法拉第电磁感应定律在薄膜风力发电机的应用实践

魏京花　黄山石

(1 北京建筑大学理学院，北京　102612；

2 北京建筑大学环境与能源学院，北京　102612)

法拉第电磁感应定律在薄膜风力发电机的应用实践

魏京花1黄山石2

(1北京建筑大学理学院，北京102612；

2北京建筑大学环境与能源学院，北京102612)

摘要环境与能源问题一直伴随着我国的经济发展.近年来，清洁能源成为了国民关注的热点.生活中大量未能被利用的风能更加成为热门.本文采用经典物理的基本定律——法拉第电磁感应定律，利用薄膜在气流中的振动原理将风能转化为机械能，进而转化为我们能使用的电能，并进行实物模拟，计算其可行性与发展价值.

关键词电磁感应定律；风能；发电机；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

伴随我国城市建设的高速发展，地铁已经遍布各大城市，地铁为我们的出行带来了巨大的便利.当我们走进地铁通道或地铁进站的过程中，会感到很强的风拂面而过，因而想到在地铁通道及隧道中存在大量未被利用的风能，如果能将这部分风能加以利用，则可以节省很多能耗.薄膜风力发电机就是在此大环境下应运而生的，其发明目的是开发一种可以应用在特殊环境下、高效、低成本且易推广的风能发电机，该作品在2013北京市教育系统节能减排创新成果征集活动中获创意作品类一等奖，在2013年“力诺瑞特”杯第六届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛中获三等奖.

1设计思路

作品是应用于特殊环境下的风力发电机，该发电机(实验阶段)是由发电机外壳，颤振薄膜，钕磁铁，线圈，控制器，显示器，光电码盘风速模块几部分组成的(见图1、图2).具体设计是将钕磁铁固定在带状薄膜的末端，位于两个感应线圈之间.当风通过薄膜，会基于气体绕流固体时的卡门涡街原理及法拉第电磁感应定律，使得薄膜产生一个周期性的颤振位移，从而带动磁铁震动，使两侧线圈切割磁感线(基于法拉第电磁感应定律)，产生交变电流.之后，再将产生的电流经过整流，输出直流电，供给显示器使用.

设计中的创新点即是磁铁薄膜颤振发电的这种独特的发电方式.我们摒弃了传统原有的垂直轴、水平轴发电机设计，风叶发电的模式，采用薄风力发电方式的意义在于这样的发电方式制作出来的发电机设备可以大规模地应用在如隧道这样的狭小空间里面，对比原有设计，在特殊环境下具有明显优势，由于体积小、成本低，可大量安装使用比传统的风叶发电机有更大的数量优势.

图1　发电机原理简图

图2　单机样品实物图片(俯视图)图2中：单个发电机长度为60cm，宽度为20cm，厚度为10cm.

2实物介绍

发电机模型由发电机壳，颤振薄膜，钕磁铁，线圈，控制器，显示器，光电码盘几部分组成.利用气动弹性颤振原理，当通过机壳吹动颤振薄膜，薄膜产生高频振动，带动膜上的磁铁做往复运动，进而发电.控制器和显示器则是用于实时监控并显示发电机所产生的电能和实时通过光电码盘风速模块测出的风速，控制器是一块Arduino Mega 2560控制器，显示器为LCD12864液晶点阵显示屏.通过Arduino的模拟接口，可以实时读取发电机所产生的电压，光电码盘风速模块则可以在显示器上输出当前的风速. Arduino控制器处理风速和电压信息后，实时输出其数值到LCD12864，并在屏幕获得数据，由于考虑到目前实验室阶段和后期在大量安装时的管理问题，可以使用USB线缆将数据实时回传至计算机，通过上位机进行管理.

2.1　发电机部件说明

2.1.1外壳

因为亚克力板具有容易切割和有一定结构强度的优势，故而实物样品的外壳选择透明的亚克力板为材料，之后的实验研究中，我们会改进制造工艺，会结合成本、加工难易度及寿命等问题，考虑选择铝镁合金或聚碳酸酯作为外壳的主材料.并实验改进其外形，将其改进为更符合流体动力学的形状，提高其风能利用效率.同时改进其结构设计，增大其自身稳定性，并尽可能减少原材料浪费，降低加工难度.

2.1.2薄膜、线圈、磁铁

薄膜一直是研究的重点和难点所在，也是发电机的核心所在，直接影响着发电机的效率.由于薄膜是风能与机械能转化的媒介，所以薄膜要具有质量轻、有弹性、频率高、振动快、寿命长的特点外，由于在一端固定了较重的钕磁铁，还需要薄膜有一定的强度和韧性能带动磁铁运动，本作品薄膜采用硅胶膜材料.

线圈和磁铁的安装也同样对发电机的效率有所影响，由于磁铁在薄膜上运动时，并非垂直的上下运动，而是以固定薄膜支点为圆心的弧上进行往复运动，要想获得最大的磁通量变化，故而将线圈成一定角度的安装至磁铁两端，如图3所示.

图3　实物照片(线圈及振动磁铁部分)

2.1.3整流桥

由于线圈和磁铁发生磁电感应时产生的电流是交变电流，为了正确点亮LED，需要对线圈产生的电流进行一次整流，将交流转变为直流(见图4). 我们使用的整流桥是最为常见的桥式整流电路，电路由4个锗管组成，利用锗管的单向导通性，将交流转变为直流.由于现在市场中的二极管的压降较高，导致整个整流桥的自损耗过大，造成电能的浪费，所以采用锗管而不是一般整流桥所使用的二极管.考虑到两组线圈产生交流电相位差的问题，两组线圈不能直接简单的并联，而是将两组线圈分别进行整流后，再对其进行并联.同时，为了稳定电流，目前简单地并联了一组3个16V 220uF 的电解电容，经过实际测量，线圈的产生的电能，在经过整流桥和滤波电容后，总体损失较低.

图4　整流桥电路图

2.1.4控制器与显示器

控制器选用的是Arduino Mega 2560，显示器为LCD12864液晶点阵显示屏(见图5).通过Arduino的模拟接口，可以实时读取发电机所产生的电压，并可将数据回传至上位机，在进行实际安装时，可以通过PC方便地对下位机进行管理和监控.我们的单片机使用面向对象的C++语言编写，开发环境Aruino 1.0.4，选用可视化的编程环境Microsoft Visual Basic 6.0(以下简称VB6) 编写了上位机，并在Win7 Ult x64系统下通过运行.使用了“控件数组”、“模块”，并编写了“用户控件”，来大幅度地减少代码行数， 并进行了算法优化.作品使用MSCOMM32的控件实现Arduino单片机与上位机的Com串口通讯，将数据进行交换.

图5　实物照片(控制器：Arduino Mega和LCD12864)

3实验与测量

3.1　北京地铁风速测量与分析

为了验证地铁风速是否足够大，从而产生可观的电力输出.对此，我们设计了“地铁风能测定”实验：

1) 实验目的

实地测量地铁内风速，以证实地铁内利用风能发电的理论可行性.

2) 实验器材

风速计、卷尺、计算机、摄像机(用摄像机纪录了25s内风速计所测量的数据)、三脚架.

3) 实验方法

由于北京地铁一号线没有安装防护门，所以我们选用北京地铁一号线的站台进行测量，在两端距离边缘1m处使用风速计对进站和出站的列车分别进行测量，然后对获得的数据进行分析.

4) 实验结果

我们分别在列车出入站时测算25s内的瞬时风速，获得了一组数据并计算其在单位面积内的能量.

进站平均风速约等于：14.1m/s，出站平均风速约等于：9.3m/s.由风能公式[1]

E=1/2(ρ tSv3)

式中，ρ为空气密度(kg/m3)；v为风速(m/s)；t为时间(s)；S为截面面积(m2)

由上式得知，风能与空气密度ρ，通过面积与风速的立方成正比，由于安全问题，隧道宽度无法测量，风速随时间变化，我们估算每辆车通过站台时的单位面积的风能超过15kJ，如果在隧道内应大于这个数值.尤其是进站时的最大风速已经达到了18.2m/s.该风速已经达到了发电要求，地铁中的风力满足发电条件，可以加以利用.

3.2发电机在地铁环境中的实际运行测试

用自制颤振式风能发电机证实地铁内利用风能发电的理论可行性.实验选在北京地铁一号线“万寿路”站的站台进行测定，在其两端距离边缘1m处使 用 风 速计对进站和出站的列车分别进行测定，然后对获得的数据进行分析.实验结果是当地铁正常运营时，无论是否有地铁停站，发电机均

图6　风速与时间的关系

可使用，并可以点亮多个(4个以上)二极管，自制颤振式风能发电机成功.

4结语

本作品的理论基础是法拉第电磁感应定律，风动发电基于风绕流固体时产生的卡门涡街原理而制作的.比起传统的风叶发电机， 利用这样的原

理所制作的发电机有体积小的巨大优势， 在隧道内部这样狭小的空间内可以大规模安装.具有一定的数量优势.同时，作为一个在地铁隧道中运行的发电机，可以避免风叶发电机因地铁活塞风随时间改变风向而影响运行的这种弊端.本作品发电机可以在任何风向下进行运转，所以任何方向来的风都是可以被本作品发电机利用而产生有效风能的.基于这样两个优势，可以对此发电机在地铁隧道内进行大批量的组装，从而形成一个庞大的发电系统，可用于墙面广告等诸多用电.未来，将对发电机进行更深入的研究，究其外壳强度、薄膜材质、发电线圈和磁铁的比例等方面进行深入探讨，找到最优化的设计比例，发挥出其最大效率.该技术具有占用空间小、成本低、高回报的特点，极其适合各城市地铁隧道中应用.

参考文献

[1]Hansen.风力机空气动力学[M].2版. 肖劲松,译.北京： 中国电力出版社，2009：3.

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作者简介：魏京花,女，副教授,主要从事大学物理教学及光学研究. weijinghua@bucea.edu.cn

基金项目：北京建筑大学科研基金(项目号2011101103207).

收稿日期:2014-11-19