法拉第電磁感應(yīng)定律在薄膜風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

魏京花　黃山石

(1 北京建筑大學(xué)理學(xué)院，北京　102612；

2 北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京　102612)

法拉第電磁感應(yīng)定律在薄膜風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用實(shí)踐

魏京花1黃山石2

(1北京建筑大學(xué)理學(xué)院，北京102612；

2北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京102612)

摘要環(huán)境與能源問題一直伴隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展.近年來，清潔能源成為了國(guó)民關(guān)注的熱點(diǎn).生活中大量未能被利用的風(fēng)能更加成為熱門.本文采用經(jīng)典物理的基本定律——法拉第電磁感應(yīng)定律，利用薄膜在氣流中的振動(dòng)原理將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為我們能使用的電能，并進(jìn)行實(shí)物模擬，計(jì)算其可行性與發(fā)展價(jià)值.

關(guān)鍵詞電磁感應(yīng)定律；風(fēng)能；發(fā)電機(jī)；隧道；薄膜材料

APPLICATION OF FARADAY ELECTROMAGNETIC INDUCTION LAW IN THE FILM WIND GENERATOR

Wei JinghuaHuang Shanshi

(1College of Science；2School of Enviornment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102612)

AbstractThe economic development is always accompanied by the problem of environment and energy sources in our country. In recent years, clean energy has become a focus of national attention. The wind energy, which has not been used to life, becomes more popular. Using the basic law of Faraday electromagnetic induction in classical physics, this article mainly explore the project of converting the wind energy into mechanical energy by utilizing the vibration principle of the film in airstream, and converting mechanical energy into electric energy, which can be used directly by us. Based on practical simulation, the feasibility and value of development were calculated.

Key wordselectromagnetic induction law; wind power; generator; tunnel; film materials

伴隨我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，地鐵已經(jīng)遍布各大城市，地鐵為我們的出行帶來了巨大的便利.當(dāng)我們走進(jìn)地鐵通道或地鐵進(jìn)站的過程中，會(huì)感到很強(qiáng)的風(fēng)拂面而過，因而想到在地鐵通道及隧道中存在大量未被利用的風(fēng)能，如果能將這部分風(fēng)能加以利用，則可以節(jié)省很多能耗.薄膜風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是在此大環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的，其發(fā)明目的是開發(fā)一種可以應(yīng)用在特殊環(huán)境下、高效、低成本且易推廣的風(fēng)能發(fā)電機(jī)，該作品在2013北京市教育系統(tǒng)節(jié)能減排創(chuàng)新成果征集活動(dòng)中獲創(chuàng)意作品類一等獎(jiǎng)，在2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽中獲三等獎(jiǎng).

1設(shè)計(jì)思路

作品是應(yīng)用于特殊環(huán)境下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)(實(shí)驗(yàn)階段)是由發(fā)電機(jī)外殼，顫振薄膜，釹磁鐵，線圈，控制器，顯示器，光電碼盤風(fēng)速模塊幾部分組成的(見圖1、圖2).具體設(shè)計(jì)是將釹磁鐵固定在帶狀薄膜的末端，位于兩個(gè)感應(yīng)線圈之間.當(dāng)風(fēng)通過薄膜，會(huì)基于氣體繞流固體時(shí)的卡門渦街原理及法拉第電磁感應(yīng)定律，使得薄膜產(chǎn)生一個(gè)周期性的顫振位移，從而帶動(dòng)磁鐵震動(dòng)，使兩側(cè)線圈切割磁感線(基于法拉第電磁感應(yīng)定律)，產(chǎn)生交變電流.之后，再將產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流，輸出直流電，供給顯示器使用.

設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)即是磁鐵薄膜顫振發(fā)電的這種獨(dú)特的發(fā)電方式.我們摒棄了傳統(tǒng)原有的垂直軸、水平軸發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，風(fēng)葉發(fā)電的模式，采用薄風(fēng)力發(fā)電方式的意義在于這樣的發(fā)電方式制作出來的發(fā)電機(jī)設(shè)備可以大規(guī)模地應(yīng)用在如隧道這樣的狹小空間里面，對(duì)比原有設(shè)計(jì)，在特殊環(huán)境下具有明顯優(yōu)勢(shì)，由于體積小、成本低，可大量安裝使用比傳統(tǒng)的風(fēng)葉發(fā)電機(jī)有更大的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì).

圖1　發(fā)電機(jī)原理簡(jiǎn)圖

圖2　單機(jī)樣品實(shí)物圖片(俯視圖)圖2中：?jiǎn)蝹€(gè)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)度為60cm，寬度為20cm，厚度為10cm.

2實(shí)物介紹

發(fā)電機(jī)模型由發(fā)電機(jī)殼，顫振薄膜，釹磁鐵，線圈，控制器，顯示器，光電碼盤幾部分組成.利用氣動(dòng)彈性顫振原理，當(dāng)通過機(jī)殼吹動(dòng)顫振薄膜，薄膜產(chǎn)生高頻振動(dòng)，帶動(dòng)膜上的磁鐵做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而發(fā)電.控制器和顯示器則是用于實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能和實(shí)時(shí)通過光電碼盤風(fēng)速模塊測(cè)出的風(fēng)速，控制器是一塊Arduino Mega 2560控制器，顯示器為L(zhǎng)CD12864液晶點(diǎn)陣顯示屏.通過Arduino的模擬接口，可以實(shí)時(shí)讀取發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓，光電碼盤風(fēng)速模塊則可以在顯示器上輸出當(dāng)前的風(fēng)速. Arduino控制器處理風(fēng)速和電壓信息后，實(shí)時(shí)輸出其數(shù)值到LCD12864，并在屏幕獲得數(shù)據(jù)，由于考慮到目前實(shí)驗(yàn)室階段和后期在大量安裝時(shí)的管理問題，可以使用USB線纜將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至計(jì)算機(jī)，通過上位機(jī)進(jìn)行管理.

2.1　發(fā)電機(jī)部件說明

2.1.1外殼

因?yàn)閬喛肆Π寰哂腥菀浊懈詈陀幸欢ńY(jié)構(gòu)強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，故而實(shí)物樣品的外殼選擇透明的亞克力板為材料，之后的實(shí)驗(yàn)研究中，我們會(huì)改進(jìn)制造工藝，會(huì)結(jié)合成本、加工難易度及壽命等問題，考慮選擇鋁鎂合金或聚碳酸酯作為外殼的主材料.并實(shí)驗(yàn)改進(jìn)其外形，將其改進(jìn)為更符合流體動(dòng)力學(xué)的形狀，提高其風(fēng)能利用效率.同時(shí)改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大其自身穩(wěn)定性，并盡可能減少原材料浪費(fèi)，降低加工難度.

2.1.2薄膜、線圈、磁鐵

薄膜一直是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，也是發(fā)電機(jī)的核心所在，直接影響著發(fā)電機(jī)的效率.由于薄膜是風(fēng)能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化的媒介，所以薄膜要具有質(zhì)量輕、有彈性、頻率高、振動(dòng)快、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)外，由于在一端固定了較重的釹磁鐵，還需要薄膜有一定的強(qiáng)度和韌性能帶動(dòng)磁鐵運(yùn)動(dòng)，本作品薄膜采用硅膠膜材料.

線圈和磁鐵的安裝也同樣對(duì)發(fā)電機(jī)的效率有所影響，由于磁鐵在薄膜上運(yùn)動(dòng)時(shí)，并非垂直的上下運(yùn)動(dòng)，而是以固定薄膜支點(diǎn)為圓心的弧上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，要想獲得最大的磁通量變化，故而將線圈成一定角度的安裝至磁鐵兩端，如圖3所示.

圖3　實(shí)物照片(線圈及振動(dòng)磁鐵部分)

2.1.3整流橋

由于線圈和磁鐵發(fā)生磁電感應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的電流是交變電流，為了正確點(diǎn)亮LED，需要對(duì)線圈產(chǎn)生的電流進(jìn)行一次整流，將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?見圖4). 我們使用的整流橋是最為常見的橋式整流電路，電路由4個(gè)鍺管組成，利用鍺管的單向?qū)ㄐ裕瑢⒔涣鬓D(zhuǎn)變?yōu)橹绷?由于現(xiàn)在市場(chǎng)中的二極管的壓降較高，導(dǎo)致整個(gè)整流橋的自損耗過大，造成電能的浪費(fèi)，所以采用鍺管而不是一般整流橋所使用的二極管.考慮到兩組線圈產(chǎn)生交流電相位差的問題，兩組線圈不能直接簡(jiǎn)單的并聯(lián)，而是將兩組線圈分別進(jìn)行整流后，再對(duì)其進(jìn)行并聯(lián).同時(shí)，為了穩(wěn)定電流，目前簡(jiǎn)單地并聯(lián)了一組3個(gè)16V 220uF 的電解電容，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，線圈的產(chǎn)生的電能，在經(jīng)過整流橋和濾波電容后，總體損失較低.

圖4　整流橋電路圖

2.1.4控制器與顯示器

控制器選用的是Arduino Mega 2560，顯示器為L(zhǎng)CD12864液晶點(diǎn)陣顯示屏(見圖5).通過Arduino的模擬接口，可以實(shí)時(shí)讀取發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電壓，并可將數(shù)據(jù)回傳至上位機(jī)，在進(jìn)行實(shí)際安裝時(shí)，可以通過PC方便地對(duì)下位機(jī)進(jìn)行管理和監(jiān)控.我們的單片機(jī)使用面向?qū)ο蟮腃++語言編寫，開發(fā)環(huán)境Aruino 1.0.4，選用可視化的編程環(huán)境Microsoft Visual Basic 6.0(以下簡(jiǎn)稱VB6) 編寫了上位機(jī)，并在Win7 Ult x64系統(tǒng)下通過運(yùn)行.使用了“控件數(shù)組”、“模塊”，并編寫了“用戶控件”，來大幅度地減少代碼行數(shù)， 并進(jìn)行了算法優(yōu)化.作品使用MSCOMM32的控件實(shí)現(xiàn)Arduino單片機(jī)與上位機(jī)的Com串口通訊，將數(shù)據(jù)進(jìn)行交換.

圖5　實(shí)物照片(控制器：Arduino Mega和LCD12864)

3實(shí)驗(yàn)與測(cè)量

3.1　北京地鐵風(fēng)速測(cè)量與分析

為了驗(yàn)證地鐵風(fēng)速是否足夠大，從而產(chǎn)生可觀的電力輸出.對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了“地鐵風(fēng)能測(cè)定”實(shí)驗(yàn)：

1) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

實(shí)地測(cè)量地鐵內(nèi)風(fēng)速，以證實(shí)地鐵內(nèi)利用風(fēng)能發(fā)電的理論可行性.

2) 實(shí)驗(yàn)器材

風(fēng)速計(jì)、卷尺、計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)(用攝像機(jī)紀(jì)錄了25s內(nèi)風(fēng)速計(jì)所測(cè)量的數(shù)據(jù))、三腳架.

3) 實(shí)驗(yàn)方法

由于北京地鐵一號(hào)線沒有安裝防護(hù)門，所以我們選用北京地鐵一號(hào)線的站臺(tái)進(jìn)行測(cè)量，在兩端距離邊緣1m處使用風(fēng)速計(jì)對(duì)進(jìn)站和出站的列車分別進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

4) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

我們分別在列車出入站時(shí)測(cè)算25s內(nèi)的瞬時(shí)風(fēng)速，獲得了一組數(shù)據(jù)并計(jì)算其在單位面積內(nèi)的能量.

進(jìn)站平均風(fēng)速約等于：14.1m/s，出站平均風(fēng)速約等于：9.3m/s.由風(fēng)能公式[1]

E=1/2(ρ tSv3)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；v為風(fēng)速(m/s)；t為時(shí)間(s)；S為截面面積(m2)

由上式得知，風(fēng)能與空氣密度ρ，通過面積與風(fēng)速的立方成正比，由于安全問題，隧道寬度無法測(cè)量，風(fēng)速隨時(shí)間變化，我們估算每輛車通過站臺(tái)時(shí)的單位面積的風(fēng)能超過15kJ，如果在隧道內(nèi)應(yīng)大于這個(gè)數(shù)值.尤其是進(jìn)站時(shí)的最大風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到了18.2m/s.該風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到了發(fā)電要求，地鐵中的風(fēng)力滿足發(fā)電條件，可以加以利用.

3.2發(fā)電機(jī)在地鐵環(huán)境中的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試

用自制顫振式風(fēng)能發(fā)電機(jī)證實(shí)地鐵內(nèi)利用風(fēng)能發(fā)電的理論可行性.實(shí)驗(yàn)選在北京地鐵一號(hào)線“萬壽路”站的站臺(tái)進(jìn)行測(cè)定，在其兩端距離邊緣1m處使 用 風(fēng) 速計(jì)對(duì)進(jìn)站和出站的列車分別進(jìn)行測(cè)定，然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.實(shí)驗(yàn)結(jié)果是當(dāng)?shù)罔F正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，無論是否有地鐵停站，發(fā)電機(jī)均

圖6　風(fēng)速與時(shí)間的關(guān)系

可使用，并可以點(diǎn)亮多個(gè)(4個(gè)以上)二極管，自制顫振式風(fēng)能發(fā)電機(jī)成功.

4結(jié)語

本作品的理論基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律，風(fēng)動(dòng)發(fā)電基于風(fēng)繞流固體時(shí)產(chǎn)生的卡門渦街原理而制作的.比起傳統(tǒng)的風(fēng)葉發(fā)電機(jī)， 利用這樣的原

理所制作的發(fā)電機(jī)有體積小的巨大優(yōu)勢(shì)， 在隧道內(nèi)部這樣狹小的空間內(nèi)可以大規(guī)模安裝.具有一定的數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì).同時(shí)，作為一個(gè)在地鐵隧道中運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，可以避免風(fēng)葉發(fā)電機(jī)因地鐵活塞風(fēng)隨時(shí)間改變風(fēng)向而影響運(yùn)行的這種弊端.本作品發(fā)電機(jī)可以在任何風(fēng)向下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，所以任何方向來的風(fēng)都是可以被本作品發(fā)電機(jī)利用而產(chǎn)生有效風(fēng)能的.基于這樣兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)此發(fā)電機(jī)在地鐵隧道內(nèi)進(jìn)行大批量的組裝，從而形成一個(gè)龐大的發(fā)電系統(tǒng)，可用于墻面廣告等諸多用電.未來，將對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行更深入的研究，究其外殼強(qiáng)度、薄膜材質(zhì)、發(fā)電線圈和磁鐵的比例等方面進(jìn)行深入探討，找到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)比例，發(fā)揮出其最大效率.該技術(shù)具有占用空間小、成本低、高回報(bào)的特點(diǎn)，極其適合各城市地鐵隧道中應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)

[1]Hansen.風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)[M].2版. 肖勁松,譯.北京： 中國(guó)電力出版社，2009：3.

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作者簡(jiǎn)介：魏京花,女，副教授,主要從事大學(xué)物理教學(xué)及光學(xué)研究. weijinghua@bucea.edu.cn

基金項(xiàng)目：北京建筑大學(xué)科研基金(項(xiàng)目號(hào)2011101103207).

收稿日期:2014-11-19