外文翻译-- 城市电力基础设施研究案例 中文版

2.5城市电力基础设施研究案例 在 2.1 节中 ,我们介绍了 14 个来自于美国国家工程院的巨大挑战， (我们介绍了 14 个巨大的挑战，这些挑战来自美国国家工程学院）， 并阐明了需要合理的设计思路来解决由每一个挑战所造成的巨大理论和实践问题。尽管机械工程师们都将在每个挑战中扮演着重要的角色，但一些挑战将要求他们中的一些人起带头作用。其中这样的一个挑战是恢复和改善城市基础设施。在这个挑战中，城市基础设施由支撑社区、地区或国家，包括交通、通讯、水，污水、电力和气体的基本系统组成。在这一案例的研究中，我们探索一个设计 理念的发展来满足平衡交通和电力基础设施的一连串需要。 发展需求 世界各地的许多国家拥有老化的电力基础设施，且随着城市中心发展而产生的越来越大的需求使许多这些电力基础设施处于崩溃的边缘（断裂点附近），随着越来越多的国家继续现代化建设这些关键的基础设施，城市中心将持续要求更多的电（功率）。滚动式灯火管制（故意断电）是许多国家日常生活的一部分。包括尼泊尔、巴基斯坦、喀麦隆、尼日利亚、南非和埃及。这样的灯火管制（曾经）有时也在美国的部分地区出现过 ,包括德克萨斯、加利福尼亚、纽约和新泽西。因此，迫切需要设计策略 、产品和体制（系统）来降低现代化大城市中电网上的压力（负担）。一个设计组负责设计一个系统来满足这些需求。在（定义）了规定基本的设计问题和需求之后， 为给所有的利害相关者一个解释 ，必须制定一系列的要求。 系统要求 设计者开发（制定）了以下一组体制（系统）要求，这些要求规定了系统必须做什么，而不是怎样做，决定了在方案设计阶段怎样开始。 负担得起的（价格实惠的）：尽管基础设施的更新和能源的供应是一个处在危机边缘的全球性问题，（一个全球性的处在危机边缘的问题）任何实际的解决方案都必须经济实惠，这样既能使顾客买得 起这个系统也使制造商生产得起它。终端客户可以个人或县 /州 /国家政府。 可靠的（值得信耐的）：任何和国家电力基础设施结合的产品或系统（体制）都必须是绝对可靠的，否则，此系统将被认为是一个失败。（该系统将被认为是失败的） 高效率的：该系统在收集或创造能源以及把它转换成可用的能源形态时必须尽可能高效。在收集，创造、或者转换能量过程中造成的不必要的浪费只能使问题更加复杂。 美学吸引力 /不引人注目的：无论系统是怎样被设计的，它必须在视觉上对被它的布置所影响的人是有吸引力的。（对于这些被它布置所影响的人，它必须是要有吸 引力的）更确切的说，它应该融入到现有的自然景观中或者被安装得看不见（在视线之外）。 最小化噪音：系统必须最小化操作过程中产生的大量噪声。 易于安装：该系统必须易于安装，无论是安装在一个小型私人应用程序上还是安装在大型公共应用程序上。 能适应的：为了有一个广泛的全球影响， ,系统需要工作穿越广泛的地理 ,气候 ,文化 ,城市 ,景观区域。 易于维修：所有工程系统会随着时间的推移性能会降低。这个系统需要为所有的客户提供一个简单的保养和维修计划。 使用安全：因为该系统将处理各种类型的功率，如果不是从一个安全的角度设计的，将 会有严重或致命的伤害发生的可能性。系统必须满足政府规定并使伤害的风险降到最低。 容易加工（制造）：这项规定的目的是尽量减少与生产此系统相关的制造成本，最小化总产品成本有助于压低价格。 安装占用空间少：因为此解决方案主要集中在城市中心 ,空间几乎总是引人起关注的，在可用空间最小的区域不允许此系统需求大的安装空间。 方案设计 一旦需求已经建立，设计组就到了构思阶段，这个阶段会有许多概念产生。尽管存在许多有效的构思技巧 ,设计团队选择使用一组头脑风暴的方法，即每个成员给出 5点想法（建议），然后把它们传给下一个成员，他 （下一个成员）要么产生新的理念要么改进刚传到他手里的创意（理念），这个过程会一直继续直到这些理念返回发起人的手里。此发散思维阶段的结果采集在 64页的表 2.1中。 电力基础设施 扶贫概念 表 2-1 安装迷你型风力发电机在建筑物的屋顶 当有人走过时会产生能量的人行横道 当厕所排水时会产生能量微型涡轮机 电池使用新型高硬度的材料 当不使用时双动力汽车会给输电网充电 一大组顶部安装式的太阳能电池板穿越城市 让风力发电机座落于城市的附近 使用兰金循环与火箭衍生燃烧的发 电厂 一个靠燃烧垃圾产生能量的等离子弧气化厂 增加（提高）传统蒸汽发电厂的数量和效率 开发一系列的水电大坝 利用地面温度差异的地热发电厂 从使用矩阵结构农场的人那里发电 开发一个聚变反应堆 提取被困在自然沉积物中的水合甲烷 利用藻类作为生物燃料 开发一个用于大型商业建筑的旋转门发电机 光伏钢产生能量 在所有建筑物上用光伏油漆来发电 在健身房发电（跑步机，自行车，椭圆机） 使用奔跑的动物产生能量 食品科学回收体系采集甲烷 基因工程微生物输出辛烷 用基于空间的 太阳能阵列来从太空向地球传送能量 有机兰金循环从较低 温度源中回收热量 使用潮汐来移动蜗轮的潮汐发电机 从飓风中收集大量能量的系统 靠桌子下产生动力的网格体系发电 使用麦克风薄膜从声音在获取能量 智能仪表监控和节能 防止打蛋形转子在城市周围作为雕塑展 一旦这些理念被生成，设计组就进入到集合思维阶段，这个阶段所有的理念都会被限制直到有一个被选中。通过使用一系列经济和技术上可行性的评估，理念的初步筛选被执行。如果一个理念不是经济上或者技术上可行的，它会被淘汰。在30个新颖的意见中，有 19个会被剔除 11会被保留做进一步的分析。然后通过使用系统需求列表这 11个留 下的理念中的每一个都会被评估。不管怎么好的满足了每一个需求，每一个理念都会被评估 1-10次。没有每个理念的充分工作原型，这些等级可能是主观的。但如果适当的话，还应该利用类似的系统的研究、工程评估(看第三章）原型试验以及以往的经验。在给留下的 11理念中的每一个划分了等级之后，按顺序排名前五名的理念是： 产生能量的人行道 滚道接触器 健身房生产系统 智能仪表 厕所涡轮机 拥有一系列高度评价的理念会给一个公司的发展进程足够的弹性，并针对不同的市场产生多种解决方案 . 细节设计 在下一阶段，设计组为被选中的理念开发设 计详图。例如，如果设计组决定开发一个新颖的产生能量的人行横道，他们将不得不为这个系统选择或设计每一个元件。决定最终的布局，制定一个生产计划，这将要求设计组考虑以下的问题 : 人行走产生的压缩力的计算 怎样设计人行道的表面以致使一个小的变形能产生能量但却不改变人走在人行道上的正常感受。（它是否需要一个机械的、化学的、或有关电的机械装置） 关于电压、电流的计算，以及把这些能量转变成合适的、可储存的形态的计算（设计） 一个既能把现有的人行道更新在一个有效的方式又能把此系统集成到新的人行横道的设计。 分析不同地理条件 的影响，包括温度、湿度、高度以及腐蚀。 保证政府有关关于安全和环保的规定是完全被满足的 取得任何新技术的专利权，不要侵害任何现有的专利权。 所有部件的疲劳极限的计算因为它们会经受许多周期循环 联系材料和零部件供应商，确定生产和组装过程 生产成本估算和定价预测 制定零件的标准和布局（部件的尺寸和布局） 产品布局使用得最普通和最高效的方法就是采用 CAD 技术，这促进了制造商、供应商、库存和客户成为一体。例如，图 2.22（见 66 页 )展示了一个将被装在人行道内部的压电系统的总体布局，该系统的尺寸被设计得能匹配人们脚的 平均尺寸。能