新能源水陆两栖多功能创意车模

小组成员：高家乐 梁田 张好

指导老师：李明

一、设计背景

21世纪，化石能源是最重要的工业原料，许多工厂、设施的运转都需要化石燃料燃烧后释放的能量。但化石能源是非可再生资源，人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭。世界煤炭总可采储量大约为8475亿吨。长期来看，尽管世界煤炭可采储量相对稳定，但还是出现了下降的趋势。按当前的消费水平，最多也只能维持200年左右的时间。就我国而言，我国煤炭储量虽然相对丰富，但从中长期来看，仍面临诸如赋存条件、勘探水平、运输条件、安全因素等多方面因素的限制，能被有效开发利用的煤炭资源量明显不足。因此，开发更清洁的可再生资源便显得尤为重要。

化石燃料在利用过程中对环境的破坏,主要是燃烧时各种气体与固体废物，和发电时的余热造成的。一是大量的化石能源消费，引起温室气体（以二氧化碳为主要成分）排放，使大气中温室气体浓度增加、温室效应增强，导致全球气候变暖。同时化石能源的燃烧排放出大量的有害气体和粉尘，威胁全球生态。化石能源，特别是煤炭的使用带来大量的二氧化硫和烟尘排放，也是造成我国大气污染的主要来源。二是热污染。火电站发电所剩“余热”被排出到河流、湖泊、大气或海洋中，在多数情况下会引起热污染。例如，这种废热水进入水域时，其温度比水域的温度平均要高出7～8℃，使生物离开该水域。

传统汽车排放的尾气是城市空气污染的罪魁祸首。传统燃料汽车在燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体，这些气体进入大气造成海平面上升，土地沙漠化和气候反常等危害，严重威胁着人类的生存。

一些国家，由于地理条件的限制，如印度尼西亚、日本、马尔代夫等，它们由多个岛屿组成，在交通工具方面，由于车与船功能的局限性，就需要进行在车与船之间的来回转化，给人们的生活造成了极大的不便，而修建海底隧道又对国家的经济是一个极大的考验。

除此之外，受到气候的影响，导致每年五月，我国南方地区如浙江、广东、江西等地，都会出现大到暴雨，局部地区甚至发生洪灾。暴雨引发交通堵塞等各种次生灾害，城市交通、物流畅通等受到严重影响，个别路段积水过深，车辆只能绕道而行，给人们的工作生活带来诸多不便，且造成了大量经济损失。

基于这些，我们设计了新能源水陆两用多功能车，它能够缓解能源枯竭，解决交通不便等问题。为解决汽车燃料造成的环境污染，最根本的就是寻找代替能源，我们选择了环保无污染的太阳能。为解决现阶段我国部分南方地区和一些多岛屿国家，多水路出行不便，以及未来全球温室效应加剧，海平面上升导致的陆地淹没，所带来的交通不便，我们选择了结合车与船的功能。

二、准备过程

①小组成员共同完成模型设计，图纸如下：

②实验所用材料，如微型直流电机、螺旋桨、太阳能板、轮胎等，提前在网上购买。材料如表格所示：

三、模型的构造、原理及制作过程

我们构思的新能源水陆两用多功能车，实质是将在陆地上行驶的汽车上，加以补充和改造，使它具有水陆两用的功能，以路为主，以水为辅。

1、车身主体：对于一般汽车而言，车身重，所以汽车能否在水中行驶便成为了一个问题。我们选择塑料泡沫板作为车身主体，一来质轻，二来防水效果好，三价格低，便于寻找。

我们选择用三层泡沫板作为车身主体。塑料泡沫板整体尺寸为长46.5cm，宽19cm，高6cm。

第一层，作为承载内部所有结构的一层，我们借助流线型阻力较小的原理，将第一层板改造成两端稍宽，中间窄小的样子，其原因是为了减少在水中阻力对第一层板的冲击，保护内部结构。

第二层，我们将齿轮安放在这一层的槽里，与第一层上的微型直流电机相连，而微型直流电机与传动装置相连，通过齿轮转动带动车轮转动。同时为了防止底盘过低，在陆地上行走时带来的诸多不便，我们将车轴也安装在第二层。

第三层，被当做底盘，起到保护二三层的作用，同时加大浮力，防止车体沉入水中。

1. 车轮及车轴：在车轮的选取上，我们考虑到耐磨、耐用、防滑、抓地力、底盘是否会磨损等多重因素，选择了纹路较深、较多的大号车轮（外径79mm，内径4mm）。

   此外，在车轴的选材过程上，小组成员的想法是，将竹签作为车轴，带动车轮运动，但实际上寻找齿轮的过程中，我们了解到许多商家要么是没有大型号的齿轮，要么是想用齿轮卖钱，且费尽心思找到的齿轮，其内径大多与车轴不符，至此，我们改变了我们的思路。我们从已有齿轮（外径2.6cm，内径3mm）入手，将半径过大的竹签进行打磨，使其半径减小到与齿轮相符的大小，成功完成了齿轮与车轴的结合，以及车轴和车轮材料的选取。

   3、内部构造：在内部结构上，我们使用了两套电池，一套干电池，一套蓄电池；一块额定电压为5v，额定电流为0～200mA的太阳能板；两个12.000rmp2高速电机；一个功率为0.5w的微型直流电机；两个螺旋桨推进器；两个万向调节器。

   两套电池，一套与太阳能板相连，是利用太阳能蓄电，为驱动微型直流电机运作提供能量，另一套则直接使用干电池，为驱动螺旋桨运作提供能量。安装太阳能板时刻都在蓄电，除恶劣天气外，太阳能板可以将太阳能转化为化学能并储存起来，微型直流电机可以将电能通过传动装置转化为机械能，从而提供动力使车前进。采用太阳能蓄电体现了我们设计的另一大重要因素：环保。

   在水中，我们选择使用双螺旋桨推动器和两个高速电机相连驱动小车，是为了增大在水中的动力，另外，固定螺旋桨的是360°可转轴。在陆地上行驶时，360°可转轴可将双桨收回车身内部，防止像追尾等意外事故的发生，而造成的不便与车身的损坏。

   4、外部结构：外部采用质轻的卡纸，为防止漏水又用防水的胶布包裹。在颜色上，我们以蓝色调为主，车身周围有反光色带，防止在黑暗中行驶时被碰撞追尾，同时，也是为了车身及人身安全考虑而设计。

   四、实验过程及结论

   *实验过程：

   1、将汽车模型放于平地，打开电源开关，观察汽车模型在平地上的前进情况；

   2、将汽车模型放于土路，打开电源开关，观察汽车模型在土路上的前进情况；

   3、调整汽车模型螺旋桨位置，将汽车模型放入水中，打开电源开关，观察前进情况；

   4、调整汽车模型重心，再次进行入水实验；

   5、将蓄电池中的电量耗尽，再将汽车模型置于室外六小时，再将汽车模型移回室内，打开开关，观察汽车模型是否可以前进。

   *实验结论：

   我们设计的新能源水陆两用多功能车模型，可以实现将太阳能转化为电能提供动力，也可在陆地上各种路况以及在水路上的行驶，实现了水陆两用的功能。

   五、优点与缺点

   （优）我们发明的新能源水陆两用多功能车的一大优点，是能够在水陆两地使用。尤其是对于我国南部、东部沿海地区，比如有“水乡”之称的江南，这种汽车的作用就会很显而易见了。而且我们设计的新能源水陆两用多功能车，相较于船来说，体型也不算大，因此也不会占用多大的水上面积。

   再从国际市场来看，国际上有国家临海，有许多岛屿组成，如日本、威尼斯、印度尼西亚、马尔代夫这样的国家，因此，在这些国家，我们的新能源水陆两用多功能车便可以大显身手，解决交通不便的问题。

   当前的汽车只能在陆地上行驶，在水中，汽车便再无用武之地。但如果针对水陆制造专门的交通工具汽车、轮船的话，不仅造价高，而且对钢铁、石油等能源与材料也是一种浪费。所以，我们设计的新能源水陆两用多功能车不仅能够水陆两用，解决一部分交通问题，也可以极大地减少制造大型交通工具的费用，提高能源与材料的利用率，更有利于经济的发展。

   另外，如果遇到突发状况，比如我国南方有很多多雨地区，尤其是夏季，容易发生洪灾，当地的交通会受到很大影响，人们的汽车等交通工具也会损伤，这在一定程度上给当地带来了经济损失，所以，为了减少经济的损失，方便人们的交通，就需要改造汽车，使它具有防水功能。我们的新能源水陆两用多功能车不仅在洪水期也可以正常工作，保护汽车原件，而且洪灾发生时，我们的新能源水陆两用多功能车可以在水上行驶，保护人们的生命安全。

   我们设计的新能源水陆两用多功能车的另一大优点，便是节能环保。

   随着全球逐渐变暖，太阳能的使用可减少对大气的污染，也可以减少温室气体的产生。基于我国能源的日益枯竭的情况，新能源代替化石燃料的使用，可减缓能源枯竭的危机。而太阳能，它是人类可以利用的最丰富的能源，是最为合适的替代化石燃料的新能源。地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。同时，它也是一种洁净的能源，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，绝对不会造成污染和公害。且我国太阳能资源丰富，全国９０％以上的地区所幅照总量每平方米大于４５００兆焦耳，年日照时数超过２２００小时以上的地区只占我国国土面积的三分之二以上。若将全国太阳能年幅照总量的１％转化为可利用能源，就能满足我国全部的能源需求。特别是西部、北部和中南部，具有良好的开发条件和应用价值。因此，光热转换不但市场广阔，而且是解决我国矿物能源短缺最有希望、最可行的途径。

   现在我国私家车数量庞大，且大多数汽车基本上都是以柴油、汽油等化石能源作为驱动，扬灰、扬尘及排放出的尾气是造成PM2.5急剧升高的因素之一。近年来雾霾现象的加重，也和私家车数量的增加，有密不可分的关系。如果将传统汽车使用的化石燃料，全部替代为太阳能，那么将节省难以估计的巨大能量，同时彻底解决汽车尾气排放造成的环境污染。

   所以，总结下来，我们的新能源水陆两用多功能车具有环保、绿色，能缓解能源危机、解决环境污染、保护人身安全、以及节约资源、提高材料利用率减少经济损失等优点。

（缺）当然，我们的新能源水陆两用多功能车也有缺点。虽然太阳能常年提供免费能源而且可以减少对矿物燃料的依赖，但太阳能板的费用利用太阳能、制作太阳能汽车的最大障碍。 太阳能电池板非常昂贵，对于一辆车来说，就可能需要好几块。尽管太阳能板的维护和保养费用不是特别高，而且安装太阳能板后能够免费获取能源，但购买和安装太阳能电池板的初装成本可能会非常高。而且只有在阳光充足的地区安装足够的太阳能电池板，才可以高效率地实现太阳能向电能的转化，才可以尽可能的使太阳能板向外输出免费能量，提供动力。
  太阳能其他利弊还涉及到太阳能电池板安装的环境。太阳能板直接沐浴在阳光下面效果最好，但在经常遇到浓密云层地域，太阳能板的效力就小一点。且太阳能电池板每天接受的光照时间的长短，决定了它作用的大小。太阳能转化为化学能贮存起来的时间较长，这可能成为太阳能水陆两用多功能车在实际使用中的不足。

六、实验感受

1、创新能力。为解决模型设计，材料准备，模型组装，实验，思路的改进和优化模型等问题，我们积极思考，激发了想象力，提高了创新能力和创新兴趣。在设计过程中，我们从不同的方向扩展自己的思维。当遇到困难时，小组成员积极解决问题，问题解决后，我们倍感兴奋，体会到创新带来的快乐。

2、协作能力。购买材料和组装汽车模型的过程中，每人分工明确，相互协助，共同工作，不仅增进了同学间的友谊，而且培养了团队协作的能力。

3、社交能力。在收集材料的过程中，与店主、客服等人进行交流，锻炼了社交能力。

4、动手能力。在组装材料的过程中，连接电路、切割材料、穿孔打眼等工作，锻炼了我们的动手能力。

5、对科技的兴趣。这次课题研究，让我们了解了汽车的基本结构和工作原理，学到了从课本上学不到的知识，一定程度上扩大了我们的知识面，让我们对汽车产生了一定的兴趣，也提高了我们对科技的兴趣。同时，让我们很好的了解到现实和课本知识的区别，给我们一个要将所学知识与现实关联的潜意识。

6、师生关系和谐。在课题研究的过程中，遇到困难时，我们经常向指导老师和其他的一些代课老师寻求帮助。这不仅帮助我们解决了研究中的困难，也加强了老师和同学间的相互了解，增进了师生之间的友谊，使师生关系更加和谐。

7、通过这次课题研究，我们有机会了解机械运转的相关原理，这为我们以后的发展和工作方向提供了一个新的指导方向，也是我们在高中生活中的一大收获。

七、研究参数

http://baike.sogou.com/v13589.htm?fromTitle=%E5%8C%96%E7%9F%B3%E8%83%BD%E6%BA%90

http://baike.sogou.com/v582173.htm?fromTitle=%E5%8C%96%E7%9F%B3%E7%87%83%E6%96%99

http://taiyangneng.baike.com/article-400905.html

http://wenwen.sogou.com/z/q66679816.htm

http://wenwen.sogou.com/z/q760933401.htm