法拉第電磁感應定律在薄膜風力發電機的應用實踐

魏京花　黃山石

(1 北京建筑大學理學院，北京　102612；

2 北京建筑大學環境與能源學院，北京　102612)

法拉第電磁感應定律在薄膜風力發電機的應用實踐

魏京花1黃山石2

(1北京建筑大學理學院，北京102612；

2北京建筑大學環境與能源學院，北京102612)

摘要環境與能源問題一直伴隨著我國的經濟發展.近年來，清潔能源成為了國民關注的熱點.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化為機械能，進而轉化為我們能使用的電能，并進行實物模擬，計算其可行性與發展價值.

關鍵詞電磁感應定律；風能；發電機；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展，地鐵已經遍布各大城市，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，則可以節省很多能耗.薄膜風力發電機就是在此大環境下應運而生的，其發明目的是開發一種可以應用在特殊環境下、高效、低成本且易推廣的風能發電機，該作品在2013北京市教育系統節能減排創新成果征集活動中獲創意作品類一等獎，在2013年“力諾瑞特”杯第六屆全國大學生節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境下的風力發電機，該發電機(實驗階段)是由發電機外殼，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，使得薄膜產生一個周期性的顫振位移，從而帶動磁鐵震動，使兩側線圈切割磁感線(基于法拉第電磁感應定律)，產生交變電流.之后，再將產生的電流經過整流，輸出直流電，供給顯示器使用.

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

圖1　發電機原理簡圖

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

2實物介紹

發電機模型由發電機殼，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，薄膜產生高頻振動，帶動膜上的磁鐵做往復運動，進而發電.控制器和顯示器則是用于實時監控并顯示發電機所產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，可以實時讀取發電機所產生的電壓，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，實時輸出其數值到LCD12864，并在屏幕獲得數據，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線纜將數據實時回傳至計算機，通過上位機進行管理.

2.1　發電機部件說明

2.1.1外殼

因為亞克力板具有容易切割和有一定結構強度的優勢，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.同時改進其結構設計，增大其自身穩定性，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，也是發電機的核心所在，直接影響著發電機的效率.由于薄膜是風能與機械能轉化的媒介，所以薄膜要具有質量輕、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

由于線圈和磁鐵發生磁電感應時產生的電流是交變電流，為了正確點亮LED，需要對線圈產生的電流進行一次整流，將交流轉變為直流(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，利用鍺管的單向導通性，將交流轉變為直流.由于現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.考慮到兩組線圈產生交流電相位差的問題，兩組線圈不能直接簡單的并聯，而是將兩組線圈分別進行整流后，再對其進行并聯.同時，為了穩定電流，目前簡單地并聯了一組3個16V 220uF 的電解電容，經過實際測量，線圈的產生的電能，在經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，可以實時讀取發電機所產生的電壓，并可將數據回傳至上位機，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控.我們的單片機使用面向對象的C++語言編寫，開發環境Aruino 1.0.4，選用可視化的編程環境Microsoft Visual Basic 6.0(以下簡稱VB6) 編寫了上位機，并在Win7 Ult x64系統下通過運行.使用了“控件數組”、“模塊”，并編寫了“用戶控件”，來大幅度地減少代碼行數， 并進行了算法優化.作品使用MSCOMM32的控件實現Arduino單片機與上位機的Com串口通訊，將數據進行交換.

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

實地測量地鐵內風速，以證實地鐵內利用風能發電的理論可行性.

2) 實驗器材

風速計、卷尺、計算機、攝像機(用攝像機紀錄了25s內風速計所測量的數據)、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，然后對獲得的數據進行分析.

4) 實驗結果

我們分別在列車出入站時測算25s內的瞬時風速，獲得了一組數據并計算其在單位面積內的能量.

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，如果在隧道內應大于這個數值.尤其是進站時的最大風速已經達到了18.2m/s.該風速已經達到了發電要求，地鐵中的風力滿足發電條件，可以加以利用.

3.2發電機在地鐵環境中的實際運行測試

用自制顫振式風能發電機證實地鐵內利用風能發電的理論可行性.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，然后對獲得的數據進行分析.實驗結果是當地鐵正常運營時，無論是否有地鐵停站，發電機均

圖6　風速與時間的關系

可使用，并可以點亮多個(4個以上)二極管，自制顫振式風能發電機成功.

4結語

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

理所制作的發電機有體積小的巨大優勢， 在隧道內部這樣狹小的空間內可以大規模安裝.具有一定的數量優勢.同時，作為一個在地鐵隧道中運行的發電機，可以避免風葉發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.本作品發電機可以在任何風向下進行運轉，所以任何方向來的風都是可以被本作品發電機利用而產生有效風能的.基于這樣兩個優勢，可以對此發電機在地鐵隧道內進行大批量的組裝，從而形成一個龐大的發電系統，可用于墻面廣告等諸多用電.未來，將對發電機進行更深入的研究，究其外殼強度、薄膜材質、發電線圈和磁鐵的比例等方面進行深入探討，找到最優化的設計比例，發揮出其最大效率.該技術具有占用空間小、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