魏京花　黃山石

(1 北京建筑大學理學院，北京　102612；

2 北京建筑大學環(huán)境與能源學院，北京　102612)

法拉第電磁感應定律在薄膜風力發(fā)電機的應用實踐

魏京花1黃山石2

(1北京建筑大學理學院，北京102612；

2北京建筑大學環(huán)境與能源學院，北京102612)

摘要環(huán)境與能源問題一直伴隨著我國的經(jīng)濟發(fā)展.近年來，清潔能源成為了國民關(guān)注的熱點.生活中大量未能被利用的風能更加成為熱門.本文采用經(jīng)典物理的基本定律——法拉第電磁感應定律，利用薄膜在氣流中的振動原理將風能轉(zhuǎn)化為機械能，進而轉(zhuǎn)化為我們能使用的電能，并進行實物模擬，計算其可行性與發(fā)展價值.

關(guān)鍵詞電磁感應定律；風能；發(fā)電機；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

伴隨我國城市建設的高速發(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.當我們走進地鐵通道或地鐵進站的過程中，會感到很強的風拂面而過，因而想到在地鐵通道及隧道中存在大量未被利用的風能，如果能將這部分風能加以利用，則可以節(jié)省很多能耗.薄膜風力發(fā)電機就是在此大環(huán)境下應運而生的，其發(fā)明目的是開發(fā)一種可以應用在特殊環(huán)境下、高效、低成本且易推廣的風能發(fā)電機，該作品在2013北京市教育系統(tǒng)節(jié)能減排創(chuàng)新成果征集活動中獲創(chuàng)意作品類一等獎，在2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽中獲三等獎.

1設計思路

作品是應用于特殊環(huán)境下的風力發(fā)電機，該發(fā)電機(實驗階段)是由發(fā)電機外殼，顫振薄膜，釹磁鐵，線圈，控制器，顯示器，光電碼盤風速模塊幾部分組成的(見圖1、圖2).具體設計是將釹磁鐵固定在帶狀薄膜的末端，位于兩個感應線圈之間.當風通過薄膜，會基于氣體繞流固體時的卡門渦街原理及法拉第電磁感應定律，使得薄膜產(chǎn)生一個周期性的顫振位移，從而帶動磁鐵震動，使兩側(cè)線圈切割磁感線(基于法拉第電磁感應定律)，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.

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

圖1　發(fā)電機原理簡圖

圖2　單機樣品實物圖片(俯視圖)圖2中：單個發(fā)電機長度為60cm，寬度為20cm，厚度為10cm.

2實物介紹

發(fā)電機模型由發(fā)電機殼，顫振薄膜，釹磁鐵，線圈，控制器，顯示器，光電碼盤幾部分組成.利用氣動彈性顫振原理，當通過機殼吹動顫振薄膜，薄膜產(chǎn)生高頻振動，帶動膜上的磁鐵做往復運動，進而發(fā)電.控制器和顯示器則是用于實時監(jiān)控并顯示發(fā)電機所產(chǎn)生的電能和實時通過光電碼盤風速模塊測出的風速，控制器是一塊Arduino Mega 2560控制器，顯示器為LCD12864液晶點陣顯示屏.通過Arduino的模擬接口，可以實時讀取發(fā)電機所產(chǎn)生的電壓，光電碼盤風速模塊則可以在顯示器上輸出當前的風速. Arduino控制器處理風速和電壓信息后，實時輸出其數(shù)值到LCD12864，并在屏幕獲得數(shù)據(jù)，由于考慮到目前實驗室階段和后期在大量安裝時的管理問題，可以使用USB線纜將數(shù)據(jù)實時回傳至計算機，通過上位機進行管理.

2.1　發(fā)電機部件說明

2.1.1外殼

因為亞克力板具有容易切割和有一定結(jié)構(gòu)強度的優(yōu)勢，故而實物樣品的外殼選擇透明的亞克力板為材料，之后的實驗研究中，我們會改進制造工藝，會結(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.并實驗改進其外形，將其改進為更符合流體動力學的形狀，提高其風能利用效率.同時改進其結(jié)構(gòu)設計，增大其自身穩(wěn)定性，并盡可能減少原材料浪費，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和難點所在，也是發(fā)電機的核心所在，直接影響著發(fā)電機的效率.由于薄膜是風能與機械能轉(zhuǎn)化的媒介，所以薄膜要具有質(zhì)量輕、有彈性、頻率高、振動快、壽命長的特點外，由于在一端固定了較重的釹磁鐵，還需要薄膜有一定的強度和韌性能帶動磁鐵運動，本作品薄膜采用硅膠膜材料.

線圈和磁鐵的安裝也同樣對發(fā)電機的效率有所影響，由于磁鐵在薄膜上運動時，并非垂直的上下運動，而是以固定薄膜支點為圓心的弧上進行往復運動，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　實物照片(線圈及振動磁鐵部分)

2.1.3整流橋

由于線圈和磁鐵發(fā)生磁電感應時產(chǎn)生的電流是交變電流，為了正確點亮LED，需要對線圈產(chǎn)生的電流進行一次整流，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個鍺管組成，利用鍺管的單向?qū)ㄐ?，將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?由于現(xiàn)在市場中的二極管的壓降較高，導致整個整流橋的自損耗過大，造成電能的浪費，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單的并聯(lián)，而是將兩組線圈分別進行整流后，再對其進行并聯(lián).同時，為了穩(wěn)定電流，目前簡單地并聯(lián)了一組3個16V 220uF 的電解電容，經(jīng)過實際測量，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LCD12864液晶點陣顯示屏(見圖5).通過Arduino的模擬接口，可以實時讀取發(fā)電機所產(chǎn)生的電壓，并可將數(shù)據(jù)回傳至上位機，在進行實際安裝時，可以通過PC方便地對下位機進行管理和監(jiān)控.我們的單片機使用面向?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(以下簡稱VB6) 編寫了上位機，并在Win7 Ult x64系統(tǒng)下通過運行.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)， 并進行了算法優(yōu)化.作品使用MSCOMM32的控件實現(xiàn)Arduino單片機與上位機的Com串口通訊，將數(shù)據(jù)進行交換.

圖5　實物照片(控制器：Arduino Mega和LCD12864)

3實驗與測量

3.1　北京地鐵風速測量與分析

為了驗證地鐵風速是否足夠大，從而產(chǎn)生可觀的電力輸出.對此，我們設計了“地鐵風能測定”實驗：

1) 實驗目的

實地測量地鐵內(nèi)風速，以證實地鐵內(nèi)利用風能發(fā)電的理論可行性.

2) 實驗器材

風速計、卷尺、計算機、攝像機(用攝像機紀錄了25s內(nèi)風速計所測量的數(shù)據(jù))、三腳架.

3) 實驗方法

由于北京地鐵一號線沒有安裝防護門，所以我們選用北京地鐵一號線的站臺進行測量，在兩端距離邊緣1m處使用風速計對進站和出站的列車分別進行測量，然后對獲得的數(shù)據(jù)進行分析.

4) 實驗結(jié)果

我們分別在列車出入站時測算25s內(nèi)的瞬時風速，獲得了一組數(shù)據(jù)并計算其在單位面積內(nèi)的能量.

進站平均風速約等于：14.1m/s，出站平均風速約等于：9.3m/s.由風能公式[1]

E=1/2(ρ tSv3)

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

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

3.2發(fā)電機在地鐵環(huán)境中的實際運行測試

用自制顫振式風能發(fā)電機證實地鐵內(nèi)利用風能發(fā)電的理論可行性.實驗選在北京地鐵一號線“萬壽路”站的站臺進行測定，在其兩端距離邊緣1m處使 用 風 速計對進站和出站的列車分別進行測定，然后對獲得的數(shù)據(jù)進行分析.實驗結(jié)果是當?shù)罔F正常運營時，無論是否有地鐵停站，發(fā)電機均

圖6　風速與時間的關(guān)系

可使用，并可以點亮多個(4個以上)二極管，自制顫振式風能發(fā)電機成功.

4結(jié)語

本作品的理論基礎是法拉第電磁感應定律，風動發(fā)電基于風繞流固體時產(chǎn)生的卡門渦街原理而制作的.比起傳統(tǒng)的風葉發(fā)電機， 利用這樣的原

理所制作的發(fā)電機有體積小的巨大優(yōu)勢， 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)量優(yōu)勢.同時，作為一個在地鐵隧道中運行的發(fā)電機，可以避免風葉發(fā)電機因地鐵活塞風隨時間改變風向而影響運行的這種弊端.本作品發(fā)電機可以在任何風向下進行運轉(zhuǎn)，所以任何方向來的風都是可以被本作品發(fā)電機利用而產(chǎn)生有效風能的.基于這樣兩個優(yōu)勢，可以對此發(fā)電機在地鐵隧道內(nèi)進行大批量的組裝，從而形成一個龐大的發(fā)電系統(tǒng)，可用于墻面廣告等諸多用電.未來，將對發(fā)電機進行更深入的研究，究其外殼強度、薄膜材質(zhì)、發(fā)電線圈和磁鐵的比例等方面進行深入探討，找到最優(yōu)化的設計比例，發(fā)揮出其最大效率.該技術(shù)具有占用空間小、成本低、高回報的特點，極其適合各城市地鐵隧道中應用.

參考文獻

[1]Hansen.風力機空氣動力學[M].2版. 肖勁松,譯.北京： 中國電力出版社，2009：3.

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作者簡介：魏京花,女，副教授,主要從事大學物理教學及光學研究. weijinghua@bucea.edu.cn

基金項目：北京建筑大學科研基金(項目號2011101103207).

收稿日期:2014-11-19