周軒屹，肖增弘，晁越超，宋漢宇

(沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽 110136)

1 研究背景

流體流經(jīng)物體表面時會產(chǎn)生卡門渦街現(xiàn)象，雖然對于這個問題的研究 ，直到上世紀 70 年代才開始引起人們的極大關(guān)注和廣泛興趣，但是卡門渦街現(xiàn)象的價值是十分巨大的。在幾十年的發(fā)展過程中，針對卡門渦街現(xiàn)象的研究層出不窮，比如低雷諾數(shù)卡門渦街數(shù)值模擬和格子Boltmzmann數(shù)值方法；卡門渦街還被用來進行精密測量，70年代具有寬泛測量范圍和無活動檢測部件的精密測量儀器問世。這得益于瑞士人丹尼爾、意大利人文丘里、美國人謝赫赫爾、美國籍匈牙利人卡門等人的不斷貢獻。

隨著電力工程行業(yè)的不斷發(fā)展、微型發(fā)電機的推陳出新，近幾年來，利用卡門渦街現(xiàn)象發(fā)電越來越受到人們的重視。周云龍、劉起超利用卡門渦街將動能轉(zhuǎn)換成電能，并計算出最佳轉(zhuǎn)子長度，從而實現(xiàn)利用卡門渦街現(xiàn)象發(fā)電。由此可見，隨著社會的不斷進步，利用卡門渦街現(xiàn)象來進行發(fā)電將具有廣泛的實用價值和應用前景?？ㄩT渦街現(xiàn)象的能量源頭是清潔的風能，不消耗其他能源，不產(chǎn)生二次污染，在綠色環(huán)保和閑散資源應用上有著不可比擬的優(yōu)勢。但是作為獨立的微型發(fā)電裝置，如今還處于探索實驗階段。因此，不斷改進結(jié)構(gòu)，積累成熟經(jīng)驗是十分必要的一件事。

2 新型紗窗結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 新型紗窗結(jié)構(gòu)

基于卡門渦街現(xiàn)象原理發(fā)電的紗窗裝置原理如圖1所示。裝置由永磁鐵、彈簧導體、絕緣中軸、紗窗本體、窗紗、整流及儲能單元所構(gòu)成。永磁鐵以絕緣中軸為中心對稱分布，彈簧導體穿過絕緣中軸與紗窗本體進行連接。導線與整流儲能電路相連接，整個裝置用玻璃膠固定在紗窗本體上。布置范圍可以根據(jù)不同戶型、不同位置自由調(diào)整。與傳統(tǒng)紗窗相比，該裝置在工作時可以高效利用流經(jīng)紗窗附近的風能，充分利用了卡門渦街現(xiàn)象所產(chǎn)生的閑置機械能，并利用電磁感應原理將機械能高效率地轉(zhuǎn)化為電能，達到了節(jié)能環(huán)保的目的。

2.2 新型紗窗工作原理

將設(shè)計組裝完成的卡門渦街發(fā)電裝置固定在紗窗本體上，自然風在流經(jīng)紗窗附近時會產(chǎn)生卡門渦街現(xiàn)象，使得紗窗受迫振動，從而帶動彈簧導體線圈隨之振動，彈簧導體線圈切割永磁體生成的磁場產(chǎn)生感應電流。通過整流及儲能裝置進行收集，并將電路中的電能輸出到負載，至此完成機械能轉(zhuǎn)化成可用電能的整個過程。

利用卡門渦街現(xiàn)象發(fā)電的關(guān)鍵在于對風能的捕獲收集與轉(zhuǎn)換，這是實現(xiàn)機械能與電能高效轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。通過查閱文獻可知，自然風風力能達到輕風的風力等級(1.6～3.3 m/s)時，風力的充沛為實現(xiàn)利用卡門渦街現(xiàn)象發(fā)電提供了便利的基礎(chǔ)。通過實地測試，該裝置可以將自然風進行有效地收集并轉(zhuǎn)化成可用的電能。轉(zhuǎn)化的電能可以滿足大多數(shù)小型用電器的用電需求，還可以安裝輔助設(shè)備，如滅蚊燈、除塵網(wǎng)等設(shè)備，從而擴展應用途徑，提高能源利用率，達到節(jié)約能源、保護環(huán)境的目的。

與傳統(tǒng)的微型風力發(fā)電裝置相比，該裝置利用了卡門渦街現(xiàn)象所產(chǎn)生的振動機械能，提高了風能收集率與能量轉(zhuǎn)化效率，其工作原理流程如圖2所示。

圖2 新型紗窗工作原理流程

此外，該裝置還具有易組裝、易操作等特點，大大降低了使用門檻，便于大規(guī)模的推廣，產(chǎn)生的節(jié)能效果、經(jīng)濟效益都遠遠大于傳統(tǒng)微型風力發(fā)電裝置。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 實驗裝置相關(guān)設(shè)備選擇

彈簧導體線圈采用彈性良好、勁度系數(shù)小的高碳鋼彈簧，其中含碳量為0.60%～1.70%，因其導電性能良好，抗磨損能力較強，故可作為彈簧線圈材料。該彈簧線圈成對稱分布，即中凸型彈簧，中間處的彈簧線圈限制彈簧壓縮的范圍，在風力較大時候，起到保護紗窗的效果。

釹鐵硼(NdFeB)永磁材料是以金屬間化合物Nd2Fe14B為基礎(chǔ)的永磁材料。釹鐵硼具有極高的磁能積和矯頑力，可吸起相當于自身重量640倍的重物。高能量密度的優(yōu)點使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應用。結(jié)合設(shè)計中的要求，選擇合適的N-35型永磁體，能夠滿足設(shè)計要求與發(fā)電需要。

發(fā)電裝置與紗窗本體的粘接材料采用玻璃膠，玻璃膠的主要成分為硅酸鈉(Na2O·mSiO2)、醋酸以及有機性的硅酮，具有良好的介電性能，變定收縮率小，對金屬、非金屬表面都有良好的粘接強度，化學性能穩(wěn)定。整個裝置安裝完成后，通過彈簧形變量來觀察卡門渦街現(xiàn)象的振動。

3.2 實驗結(jié)果分析

在實驗中調(diào)節(jié)風速大小，根據(jù)彈簧形變量來衡量裝置的發(fā)電能力。每隔10 min測試一次產(chǎn)生的電量。通過matelab進行計算，得出不同風速下裝置的發(fā)電性能，初步估出該裝置的發(fā)電能力。

經(jīng)過實驗與細致的分析可知，卡門渦街引起的彈簧壓縮切割磁感線發(fā)電。在已知永磁鐵磁感應強度B和有效切割磁感線距離的情況下，只需要知道速度v,就能計算出該裝置的發(fā)電能力。在卡門渦街現(xiàn)象中，可由斯特勞哈爾數(shù)Sr與雷諾數(shù)Re的關(guān)系，得到風速與振動頻率的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 斯特勞哈爾數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系

在一定風速v下可得雷諾數(shù)，并由圖3可知雷諾數(shù)與斯特勞哈爾數(shù)的關(guān)系：

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得到彈簧導體切割磁感線的頻率，并確定其切割磁感線的速度：

E=BLV

(3)

V=2Lf

(4)

由式(1)(2)(3)(4)關(guān)系式可得：

(5)

為了高效地進行能量轉(zhuǎn)移，設(shè)計橋式整流電路進行穩(wěn)壓整流，并與紗窗發(fā)電裝置進行分析優(yōu)化，再根據(jù)實際情況，對電路進行相應調(diào)整。整流穩(wěn)壓電路如圖4所示。

圖4 整流穩(wěn)壓電路

選用鎳氫可充電電池進行能量收集。氫鎳電池具有高電荷密度，不需要典型的充電控制器和電壓校正器來組成電路，比鋰離子電池更加適合作為儲能元件。這樣的電池充電電路，設(shè)計簡單，并能達到要求的效果，省去了電能在收集過程中的損耗。

3.3 實驗效益分析

經(jīng)過試驗，在3～4級風速下，彈簧每進行一次簡諧運動所能產(chǎn)生的電能為5.7×10-3J,彈簧一次運動周期為 0.5 s，1 d平均可用風力時間為12 h。

正常情況下，1扇窗戶1 d可產(chǎn)生的電能為E=12×60×60×2×5.7×10-3=492.48 J。

1戶人家可用來安裝裝置的窗子按照3個來算，則1戶人家便可產(chǎn)生電能1 477.44 J。假設(shè)某區(qū)域有105戶人家，那么便可產(chǎn)生電能：

E=1 477.44×105×3.6×10-6=41.04 kW·h

按此地區(qū)105戶人家來算，每年可節(jié)約標準煤約：

41.04×365×0.32=4 793.472 t

4 結(jié) 語

通過實驗模型計算，該卡門渦街發(fā)電裝置在 12 h內(nèi)可以收集到 2 000 mA的電能為氫鎳電池充電，可以滿足一些小規(guī)模用電器的用電量，在一定程度上可以緩解用電壓力，節(jié)約能源。

該裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝維護方便。對于風能的收集、轉(zhuǎn)化、儲存過程無污染。作為一種將卡門渦街現(xiàn)象與風力發(fā)電相結(jié)合的綠色發(fā)電裝置，成功運用后能夠帶來可觀的電能回報，可以減少煤、石油等化石能源的使用，對改善環(huán)境污染問題有著深遠的意義。

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