基于卡门涡街现象发电的新型纱窗

周轩屹，肖增弘，晁越超，宋汉宇

(沈阳工程学院 能源与动力学院，辽宁 沈阳 110136)

1 研究背景

流体流经物体表面时会产生卡门涡街现象，虽然对于这个问题的研究 ，直到上世纪 70 年代才开始引起人们的极大关注和广泛兴趣，但是卡门涡街现象的价值是十分巨大的。在几十年的发展过程中，针对卡门涡街现象的研究层出不穷，比如低雷诺数卡门涡街数值模拟和格子Boltmzmann数值方法；卡门涡街还被用来进行精密测量，70年代具有宽泛测量范围和无活动检测部件的精密测量仪器问世。这得益于瑞士人丹尼尔、意大利人文丘里、美国人谢赫赫尔、美国籍匈牙利人卡门等人的不断贡献。

随着电力工程行业的不断发展、微型发电机的推陈出新，近几年来，利用卡门涡街现象发电越来越受到人们的重视。周云龙、刘起超利用卡门涡街将动能转换成电能，并计算出最佳转子长度，从而实现利用卡门涡街现象发电。由此可见，随着社会的不断进步，利用卡门涡街现象来进行发电将具有广泛的实用价值和应用前景。卡门涡街现象的能量源头是清洁的风能，不消耗其他能源，不产生二次污染，在绿色环保和闲散资源应用上有着不可比拟的优势。但是作为独立的微型发电装置，如今还处于探索实验阶段。因此，不断改进结构，积累成熟经验是十分必要的一件事。

2 新型纱窗结构及工作原理

2.1 新型纱窗结构

基于卡门涡街现象原理发电的纱窗装置原理如图1所示。装置由永磁铁、弹簧导体、绝缘中轴、纱窗本体、窗纱、整流及储能单元所构成。永磁铁以绝缘中轴为中心对称分布，弹簧导体穿过绝缘中轴与纱窗本体进行连接。导线与整流储能电路相连接，整个装置用玻璃胶固定在纱窗本体上。布置范围可以根据不同户型、不同位置自由调整。与传统纱窗相比，该装置在工作时可以高效利用流经纱窗附近的风能，充分利用了卡门涡街现象所产生的闲置机械能，并利用电磁感应原理将机械能高效率地转化为电能，达到了节能环保的目的。

2.2 新型纱窗工作原理

将设计组装完成的卡门涡街发电装置固定在纱窗本体上，自然风在流经纱窗附近时会产生卡门涡街现象，使得纱窗受迫振动，从而带动弹簧导体线圈随之振动，弹簧导体线圈切割永磁体生成的磁场产生感应电流。通过整流及储能装置进行收集，并将电路中的电能输出到负载，至此完成机械能转化成可用电能的整个过程。

利用卡门涡街现象发电的关键在于对风能的捕获收集与转换，这是实现机械能与电能高效转化的关键。通过查阅文献可知，自然风风力能达到轻风的风力等级(1.6～3.3 m/s)时，风力的充沛为实现利用卡门涡街现象发电提供了便利的基础。通过实地测试，该装置可以将自然风进行有效地收集并转化成可用的电能。转化的电能可以满足大多数小型用电器的用电需求，还可以安装辅助设备，如灭蚊灯、除尘网等设备，从而扩展应用途径，提高能源利用率，达到节约能源、保护环境的目的。

与传统的微型风力发电装置相比，该装置利用了卡门涡街现象所产生的振动机械能，提高了风能收集率与能量转化效率，其工作原理流程如图2所示。

图2 新型纱窗工作原理流程

此外，该装置还具有易组装、易操作等特点，大大降低了使用门槛，便于大规模的推广，产生的节能效果、经济效益都远远大于传统微型风力发电装置。

3 实验结果与分析

3.1 实验装置相关设备选择

弹簧导体线圈采用弹性良好、劲度系数小的高碳钢弹簧，其中含碳量为0.60%～1.70%，因其导电性能良好，抗磨损能力较强，故可作为弹簧线圈材料。该弹簧线圈成对称分布，即中凸型弹簧，中间处的弹簧线圈限制弹簧压缩的范围，在风力较大时候，起到保护纱窗的效果。

钕铁硼(NdFeB)永磁材料是以金属间化合物Nd2Fe14B为基础的永磁材料。钕铁硼具有极高的磁能积和矫顽力，可吸起相当于自身重量640倍的重物。高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用。结合设计中的要求，选择合适的N-35型永磁体，能够满足设计要求与发电需要。

发电装置与纱窗本体的粘接材料采用玻璃胶，玻璃胶的主要成分为硅酸钠(Na2O·mSiO2)、醋酸以及有机性的硅酮，具有良好的介电性能，变定收缩率小，对金属、非金属表面都有良好的粘接强度，化学性能稳定。整个装置安装完成后，通过弹簧形变量来观察卡门涡街现象的振动。

3.2 实验结果分析

在实验中调节风速大小，根据弹簧形变量来衡量装置的发电能力。每隔10 min测试一次产生的电量。通过matelab进行计算，得出不同风速下装置的发电性能，初步估出该装置的发电能力。

经过实验与细致的分析可知，卡门涡街引起的弹簧压缩切割磁感线发电。在已知永磁铁磁感应强度B和有效切割磁感线距离的情况下，只需要知道速度v,就能计算出该装置的发电能力。在卡门涡街现象中，可由斯特劳哈尔数Sr与雷诺数Re的关系，得到风速与振动频率的关系，如图3所示。

图3 斯特劳哈尔数与雷诺数的关系

在一定风速v下可得雷诺数，并由图3可知雷诺数与斯特劳哈尔数的关系：

(1)

(2)

由式(1)和(2)可得到弹簧导体切割磁感线的频率，并确定其切割磁感线的速度：

E=BLV

(3)

V=2Lf

(4)

由式(1)(2)(3)(4)关系式可得：

(5)

为了高效地进行能量转移，设计桥式整流电路进行稳压整流，并与纱窗发电装置进行分析优化，再根据实际情况，对电路进行相应调整。整流稳压电路如图4所示。

图4 整流稳压电路

选用镍氢可充电电池进行能量收集。氢镍电池具有高电荷密度，不需要典型的充电控制器和电压校正器来组成电路，比锂离子电池更加适合作为储能元件。这样的电池充电电路，设计简单，并能达到要求的效果，省去了电能在收集过程中的损耗。

3.3 实验效益分析

经过试验，在3～4级风速下，弹簧每进行一次简谐运动所能产生的电能为5.7×10-3J,弹簧一次运动周期为 0.5 s，1 d平均可用风力时间为12 h。

正常情况下，1扇窗户1 d可产生的电能为E=12×60×60×2×5.7×10-3=492.48 J。

1户人家可用来安装装置的窗子按照3个来算，则1户人家便可产生电能1 477.44 J。假设某区域有105户人家，那么便可产生电能：

E=1 477.44×105×3.6×10-6=41.04 kW·h

按此地区105户人家来算，每年可节约标准煤约：

41.04×365×0.32=4 793.472 t

4 结 语

通过实验模型计算，该卡门涡街发电装置在 12 h内可以收集到 2 000 mA的电能为氢镍电池充电，可以满足一些小规模用电器的用电量，在一定程度上可以缓解用电压力，节约能源。

该装置设计结构简单、成本低、安装维护方便。对于风能的收集、转化、储存过程无污染。作为一种将卡门涡街现象与风力发电相结合的绿色发电装置，成功运用后能够带来可观的电能回报，可以减少煤、石油等化石能源的使用，对改善环境污染问题有着深远的意义。

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