基于地铁隧道的风力发电利用系统研究

创新与实践　ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ　ＡＮＤ　ＭＡＲＫＥＴ　基于地铁隧道的风力发电利用系统研究　朱殷桥，唐　龙　（重庆交通大学，重庆４０００７４）　摘要：近年来公共交通系统得到了大力的发展，其中地铁运输系统发展尤甚，地铁中如何有效利用能源得到了人们的　广泛关注。就地铁隧道中如何有效利用风力发电展开了讨论，通过了解地铁隧道风能的特征进行建模，结合实验将理论　与实际相结合，制定初步可行性分析报告，并提出了一整套风力发电装置。该装置通过将列车活塞风能转化为电能，同　时将其利用在广告灯箱中，充分提高电能利用率。　关键词：地铁隧道；风力发电；能源利用；方案设计　Ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ＺＨＵ　Ｙｉｎ—ｑｉａｏ，ＴＡＮＧ　Ｌｏｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｃｉｖｉｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００７４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｐｕｂｌｉｃ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｍｏｒｅ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｓｕｂｗａｙ　ｔｒａｎｓ—　ｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｍｅｔｒｏ　ｈｏｗ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ　ｃｏｎｃｅｒｔｉ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｈｏｗ　ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｔｏ　ｓｔａｒｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｂｙ　ｋｎｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｂｗａｙ　ｔｕｎｎｅｌ　ｍｏｄ—　ｃｌｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｗｉｌｌ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗｉｔｈ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｕｎｉｔ　ｗｉｌｌ　ｔｒａｉｎ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｐｉｓｔｏｎ　ｗｉｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｎｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，ｗｈｉｌｅ　ｉｔｓ　ｕｓｅ　ｉｎ　ａｄｖｅｒｔｉｓｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ　ｂｏｘｅｓ，ａｎｄ　ｆｕｌｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ．ｆ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００６—８５５４．２０１４．０８．００６　１研究背景　手段　。。与此同时，地铁站增设了很多广告灯箱，当地铁正常　随着社会的不断发展，在城市基础设施大力开发的背景　下，我国交通系统亦在此期间得到了井喷式发展。特别是近年　运营时，灯箱都要求正常供电。因此地铁站每天都要为广告灯　箱提供电能消耗。然而经研究发现：地铁最高车速约７０　ｋｍ／ｈ，　折成风速大约为１５　ｍ／ｓ，平均风速大于３　ｍ／ｓ，证明地铁隧道风　能有利用价值　。本文就如何利用风能转化为电能，并直接供　给给广告灯箱使用，从而对能源循环利用展开研究讨论，最后　提出了一整套风力发电的方案设计。　３风力发电系统装置初步方案设计　目前，对地铁隧道风力发电的研究中，只是考虑将风力发　来城市轨道交通系统在全国各地都掀起了建设的浪潮。其中　风能利用更是成为了一项新兴的课题研究，如何有效地将大量　风能转化为电能，从而达到节约能源的目的便成为了人们亟待　解决的问题。现在的地铁隧道车站中基本都安装上了屏蔽门，　虽说屏蔽门的出现对车站内部的通风环境不太有利，但是由于　屏蔽门的存在而使得地铁列车驶进车站时产生的活塞风得到　更好的利用。因为以前修建地铁隧道车站时没有修建屏蔽门，　使得当地铁列车进站时的活塞风能不能得到较好的掌控，并且　电装置安装在车辆全速运行的区段，借以隧道通风量以及地铁　列车通过隧道产生的风力进行发电。但是对于地铁系统来说，　只是简单的在地铁隧道内加入风力发电装置，如果不考虑发电　装置的安装地点和方式，就会扰乱周围原有的气流，对于地铁　的行驶产生了阻碍作用。这种阻力会在影响地铁运行速度的　同时造成能源的过度浪费，反而浪费能源。并且，由于列车行　驶过程中速度过大，风力发电装置的安装不当会引起风力发电　在当时的车站中也没有设置广告灯箱等用电设施，因此使得以　前对于地铁隧道风能利用的研究没有多大现实意义和价值。　然而目前屏蔽门的修建促使地铁隧道整体成为一个封闭的空　间，这样一来基于地铁隧道的活塞风能利用和控制就有了切实　的可行性操作，同时使得我们对风能发电利用系统的方案设计　拥有了更为广阔的和深入发展前景。为此，本文提出了一种将　风力发电装置与地铁隧道通风管道相结合　，将产生的电能用　于地铁隧道边纵向广告灯箱，以此形成一种良性循环。不仅节　约能源，更为以后人们研究隧道风力发电提供切实想法和参考　价值。　２地铁隧道风能利用的可行性探讨　装置掉落等安全隐患。　本套地铁隧道风力发电利用系统，包括风力发电装置、储　能电路和广告灯箱。风力发电装置设置在地铁隧道的浅埋出　风直风井、风洞、中埋联络风道和深埋联络风道中；广告灯箱设　置在地铁隧道中每个地铁站所在位置的纵向隔墙上；储能电路　设置在地铁站调度室内，包括蓄电池、蓄电池充电电路和逆变　电路。系统工作过程：风力发电装置的电能输出端通过蓄电池　充电电路与蓄电池相连接，蓄电池通过逆变电路连接至广告灯　为了缓解公路交通的紧张和方便人们的出行，多数城市都　建立了地铁轨道交通系统。城市轨道交通（地铁）凭借着快速、　高效、载客量大的特点，已成为各大城市缓解交通压力的重要　１０　箱供电回路中，为广告灯箱提供电源。（见图１）　技术与市场　２Ｏｌ４年第２１卷第８期　创新与实践　储能电路　Ｆ＝ｃｐｓｖ￣，式中：　一空气阻力，单位为Ｎ；ｐ一空气密度，单位为ｇ／ｃｍ　；　５一列车迎风面面积，单位为ｉｎ　；　列车当前行进速度，单位　为ｍ／ｓ；ｃ一空气阻力系数。　图１　地铁隧道风力发电利用系统框图　为了进一步降低能耗，节约资源和费用，系统需单独对广　告灯箱进行局部电路控制。因此将每个地铁站所在位置的广　告灯箱分别并联在广告灯箱供电回路中，并在每个地铁站的广　因此，当列车通过近浅埋出风直风井时，浅埋出风直风井　对列车的阻碍作用与浅埋出风直风井对列车的推动作用大致　相同，两者抵消后浅埋出风直风井的存在对于列车行进速度没　有太多的影响。地铁设计中电能的消耗是巨大的，空调通风的　电耗每个站均在１　６００　ｋＷ以上，大站３　０００　ｋＷ以上。因此正　确选择、配套空调通风设备，合理控制系统运行是非常必要　告灯箱与广告灯箱供电回路相并联的并联支路中设置常开型　电控开关和红外接近传感器。其中常开型电控开关的两个触　点端连接在广告灯箱与广告灯箱供电回路相并联的并联支路　中，常开型电控开关的控制端与红外接近传感器的信号输出端　电连接，红外接近传感器设置在其所在地铁站的地铁隧道中，　且红外接近传感器的探头朝向列车停靠在地铁站时列车尾部　所在的位置。　４风力发电系统的具体实施方式与措施　４．１　风力发电装置的安装原理及方式　现有地铁隧道一般包括一组相邻的隧道，其中分别行驶着　方向相反的列车。地铁隧道按照离路面的距离分为浅埋隧道　区间、中埋隧道区间和深埋隧道区间。对于浅埋隧道区间而　言，由于浅埋隧道区间主要是靠列车的活塞作用和进出隧道的　空气的温度差来进行通风的。而现实中为了节约成本，降低施　工难度，地铁隧道的浅埋隧道区间会在车站两头靠近乘客站台　的位置分别设有浅埋出风直风井，在浅埋隧道区间的中部设有　浅埋进风直风井，且浅埋进风直风井中设有鼓风机。其中，浅　埋进风直风井和浅埋出风直风井都是从隧道内通到外面。如　此一来地铁隧道内便可以与外界的空气形成对流，达到通风的　效果。另外，为了保证浅埋隧道区间中由纵向隔墙隔开的两个　相邻的隧道能有良好的通风，纵向隔墙上设有风洞，风洞从纵　向隔墙的一面通到另一面。对于中埋隧道区间而言，通常会在　中埋隧道区间靠近深埋隧道区问的位置设有中埋直风井，并对　应于中埋直风井的位置设有连通两个相邻的隧道的中埋联络　风道，使得一个中埋直风井便能满足两个相邻的隧道位于中埋　隧道区间的通风要求，保证中埋隧道区间两个相邻的隧道之间　的通风。对于深埋隧道区间而言，通常会在深埋隧道区间的中　部设有深埋直风井，并对应于深埋直风井的位置设有连通两个　相邻的隧道的深埋联络风道，保证深埋隧道区间两个相邻的隧　道之间的通风。由于通风管道已经有成熟的装置安装技术，再　加上通风管道本身有维修系统，因此将风力发电装置安装在浅　埋直风井、风洞、中埋联络风道和深埋联络风道中，不仅提高了　风力发电利用系统的安全性，还提供了富有的风能资源，提高　了发电量。　４．２风力发电过程气流影响变化因素　因为地铁隧道内运行列车的前方，会形成高压，而在其后　方形成负压。所以当地铁隧道通行的列车驶近浅埋进风直风井　时，将妨碍浅埋进风直风井压入气流的工作，浅埋进风直风井也　会阻碍列车行车的。而当离开时，列车却有助于浅埋进风直风　井压入气流的工作，浅埋进风直风井也会推动列车行车。经研　究表明：列车行进时的空气阻力主要是由于列车正面与空气的　相互挤压和两侧的空气摩擦产生了列车行进方向的分力　。　根据空气阻力公式有：　的，我们事先应当配置合理的空调通风设备　。风力发电装置　安装于此处发电时产生的气流对列车的阻碍作用与推动作用　则基本相互抵消，不会产生较大的阻力影响列车行驶，解决了　现有技术中将风力发电装置安装在地铁隧道边，风力发电装置　发电时增加列车行驶阻力、造成能源浪费的问题。同时也解决　了现有技术中风力发电装置安装不当引起的风力发电装置掉　落而影响地铁列车行车安全问题。　４．３广告灯箱系统合理供电模式设计　由于风力发电装置的电能输出端输出的电能是不稳定的，　如果直接将风力发电装产生的电能用于广告灯箱的供电，则广　告灯箱不能保持稳定地工作状态，这样会造成广告灯箱的损　坏。鉴于此，本文设计了一套安全合理的广告灯箱供电模式：　首先通过蓄电池充电电路将风力发电装置产生的交流电转换　为直流电储存在蓄电池中，然后利用逆变电路将蓄电池输出的　直流电转换为交流电，给广告灯箱供电。如此一来，既能够将　风力发电装置剩余的电能储存起来，使得风力发电装置产生的　电能得到有效的利用，又能用来给地铁系统内的广告灯箱供　电，保证广告灯箱能稳定地工作，并且避免了将风力发电的电　能通过远距离传输供电造成电力传输损耗大的问题，提高了电　能利用率。　５广告灯箱基于红外线触控型开关的局部控制设计　因为利用地铁隧道风力发电所获得的电能相对有限，为了　避免储能电路长时间给广告灯箱供电，出现电能浪费的情况，　风力发电利用系统还应当具有供电局部控制功能。每个地铁　站所在位置的广告灯箱分别并联在广告灯箱供电回路中，且每　个地铁站的广告灯箱与广告灯箱供电回路相并联的并联支路　中均设有常开型电控开关和红外接近传感器（见图２）。　其中，常开型电控开关２的两个触点端连接在广告灯箱１　与广告灯箱供电回路相并联的并联支路中，常开型电控开关２　的控制端与红外接近传感器３的信号输出端连接，红外接近传　感器３设置在其所在地铁站的地铁隧道中，且红外接近传感器　３的探头朝向列车停靠在地铁站时列车尾部所在的位置。这　样便能通过常开型电控开关和红外接近传感器控制每个地铁　站的广告灯箱的工作情况，使得每个地铁站的广告灯箱都是独　立工作。红外接近传感器工作时，其探头上的发射头会朝探头　朝向的方向发射出红外线。当红外线遇到障碍物时，红外线会　被反射回来，并被红外接近传感器探头上的接收头接收到，红　外接近传感器信号输出端根据发射红外线和接收到红外线之　间的时间间隔的长短输出变化的电平。时间间隔越短，红外接　近传感器信号输出端输出的电平越大。具体应用时，常开型电　控开关可以采用继电器等。风力发电利用系统可以根据列车　创新与实践　ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ　ＡＮＤ　ＭＡＲＫＥＴ　Ｖｏ１．２１，Ｎｏ．８，２０１４　的长度设定检测距离，并设定红外接近传感器信号输出端在该　检测距离下输出的电平为控制电平　。。所以当地铁列车到达　列车离开车站时，红外传感器的信号输出端为低电平，使得常　开型电控开关断开，广告灯箱便熄灭。这样，便能实现当地铁　列车进站停车时广告灯箱亮、当地铁列车离开车站时广告灯箱　灭的功能，实现对广告灯箱的供电控制，使得电能得到了有效　的利用，不至于过多电能的浪费。　车站的地铁隧道进行停车过程中时，当列车与红外接近传感器　的距离等于或小于检测距离时，红外接近传感器信号输出端输　出的电平大于或等于控制电平。如此一来便会触动常开型电　控开关闭合，使得广告灯箱供电回路为广告灯箱供电；当地铁　图２地铁隧道风力发电利用系统广告灯箱供电回路的电路原理图　６风力发电利用系统设计总结　参考文献：　综上所述，本文所提出的基于地铁隧道的风力发电利用系　统中大体上分为主体设计部分和输出端控制部分。主体包含　了风力发电装置、储能电路和广告灯箱；输出端则是基于红外　线触控开关控制电路。首先，针对于方案的可行性来说，经试　验证明风力发电装置在发电的过程中产生的气流对列车的阻　［１］　ｐ．　Ｄ．阿尔布佐夫．地下铁道通风［Ｍ］．北京：人民铁道　出版社．１９５９．　［２］　张世勇．城市轨道交通通风空调系统的节能研究与应用　［Ｊ］．电气化铁道，２０１２（１）．　［３］　汪浩．利用地铁隧道风能发电的设计与研究［Ｊ］．大学物　理实验，２０１２（８）．　碍作用与推动作用基本相互抵消，即不会产生较大的阻力影响　列车的行驶。然后将风力发电装置安装在通风管道中是基于　对装置在使用过程中的安全性和通风管道中富有风能的存在　而考虑，如此也可方便后期对风力发电装置的维修，以此达到　有效发电的效果。其次，将风力发电装置产生的电能用来给地　铁系统内的广告灯箱供电是为了避免将风力发电的电能通过　远距离传输供电造成电力传输损耗大的问题，提高了电能利　用率。　［４］　任泽春．地铁通风空调工程施工与监理［Ｍ］．北京：中国　建筑工业出版社，２０１０．　［５］　曾飞轮．地铁空调通风设计探讨［Ｊ］．四川建筑，１９９７（５）．　［６］　杨思甜．ＬＥＤ照明在地铁节能工作中的应用ｆ　Ｊ］．山西建　筑，２０１０（１）．　基金项目：　重庆市科技攻关项目Ｃｓｔｅ２０１２一ｇｇ—ｙｙｊｓ３０００４。　作者简介：　朱殷桥（１９９ｌ一），男，现就读于重庆交通大学土木建筑学　院土木工程（桥梁工程）专业。　（上接第９页）　保证及技术支撑，３ｓ和其他高科技新型测量仪器技术的充分　结合，为矿山测量工程奠定了坚实基础。　６结语　观念重大变革的技术，已经成为最具潜力的全能型技术，是大　地测量的技术手段，在控制测量、工程测量、环境测量、防灾减　灾、矿山测量及交通运输工具的导航等方面都发挥着举足轻重　的作用。再者，与传统的测量技术相比，ＧＰＳ并没有严格的控　制测量的等级划分。因此，不需要考虑测点间的通视和造标，　也不存在误差的积累，还可以同时间进行三维定位，具有全天　综上所述，信息矿山、数字矿山的提出给矿山企业带来了　不容忽视的发展机遇，矿山企业应当尽快创新测绘观念，将以　３ｓ为代表的众多新兴的测绘技术和仪器引入矿山测量工程　中，着重于以３ｓ为代表的新技术在煤炭行业中的应用方法、理　论和系统开发等，形成集数据采集、管理和传输、表达、应用为　一候、高精度和高灵活性的优势，对于误差来源、数据处理和在外　业测量模式等方面是对以往的测绘理念的革命性的转变。地　理信息系统是一种对空间地理的分布有关的数据进行采集、管　理、处理、分析的计算机技术系统，其发展和应用对于测绘科学　的发展意义深远，可谓是支撑现代测绘技术的技术大厦。　遥感技术在矿山测量中的应用已经经历了较长的时间，积　体的智能化自动技术系统，为矿区资源环境信息系统的建立　提供基础性的资料，从而推动我国矿山企业可持续发展。　参考文献：　［１］　余洪旗．浅谈测绘新技术在矿山测量中的应用［Ｊ］．广东　科技，２０１２，２１（２３）：１１６一ｌ１７．　累了足够的经验，而ＧＰＳ技术在矿山测量中的应用则主要用于　代替传统的地面测绘工作。应用于矿区的地理信息系统是矿　［２］　闫功力，孟凡超．测绘新技术在矿山测量中的应用［Ｊ１．　北京测绘，２０１２，７（４）：ｌ３４—１３５．　区地理信息系统，又称矿区资料源环境信息系统，是目前矿山　测量的重要发展方向。现阶段，以３ｓ的一体化亦或是集成发　展为导向的空间信息技术体系正在逐步成为测绘学、地球信息　学新的工作模式和技术体系，其时效性和先进性尤为显著。以　现代测绘仪器和空间信息技术为技术支撑的测绘技术正处于　迅速发展中。空间信息技术是矿山测量实现现代任务的重要　１２　［３］　田景华．测绘新技术在矿山测量中的应用探讨［Ｊ］．科学　时代，２０１３，８（８）：１２３—１２４．　作者简介：　郭玉强（１９６９一），男，２０１０年毕业于太原理工大学测绘工　程专业，经理，测绘工程师，现在山西省煤炭地质１１５勘查院　测绘技术中心工作。