发条件动作来源
主板水平放置（倾斜角度小）舵机静止，无风状态micro:bit 加速度计
主板轻微倾斜（小角度）舵机低转速旋转，模拟微风micro:bit 加速度计
主板中等倾斜舵机中速旋转，模拟风力渐强micro:bit 加速度计
主板大幅度倾斜舵机高速旋转，模拟强风micro:bit 加速度计

知识拓展：风能——从帆船到海上风电场的万年之旅​

一、风——人类最早的"免费能源"​

在煤炭、石油被发现以前，风和水是人类仅有的两种可以大规模利用的自然动力。风能利用的历史，几乎与人类文明的历史一样长：

时期风能利用方式代表
约公元前5000年风帆行船古埃及尼罗河帆船
约公元前200年风力提水波斯（今伊朗）垂直轴风车
公元7–13世纪风车排水与研磨波斯风车西传→欧洲风车、中国立帆式风车
12世纪欧洲风车普及荷兰风车排水造田（详见风车案例）
1887–1888年第一台风力发电机苏格兰James Blyth建造（为度假屋供电）；美国Charles Brush建造12kW风机
1941年第一台兆瓦级风机美国Vermont州Smith-Putnam风机，1.25 MW
1970s石油危机推动风电复兴丹麦率先大规模部署
1991年世界首个海上风电场丹麦Vindeby，11台450kW风机
2025年全球风电总装机达1,299 GW57个国家新建风电，中国装机超520 GW

二、风力发电机是怎么工作的​

现代风力发电机主要由以下部件组成：

                        ┌──────────────────────────────┐
                        │      风力发电机结构           │
                        └──────────────┬───────────────┘
                                       │
     ┌─────────┐  ┌────────┐  ┌───────┴───────┐  ┌──────────┐
     │ 叶片     │  │ 机舱    │  │  塔架         │  │ 基础      │
     │ (Blades) │  │(Nacelle)│  │  (Tower)     │  │(Foundation)│
     └────┬────┘  └───┬────┘  └───────────────┘  └──────────┘
          │           │
    ┌─────┴─────┐ ┌──┴──────────────┐
    │ 风推动旋转 │ │ 齿轮箱 → 发电机  │
    │ 捕捉风能   │ │ 动能 → 电能     │
    │ 最长140m+ │ │ 偏航系统→对风  │
    └───────────┘ └─────────────────┘
部件功能有趣的事实
叶片捕捉风能，将风的动能转化为旋转动能现代叶片最长超过140米，比一个足球场还长
机舱（含发电机）将旋转动能转化为电能内部装有偏航系统，会根据风向自动旋转机舱对准来风
塔架将风机托举到高空获取更强更稳的风现代风机塔架高度可达140米，约50层楼高
基础将整个结构牢牢固定海上风机基础重达数千吨，相当于一艘小型军舰

关键数据： 一台10 MW的海上风力发电机，叶片每转一圈大约需要4-5秒，但这一圈就能发电约15度。按此计算，一台风机一年可发电约4,000万度——足够约12,000个中国家庭使用一整年。

三、风电——全球能源转型的排头兵​

关键数据数值
2025年全球新增风电装机165 GW，同比增长40%，创历史纪录
2025年底全球累计风电装机约 1,299 GW（13亿千瓦）
2024年全球风电发电量2,494 TWh，占全球电力8.1%
全球风电最大国家中国（520 GW，占全球约40%）
全球最大海上风电场英国Dogger Bank（规划总容量3.6 GW）
全球单机最大风机中国明阳智能MySE 18.X-20MW（已下线）
2024年风电行业就业人数全球约160万人
57个国家在2025年有新建风电项目

2024年，丹麦全国约55%（2024年数据）的电力来自风电，居全球第一。爱尔兰（36%）、乌拉圭（35%）、葡萄牙（29%）紧随其后。在这些国家，每三度电中就有一度来自风的馈赠。

四、风的未来——还有多少潜力等待发掘​

展望内容
漂浮式海上风电传统海上风机需要固定在海床上（水深<60米），漂浮式风机可以部署在深水区域（>60m），将风电资源扩大数倍。日本、挪威、苏格兰已建成示范项目。
高空风能在300-500米高空，风速是地面的2-3倍且更稳定。多家公司正在研发系留式风筝/无人机发电系统，用轻质缆绳替代重塔架。
风机回收早期风机的玻璃纤维叶片退役后难以回收。2025年起，多家制造商开始推出可回收叶片，退役后材料可重新利用。
风电+储能风时有时无？搭配大型储能电池或氢能（用多余风电电解水制氢），实现"削峰填谷"，让风电24小时可用。

据国际能源署（IEA）预测，到2050年，风电和太阳能将共同提供全球约70%的电力。今天你在micro:bit上控制的小小舵机叶片，明天可能就会成长为海面上直径超过200米的巨型风轮。风一直在吹，关键在于我们是否准备好了去捕捉它。