物理 与工 程Vo 1 ． 2 5 No ． 2 2 0 1 5 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 ( 北 京建 筑大 学理学 院 ， 北 京 1 0 2 6 1 2 ； 北 京建 筑大 学环境 与 能源 学院 ， 北 京 1 0 2 6 1 2 ) 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 APPLI CATI oN oF FARADAY ELECTROM AGNETI C I NDUCTI ON LAW I N THE FI LM W I ND GENERATOR W e i J i ng h u a Hua ng S ha n s hi ( C o l l e g e o f S c i e n c e ； S c h o o l o f E n v i o r n me n t a n d E n e r g y E n g in e e r i n g ，B e ij in g Un i v e r s i t y o f C i v i l E n g in e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ，B e 自 i n g 1 0 2 6 1 2 ) Abs t r a c t The e c o no mi c d e v e l o p m e nt i s a l wa y s a c c ompa ni e d by t he p r ob l e m o f e n v i r on m e nt a nd e ne r g y s ou r c e s i n ou r c o un t r y ．I n r e c e n t y e a r s，c l e a n e n e r gy h a s b e c ome a f o c us o f n a t i o n — a l a t t e nt i on ．The wi nd e n e r g y，whi c h h a s n o t be e n u s e d t O l i f e，b e c o m e s mor e p o pu l a r ． Us i ng t h e b a s i c l a w o f F a r a d a y e l e c t r o ma g n e t i c i n d u c t i o n i n c l a s s i c a l p h y s i c s ，t h i s a r t i c l e ma i n l y e x — p l o r e t h e p r o j e c t o f c o n v e r t i n g t h e wi n d e n e r g y i n t o me c h a n i c a l e n e r g y b y u t i l i z i n g t h e v i b r a — t i o n pr i nc i pl e o f t he f i l m i n a i r s t r e a m ，a nd c on v e r t i n g m e c h a ni c a l e ne r g y i nt o e l e c t r i c e ne r gy， whi c h c a n be us e d d i r e c t l y b y U S ．Ba s e d o n p r a c t i c a l s i mul a t i o n，t h e f e a s i bi l i t y a nd v a l u e of de — v e l o pme n t we r e c a l c u l a t e d． Ke y wo r ds e l e c t r o ma gn e t i c i n duc t i on l a w ；wi n d po we r ；ge n e r a t or ；t u nn e l ；f i l m ma t e r i a l s 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 2 0 1 3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 2 0 1 3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 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 — 1 卜1 9 基金项 目： 北京建筑大学科研基金( 项 目号 2 0 1 1 1 0 1 1 0 3 2 0 7 ) ． 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 ．w e ij i n g h u a @b u c e a ． e d u ． c n 物理 与工程Vo 1 ． 2 5 No ． 2 2 0 1 5 一至 ( 1 1 ) 方 向与外力 F方 向相 同 ， 沿 着切 线方 向． 在 质心 坐标 系 中 ， 杆 子 绕 质 心 C转 动 的转 动 定 律 为 F( b— E2 )一ml d ( 1 2 ) 则 ， 0点 的绝对 切 向加速 度为 ao—ac 一 一 一 鱼 ( 1 3 ) 一一 一m—— 广 将 ( ) 点 绝对切 向加 速 度 为零 ， 代 人 公 式 ( 1 3 ) 可 得 打 击 中心位 置 b一 z ． 以上 4种 方 法 分 析 过 程 不 同 ， 但 得 出的 杆 子 打 击 中心位 置却是 相 同的． 4 应 用 刚体 定轴 转动 时 的打击 中心 ， 在体 育 运 动 、 日 常 生活 中都 有 着 广 泛 的 应 用． 在 有 击 球 的 体 育 项 目中 ， 如使 用 羽毛球 拍 、 乒 乓 球拍 、 棒 球 棒 时 ， 当球 击 中器械 的 打 击 中心 时 ， 可 使 握 器 械 的 手腕 受 到 反作用力冲击而致痛或受伤的几率减小到最低 限 度． 且当运动员扣球或踢球时 ， 若使其上下肢屈 曲 成 一定 的角 度 ， 恰 巧让 打击 中心在 腕 部 或踝 部 ， 踢 球 或扣球 时其 肩 关 节 或 髓 关 节 的 关 节 反 力 最 小 ， 乃 至等 于零 ， 有 助 于有 效 避 免 该 关 节 处 产 生 运 动 损 伤 ， 这 在体 育技 术 的运动 中有 重要 意义 j ． 同样 ， 在 日常 生活 中 ， 无 论 是使 用 锤 子 敲打 夯 击 _ 5 ] 、 锄 头锄 地 、 斧 头 劈 柴 还 是 刀 剁 骨 头 ， 都 要 找 一个 打击 中心 ， 这 样握 手 的地 方震 感最 低 ， 感 觉 最 舒 服 ， 也 最不 容易 磨 出泡． 参 考 文 献 [ 1 ] 赵强 ， 刘丹东．定点转动细杆在轴处 不受力 的条件E J ] ． 物理 与 工 程 ， 2 0 0 2 ， 1 2 ( 4 ) ：1 5 ， 1 9 ． [ 2 ] 周瑞 雪．对几种不 常见刚体转 动惯量 的研究[ J ] ． 物理 与工 程 ，2 01 2，2 2 ( 5 )：l 9 - 2 1， 2 9 ． [ 3 ] 赵凯华， 罗蔚茵． 新概念物理教程力学[ M] ． 2版．北京 ： 高等 教育 出版社 ， 2 0 0 4 ： 1 5 7 - 1 5 9 ． [ 4 ] 杨 洁， 郑建岳．人体上下肢中心在体育实践 中应用 的理论研 究 [ J ] ． 浙江师大学报 自然科学版 ， 1 9 9 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 6 8 — 7 1 ． i s ] 谭青 ， 张芙蓉．锤式 破碎机 销轴 冲击 实验研 究 [ J ] ． 矿 冶工 程 ， 2 0 0 0， 2 0( 1 )： 3 6 - 3 7 ． ■ ( 上接第 7 3页) ．． ／ ＼ ／ - 、 ‘ 一 ／ _＼ ． 1 3 5 7 9 l 1 1 3 l 5 1 7 1 9 2 l 2 3 2 5 —- 一风速( 前) ／ ( m-s )—· 一 风速( 后) m·s 一 ) 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 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 问 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人 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 本作 品的理 论 基 础 是 法 拉 第 电磁 感 应 定 律 ， E 1 ] H ．风力机空气动力学 [ M] ． 2版．肖劲松 ， 译． 北京 ：中 风 动发 电基 于风绕 流 固体 时产 生 的卡 门 涡街 原 理 国电 力出 版社。