地铁站出入口风力发电装置.doc

地铁站出入口风力发电装置设计者：吕绍凡 刘海燕 陈睿 张晨 葛铭指导老师：武文彬（南京工业大学能源学院 江苏 南京 210009）作品内容简介随着经济的发展，城市化趋势的加快，地铁已经成为城市交通的重要组成部分。地铁为市民出行带来极大便利的同时，也消耗着大量宝贵的能源。如何减少地铁的能耗成为了人们关注的焦点。由于地铁的快速发展，城市里就多了大量的地铁站出入口，一方面因为地铁站内外温差的存在形成空气对流；另一方面，地铁进出站时以及人流带动站内空气的扰动，这让地铁站出入口一年四季都存在着一部分的风能。我们发现常年存在的这部分风能却未被利用，从废弃能源的利用出发，我们的“地铁站出入口风力发电装置”就是从节能、美观、环保等角度把这部分风能实实在在地利用了起来。本装置由中心轴杆、多个H型垂直轴风力发电机、逆变器、用电装置、蓄电池五个主要部分，既能回收能量，又可以美化通道，愉悦乘客。若按全国的城市地铁运营情况，以每天发电16小时计算，我国每年可大约节省760万度电，而且本装置结构简单，设计思路新颖，具有很高的商业推广价值及社会价值。关键词：地铁节能 风能 垂直轴 风力发电联系人：武文彬 联系电话Email：wwb_1.研究背景及意义 我国已经进入地铁发展黄金期，按照现有规划，今年我国将建成地铁480公里，2020年总里程将达6100公里。2010至2015年地铁建设投资规划额将达11568亿元，将是今年的5.93倍，城市建成运营的线路将达177条，那么，各大城市里就会出现大量的地铁站出入口，然而由于地铁运动时带动站内流体的运动和站内外存在温差的原因，导致地铁站出入口常年存在着一部分风能，因而我们可以开发这部分可利用风力资源，从而达到节能减排的目的。而且本装置制造成本低、使用寿命长，将很难利用的地铁站出入口的风能转化为动能，不存在原有电力能源再利用的问题。其发出的电能可以提供通道内的照明系统等用电装置，还可以用蓄电池储存起来，节能效果显著。2.本装置的特点特别需要关注的是，我们的“地铁站出入口风力发电装置”还同时从美学角度出发进行考虑设计的，把每个发电机组做成“冰糖葫芦”式的，并且所有轴杆都按“梅花桩”式的错列分布着，风吹过时，大面积“小风车”能够给乘客们带来一种清洁、环保、愉悦的感觉，既节能又达到了装饰效果。图1为作品的示意图。图1“地铁站出入口风力发电装置”示意图3.工作系统流程“地铁站出入口风力发电装置”是将地铁站出入口常年存在的风能转化为电能。当风吹过发电机叶片时，带动连接叶片的连杆所组成的风轮进行转动，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往逆变器，通过逆变器将接收的交流电转变为直流电，然后将直流电输送给蓄电池储存起来，通过蓄电池将稳定的电能输配给所需的用电装置，从而达到照明效果。图2为作品的流程图。3211.风能 2.节能灯 3.垂直轴风力发电机图2“地铁站出入口风力发电装置”原理图4.设计方案4.1.地铁站出入口风能特性根据流体力学的知识我们知道，地铁站出入口的风向具有不确定性，边界部分还会产生涡流，但是大体风向还是一致的。至于风向是向外还是向里吹，取决于站内和站外温度的高低。如果站内的温度高于站外的温度，那么出入口的风就会向里吹，反之，出入口的风就会向外吹。而且地铁通过时还会把隧道里的风推出，带动站内空气流体的扰动，这时也会有大量的风向外排出。总之，地铁站出入口风向的不确定性是非常明显的。4.2.风力发电机的选择通过对地铁站出入口风能特性分析，我们最终确定选用H型垂直轴风力发电机（如图3）。H型垂直轴风力发电机是采用空气动力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形状。选用H型垂直轴风力发电机主要考虑到它的以下三个特性：叶片选用了飞机翼形状，发电效率相对比较高，而且在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率。H型垂直轴风力发电机在任何方向的风都可以发电，不择风向，不需对风。低风速下发电机也能运行起来。2 131.叶片 2.发电机安装处 3.中心轴杆图3 H型垂直轴风力发电机机组图4.2.中心轴杆的分布特点如图4为中心轴杆分布的俯视图。所有轴杆都是按“梅花桩”式的错列分布的，主要是为了保证每一个发电机组都能得到充足的风能，提高风能的利用率，进一步提高发电机的发电效率。2131.风能 2.中心轴杆 3.叶片图4中心轴杆的分布的俯视图 通过测量调查，地铁口宽度大概为4 m，假设装置使用长度为7 m，可装面积达到28 m2；每排装置的距离设置为80 cm，那么可以装上8排，每排相邻两个发电机组的间距为80 cm，那么每排发电机组数达到5个，所以每个地铁站出入口平均装50个本装置。5.理论分析假设风速,单个叶片的长度为，宽，最大厚度，主轴直径为，叶片距主轴距离为；经过查阅相关资料，我们又假设空气的平均密度，发电机的效率，逆变器的效率 ；我们确定一根中心轴杆上挂3个垂直轴风力发电机，但是轴杆上的发电机个数不是3个不变的，可能2个，甚至1个，这是由地铁站出入口的顶面离地面的高度决定的，一切都是在不影响乘客行走的基础上设计的，从而保证充分利用顶面可以安装的地方。每个地铁站平均有4个出入口，每个出入口装50个本装置，假设地铁站一天工作16个小时。由图（图5）和已知条件可知， 扫风面积的宽度：所以扫风面积A为： 根据公式：风功率： 单根轴上的总风功率：则单根发电机组的总功率P： 那么一个地铁站一年产生的能量Q：由此可知，单根发电机组的总功率P为4.1W，一个地铁站一年产生的能量Q为4800，而直接装在中心轴杆底端的LED节能灯是用35W的，因此，单根发电机组的发电功率完全可以满足LED节能灯的用电需求，从而保证照明系统能稳定运行。图5叶片扫风面积计算示意图6.经济性分析6.1.中国地铁的未来发展前景我国将进入地铁黄金发展期，按照现有规划，今年我国将建成地铁480公里，2020年总里程将达6100公里。2010至2015年地铁建设投资规划额将达11568亿元，将是今年的5.93倍，据介绍，28个已获批复的城市申请建设的地铁都在7条以上。到明年，我国城市轨道数量将达到55条。2020年到来的时候，中国28个城市建成运营的线路将达177条，假设一条线路平均有20站，一个地铁站平均有四个出口，则共有14160个出入口，在我国地铁事业发展如此强劲的势头下，因此，我们相信，“地铁站出入口风力发电装置”将具有很高的商业推广价值及社会价值，并能迅速的推广开来。6.2.本装置带来的经济效益 通过相关资料查得，一度电要消耗0.4kg的煤，一吨煤炭燃烧排放的二氧化碳为2620公斤，二氧化硫为8.5公斤，氮氧化物为7.4公斤，通过相关计算，一个地铁站一年产生的总能量为4800kWh。目前中国有11个城市使用地铁，共79条线路，假设一条线路平均有20站，每站平均有4个出入口，那么，中国所有地铁站出入口发电总量为760万kWh，即节省760万度电，节约的煤炭为3030多吨，全国年减少CO2排放量为8000吨，年减少SO2排放量为26吨，年减少NOx为23吨。而按国家规划到2020年，我国地铁将达到6100公里，总线路达到177条线路，那么预计共有3540个地铁站，则一年节省的煤是6800吨，节省1700万度电，减少CO2量17800吨，SO2量58吨，NOx量51吨。7.创新点及应用我们“地铁站出入口风力发电装置”是把地铁站出入口常年存在的风能充分利用了起来，进而转化为电能为地铁站内照明系统供电，在地铁节能方面开拓了新思路，因此，本装置有着诸多优点与创新点，具体如下:1）利用地铁站出入口常年存在的风能进行发电，充分考虑到了当今社会大家所重视的节能、减排的主题思想。2）本装置的H型垂直轴风力发电机也是一大亮点，实现了将这种发电机小型化使用的再一次突破，并且使它结合特别恰当的环境得到充分的利用，这也是本装置关键技术的一部分。3）本装置结构简单，并且低风速下也可以转动发电，不择风向，不需对风，这是水平轴风力发电不能达到的。4）本装置应用范围广，只要存在温差产生风能的通道都可以使用本装置来发电供应照明系统。随着化石能源日益枯竭，能源危机的日益加剧，这种应用于地铁方面、以人体为能量源泉的发电装置势必会随着城市地铁建设而广泛应用，低碳、环保、节能、减排的观念也会随着的地铁事业的发展而深入地影响人们的生活方式。参考文献1 郭新生.风能利用技术.北京：化学工业出版社 20072 袁祖强.机械设计基础.北京：北京航空航天大学出版社 20113 何铭新,钱可强.机械制图.高等教育出版社 20084 李本立,宋宪耕.风力机结构动力学.北京：北京航空航天大学出版社 19995 Vaughn Nelson著，李建林，肖志东，梁良，胡春松，任永峰译.风能-可再生能源与环境.北京：人民邮电出版社 6 翟庆志.电机与新能源发电技术.北京：中国农业大学出版社 20107 张希良.风能开发