瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換自發(fā)電裝置的研究

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換自發(fā)電裝置的研究

王興偉，潘雨昂，張彥澤

（中國石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580）

現(xiàn)如今，能源短缺是全世界面臨的一個(gè)問題。生活用電的來源存在諸多問題，傳統(tǒng)的火力發(fā)電高污染、低利用率，所以電能生產(chǎn)迫切需要一系列可廣泛應(yīng)用于人類生活，并且低成本、零污染、無消耗的自發(fā)電裝置。

自發(fā)電裝置；瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)

瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換自發(fā)電裝置從日常生活入手，利用瞬時(shí)對調(diào)磁極的原理將日常生活中產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，用于輔助解決生活中小規(guī)模的用電問題，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。例如，將其安裝在人流量較大的公共場所的地表上，就能把人自身的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，從而達(dá)到節(jié)能發(fā)電的效果。

技術(shù)層面上，本裝置由磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。在閉合線圈面積不變條件下，本裝置通過改變磁場強(qiáng)度改變磁通量，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生電能。在結(jié)構(gòu)層面上，本裝置模塊由八個(gè)部分組成，當(dāng)裝置由自然狀態(tài)轉(zhuǎn)化到壓板壓下時(shí)，“E”型鐵芯的中部的磁感線由于瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換由出變?yōu)槿?，磁通量發(fā)生改變并生產(chǎn)出電能。整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，適用性廣，使用方便。

經(jīng)過拓展包裝，已經(jīng)在自發(fā)電電子秤、一種針對于特殊人群的防出走裝置、安全環(huán)衛(wèi)警示服等產(chǎn)品上進(jìn)行運(yùn)用?？梢钥闯?，本裝置能夠走進(jìn)生活，開拓一個(gè)新的電能生產(chǎn)領(lǐng)域。

1 研制背景及意義

在發(fā)電層面，生活中常用的火力發(fā)電方式存在諸多應(yīng)用限制條件以及使用弊端，它的運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)困難，在用水、燃料輸送、環(huán)境保護(hù)等有很大的限制。同時(shí)，運(yùn)用的成本高、融通性低。

在儲電層面，任何發(fā)電裝置都需要一個(gè)合適的儲電設(shè)備。各類電池在電能的存儲領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，而其內(nèi)部有毒物質(zhì)可能造成的環(huán)境污染問題不可輕視。廢電池?zé)o論在大氣中還是深埋在地下，其重金屬成分都會隨滲液溢出，造成地下水和土壤的污染。綜上所述，目前迫切需要一種適用性高、成本低且零污染、無消耗的自發(fā)電裝置。

在解決傳統(tǒng)發(fā)電裝置不貼近生活、高污染、多限制、依賴原料的問題上，本裝置出現(xiàn)。

2 設(shè)計(jì)方案

本裝置有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

（1）高可塑性，可適用于日常生活中的多個(gè)領(lǐng)域。

（2）滿足低成本、零污染、無消耗，切合節(jié)能減排的特點(diǎn)?，F(xiàn)階段占主導(dǎo)地位的火力發(fā)電消耗大量原料的同時(shí)也會產(chǎn)生難以估量的污染物質(zhì)，因此電能生產(chǎn)迫切需要一系列低成本、零污染、低消耗的自發(fā)電裝置。

2.1 發(fā)電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本裝置的發(fā)電原理為瞬時(shí)變換磁極以產(chǎn)生最大的磁通量改變。核心模塊由底板、“E”型鐵芯、固定軸、控制磁鐵、壓板、支撐桿、彈簧、線圈共八個(gè)部分組成，如圖1。

圖1 各部分結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)裝置處于自然狀態(tài)時(shí)，控制磁鐵4的兩極板塊的上表面分別與“E”型鐵芯上中板塊的下表面連在一起。當(dāng)本裝置收到外部力量按壓時(shí)，壓板5被壓下，此時(shí)控制磁鐵4的兩極板塊上表面與鐵芯下表面分離，而兩級板塊的下表面分別與“E”型鐵芯的中下板塊上表面連在一起。假設(shè)控制磁鐵的上板塊為“S”極，下板塊為“N”級，則“E”型鐵芯中部板塊的磁感線方向由“E”型鐵芯指向磁鐵，而在按壓過程中，由于瞬時(shí)磁極轉(zhuǎn)換，鐵芯中部板塊的磁感線方向轉(zhuǎn)化為由指磁鐵向“E”型鐵芯，從而改變磁通量實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目的。

2.2 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

發(fā)電裝置產(chǎn)生的電壓為交流電，故第一步使用整流橋電路將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓；在儲電裝置的選擇上，由于電容的充放電特性，采用電容進(jìn)行電量的儲存和釋放；同時(shí)加裝光敏電阻和繼電器電路，以適用于白天和黑夜的切換，如圖2。

圖2 電路部分設(shè)計(jì)思路

3 能源環(huán)境效益

發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，提高國際競爭力，降低環(huán)境成本的要求。2013年，我國五大發(fā)電集團(tuán)完成供電煤耗314.5克/千瓦時(shí)。如果全部使用本改進(jìn)裝置進(jìn)行發(fā)電，則每年節(jié)省的燃煤重量可通過下面公式進(jìn)行計(jì)算：

M=Q×a=3.63×108×314.5=1.14×1011克

=1.14×105噸

式中，M為每年可多節(jié)省的燃煤重量；Q為使用新型集熱器每年可增加的發(fā)電量；α為火力發(fā)電每千瓦時(shí)消耗標(biāo)準(zhǔn)煤耗質(zhì)量。

按照每燃燒1噸標(biāo)準(zhǔn)煤就產(chǎn)生二氧化碳1620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤計(jì)算，可多減排：

二氧化碳：1.14×105×1.620=1.85×105噸

二氧化碳：1.14×105×0.0085=969噸

氮氧化物：1.14×105×0.0074=844噸

從式中可以看出，如果全部使用本裝置改進(jìn)槽式太陽能發(fā)電，則每年可以多節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1.14×105噸，減排二氧化碳1.85×105噸，二氧化硫969噸，氮氧化物844噸，具有重要的節(jié)能減排意義。

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