1、第 卷 第 期 大 学 物 理 实 验 年 月 收稿日期 ：基金项目 ：年上海市重点课程建设项目 （大学物理实验 ）；年上海市高校本科重点教学改革项目 ；年上海师范大学天华学院科研发展基金项目文章编号 ：（）利用地铁隧道风能发电的设计与研究汪浩 ，张骁勇（上海师范大学 ，上海）摘 要 ：当今世界 ，随着社会发展 ，能源是经济之本 ，是人类生活的依存 。本项目对地铁隧道风力发电展开研究 ，从了解地铁隧道风能的特征入手 ，通过理论分析结合实验验证 ，制作实体模型辅助研究 ，做出初步可行性分析 ，认定方案可行 ，然后提出有效利用地铁风力发电的创新设计方案 ，其中包括羽状风叶 、差速装置和机械蓄能装置
2、 ，并以此为基础设计了整套地铁隧道风力发电设计 。该设计是对室内环境风力发电的率先探索 ，通过研究可得出 ：利用地铁隧道风力发电设计是一种新的能源利用形式 ，并有一定应用前景 。关 键 词 ：风能 ；室内风力发电 ；地铁隧道 ；方案设计中图分类号 ：文献标志码 ：近年来 ，上海城市轨道交通发展得很快 。在我们学校附近 ，开通了线 。在站台上等候列车时我们发现 ，以前地铁进站时产生的巨大的风消失了 ，原来 ，为了乘客安全 ，并降低候车室空调的损失 ，在线的轨道和候车厅之间都安装了屏蔽门。于是 ，我们就想到了能否利用封闭在管道中的风的能量使之成为一种新的能源利用形式呢 ？ 开始了对此课题的设想和探
3、究 。 地铁隧道风能的特征要利用地铁隧道风能 ，就要了解地铁隧道风能的特征 。因此首先进行实地检测 。 实验目的实地考察地铁风速 ，定量分析 。 实验器材风速仪 、卷尺 、计算机 实验方法前往没有安装屏蔽门的地铁号线南京西路站 ，在站台的最前端与最后端离月台处分别测量列车进站 、经过及启动时带动的气流所产生的风速 。然后 ，将风速仪连接计算机 ，进行数据分析和计算 。 实测结果测得风速及能量数值如下 。其中 ，进站平均风速为，出站平均风速为能量的总和为 。需要说明的是 ，这组数据是在月台上测得 ，列车处于低速状态 ，且并没有屏蔽门 ，而在装有屏蔽门的封闭轨道中 ，我们估计各项数据应大于所测数值
4、见图，图，表，图，图。图 测量仪照片图 测量室照片表 风速及能量记录表 时刻风速 （前 ） 风速 （后 ） 能量 （前 ）能量 （后 ）能量总和 总和 图 风速记录表图 能量记录表实测结果发现 ：（）列车经过时带动的风具有周期性和变化幅度大的特征 ；（）平均风速大于，因此这个风能有利用价值 ；（）在封闭隧道中 ，尾流现象明显 ，而在开放式的站台气流的散逸情况比较严重 ，尾流现象也不明显 。其次通过实验来进一步了解和验证地铁隧道风能的特征 。用物体在水中运动状况 ，来模拟地铁隧道中空气在列车周围的运动情况 。设计了下面的实验 ： 实验器材水槽 、勾码 、铁夹 、长玻璃管 、有色颜料 。 实验方法
5、首先在长玻璃管内壁涂上较稀的有色颜料 ，以便于观察水流的运动情况 ；然后将两头系有细绳的钩码放入玻璃管中 ，用铁架固定放入水槽中 ；从管一端拉动钩码至另一端 ，观察其周围水流的运动情况 。 实验结果通过实验 ，不仅可以看出列车周围气体呈环流状 ，还可以看出尾流现象很明显 ，这将是装有屏蔽门的地铁风能中一部分可观的能源 ，见图。图 演示实验图 地铁风力发电可行性分析 空间由于地铁隧道上部空间需设置提供给地铁牵引力的电网或电轨和通风控温设施 ，故选择利用隧道左右的空间 。上海地铁号线隧道两侧最多可容纳半径达的风力发电机 ，因此空间上足够安装风力机 。 风能将列车从接近到离开站台某一点的整个过程所产
6、生的能量减去安装风力发电机后可能产生的阻力做功就是该点的有效风能 。由以上实测已知 ，整个过程所产生的能量为 。对安装风力机是否阻碍地铁行进进行了研究 。经查阅资料 ，列车运行的空气阻力主要来源于正面与空气挤压的阻力 ，还有两侧的摩擦阻力 ，是空气在车身表面产生的行驶方向的分力 ，仅占空气阻力总额的。根据空气阻力的公式 ：分析在安装发电机后 ，由于阻力系数，空气利用地铁隧道风能发电的设计与研究密度和物体迎风面积不变 ，正面的阻力在安装发电机后几乎没有变化 ，而随着风力机的旋转 ，使列车两侧风速降低 ，摩擦阻力减小 ，对地铁还有节能作用 。为了验证这个分析 ，设计了一个实验见图。图 演示实验图（
7、）实验目的研究隧道中安装挡风片前后对其中行进物体是否有阻碍作用 。（）实验器材粗塑料管 、学生光电门传感器 、泡沫列车、短 玻 璃 管、长 玻 璃 管、轮盘个 。（）实验方法以粗塑料管为隧道 ，在泡沫列车中嵌入短玻璃管 ，在同一高度 ，使之顺着长玻璃管滑下 ，忽略玻璃间的磨擦 ，测量在安装挡风片前后用光电门测量瞬时速度 。（）实验结果 （见表）表 实验结果挡风片记录 记录 记录 记录 平均 安装前 安装后 由于实验的条件有限 ，不可以简单地断定在地铁大环境中安装发电机的能减少列车行进的摩擦阻力 ，至少可以总结安装挡风片后几乎无能量损失 ，即使有阻力作用 ，因为摩擦阻力仅占空气阻力的，在两侧安装
8、发电机对地铁的阻碍作用可以忽略不计 。综 上 ，地 铁 一 次 经 过 的 有 效 风 能 约 等 于 ，根据风能曲线图可推知 ： 是地铁一次经过的有效风能最小值 ，在高速运行时经过某一点的风能应均大于此数值 。 成本粗算风力发电机数据来自淘宝网上的一款小型风力发电机 ，风叶直径，空载电压（风速），组的价格为元 。风能用站台上实地测量的数据 。地铁班次用号线数据 ，电费单价参照上海市电价 。得到以下结论 ：计算方法 ： （）度 天表 单组成本估算书序号 名称 单位 单价 数量 小计 （元 ）一 组的建造成本 组 风能产生电量 度天每天节省电费（工业用电价 ）元 度 收回成本日期（以天计算 ）天
9、 收回成本日期（以年计算 ）年 结论 ：为了减小可能存在的误差 ，使用了比较保守的数据 ，而回收成本时间远小于一般器械维修时间年 ，因此完全可行 。 地铁隧道风力发电机的设计地铁隧道风力发电设备主要由羽状风叶机 、差速装置 、机械蓄能装置 、电能的储存与使用装置等组成 。 采用羽状风叶风叶是风力发电机捕捉风能的途径 ，不同环境中 ，不同叶片的形状与结构影响到风能的转化率 。表是对市场上常见风力机风叶形式的调查 。表 常见风力机风叶形式调查表类型 优点 缺点 图例三叶片型风力发电机技术成熟受风向的影响比较大型垂直风力发电机体 积 小 ，发 电效率较高中 心 杆 易 折 ，叶片数与最高风速受到限制
10、型垂 直 风 力发电机体 积 小 ，发 电效 率 较 高 ，能够获取低风速的风能中心杆易折通过调查可知 ，叶片结构大致可分为水平式利用地铁隧道风能发电的设计与研究和垂直式 ，经过思考 ，我们对叶片进行改进 ，常规的叶片受支撑材料强度的限制 ，大量的风从叶片的空隙穿过 ，使风能不能更大限度利用 ，受到羽毛的启发 ，把风机叶片做得多且大 ，在叶片上 ，作出一条条缝隙 ，如同羽毛纤维 ，使风从每一个缝隙均匀穿过 ，如图所示 。图 风叶机叶片在地铁隧道中 ，风力发电机组体积小 ，支撑杆受到的力也小 ，因此在发电机稳定这个前提下 ，用羽状风叶代替实心叶片 ，可以增大表面积 ，增大受力 ，能提高风能的利用
11、率 。 差速装置从现有的风力发电机来看 ，启动风速一般要大于，当风机由静止到转动需要有更大的风速才能启动 。而利用差速装置则能使启动风速降低 ，提高风机对风能的利用 。差速装置由总轴与齿轮组成 ，相当于差速轮反用 ，如图。图 差速装置图当直径相同时 ，叶片数多的小风机先转动 ，基于此 ，在内圈小叶片之外套上大叶片 ，内部配以大齿轮与发电机的小齿轮 ，形成高齿轮比 。这样 ，当低风速时 ，大叶片相对先转动 ，带动内圈小叶片克服阻力峰值 ，当内圈转速大于外圈时 ，无须带动外圈叶片 。这样 ，既可以降低风力机的启动速度 ，又不失最高速度 。 机械蓄能装置图 机械蓄能装置图参考机械表擒纵结构 ，可以把
12、非匀速风能转换成机械能 ，如上图的左半部分示意图表述 ，此结构中央部分为发条 （发条）替代了重力作用 。当叶片在风能的吹动下 ，发条会逐渐收紧 ，而动量也随之聚集 ，直至最大而停止 。发条的长短完全可以依据一次列车通过时可能收集的动能多少来定 。而上图右半部分表述的是发条在重力摆动下 ，匀速释放动能 ，通过传动轴 ，拨动中间圆盘上的挡杆 。而挡杆是刚性的 ，这就依靠下面尾部另一个发条系统 （发条）保持弹性 ，使挡杆回到原位置 ，从而保证了圆盘中心的轴单向 、独立地旋转 ，不受其他部分影响 。而圆盘中心的轴就连着发电机的主轴 。这个装置 ，就像是一个手动上链的机械手表 ，区别在手表上链是用手去拧
13、 ，而如果在上链处 ，有个带发条的风扇 ，用风能带动来上链 ，而表的匀速走动 ，就可以带动一个发电机 。如此这样 ，就可以把非匀速的风能 ，储存起来 ，通过机械系统 ，匀速带动发电机 ，从而转化为电能 。 电能的储存与使用采用蓄电池蓄电与直接使用相结合 。将每台发电机发出来的电经蓄电池蓄电后供给隧道地灯 ，指示灯或动画式广告灯等使用来达到节能的目的 ，同时应配有隧道地灯 ，指示灯应急电源 。 风力发电机的安装位置以上海地铁号线为例 ，号线隧道内径，车宽，高。图中红色部分为风扇 ，蓝色部分为地铁轨道 。此图以上海地铁号线设计图和风扇直径等比例缩小制得 。利用地铁隧道风能发电的设计与研究（）在隧道
14、两侧向左右开出一定空间 ，采用垂直风力发电机 ，一半露出 ，一半嵌入隧道内壁 。此方案适用于将要建造的地铁 ，优点在于能减少单向风在发电机垂直旋转时的阻力 ，还能节约隧道空间 ，增大力矩 ，如图。（）将风力发电机安装在地铁隧道两侧 ，此方案适用于已建成的地铁 ，如图、。图 地铁示意图图 模型照片图是制作的模型的照片 ，有机玻璃管模拟了地铁隧道 ，封口的鼓风机配合电扇开关 ，能模拟出列车开过前后产生的连续变化的风 ，两台小型直流发电机利用风能发电 ，发光二极管及电压表从直观与数据反映了发电的大小 。 创新点及应用前景（）利用地铁产生的多余能量转化为电能 ，随着地铁线路的增加 ，此方案存在着广泛的
15、市场 ，且为缓解能源紧缺问题提出新思路 。（）将风力发电移至室内 ，排除了气候对于风力发电的影响 ，扩大了风力发电的应用领域 。（）设计了新型的羽状风叶机和新型的变速和蓄能装置 。 进一步研究的方向（）进一步实验了解地铁内多种排列组合形式的风力发电机的工作状况 ，检测实际情况下装置对列车风阻的影响情况 ，从而使风力发电达到最优化配置 。（）进一步研究羽毛叶片风力发电机的空气动力学外型 ，充分利用能源 。（）进一步研究蓄能装置的结构与材料的关系 ，提高蓄能性能 。参考文献 ：刘万琨 ，张志英 ，李银凤 ，等 风能与风力发电技术北京：化学工业出版社张贺庆 ，朱合华 ，庄容 地铁与轻轨 北京 ：人民交通出版社 毛保华 城市轨道交通规划与设计 北京 ：人民交通出版社 王长贵 ，王淳 小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理 北京 ：中国电力出版社 ， （ ， ）：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ， ， ： ； ； 利用地铁隧道风能发电的设计与研究
