基于壓電效應(yīng)的地鐵交通樞紐 的節(jié)能減排分析及應(yīng)用_第1頁(yè)
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摘要:隨著低碳生活理念逐漸深入人心,越來(lái)越多的人們選擇公共交通出行,伴隨而來(lái)的是交通樞紐壓力的日益增大,交通樞紐處的能源能耗和碳排放問(wèn)題日漸顯著。為減少地鐵交通樞紐的能源消耗,一方面要減少能源使用量,另一方面可以使用可再生的清潔能源。本研究以壓電效應(yīng)為原理,利用壓電裝置將乘客在交通樞紐內(nèi)位移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能,并通過(guò)設(shè)計(jì)電路將能源收集起來(lái),用于滿(mǎn)足地鐵交通樞紐中常見(jiàn)設(shè)施的供電需求,如照明、自動(dòng)售票機(jī)、應(yīng)急設(shè)備等,最終實(shí)現(xiàn)交通樞紐節(jié)能減排。關(guān)鍵詞:軌道交通;節(jié)能減排;壓電效應(yīng);交通樞紐;智能交通系統(tǒng);能量收集0引言隨著城市化進(jìn)程的加快,城市內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的快速增加給城市帶來(lái)了交通擁堵、環(huán)境污染等問(wèn)題。地鐵因?yàn)閾碛锌焖?、高效、安全、舒適、載客量大等特點(diǎn),現(xiàn)已成為解決城市交通擁堵的重要手段,也是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。但是,隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展和地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大,地鐵投資及運(yùn)行的巨大能耗也日益引起人們的廣泛關(guān)注。如何在交通樞紐內(nèi)進(jìn)行節(jié)能改造,達(dá)到節(jié)能減排的效果是當(dāng)今需要著重解決的問(wèn)題之一?!暗吞汲鲂小钡母拍钜呀?jīng)在國(guó)內(nèi)外被高度關(guān)注和重視,“低碳交通”是低碳經(jīng)濟(jì)的有機(jī)組成部分,是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的一種延伸,也是當(dāng)前世界各國(guó)和城市制定低碳發(fā)展戰(zhàn)略、履行減排義務(wù)的一種新的發(fā)展理念。為了解決地鐵運(yùn)行的巨大能耗的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者和工程院校都針對(duì)利用壓電效應(yīng)的節(jié)能減排方案進(jìn)行了研究。對(duì)于如何更好的利用壓電效應(yīng)來(lái)發(fā)電從而達(dá)到節(jié)能減排的目的,有眾多學(xué)者和工程院校進(jìn)行了研究。通過(guò)施加電壓,進(jìn)行橡膠硫化制成了“取向型”壓電橡膠。“取向型”壓電橡膠在橡膠中混合有排列好的壓電陶瓷顆粒,增加了施加于排成行的顆粒的力可以提高取向型的壓電性。提出一種基于壓電效應(yīng)的路面無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)方案,利用壓電材料的正壓電效應(yīng),將路面上汽車(chē)等經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,為新能源汽車(chē)充電續(xù)航。分析了壓電陶瓷發(fā)電機(jī)理,設(shè)計(jì)了一種利用軌道交通等人體頻繁踏走的壓電發(fā)電裝置及其能量存儲(chǔ)電路,并進(jìn)行了相關(guān)的理論分析。國(guó)外也有很多相關(guān)理論研究,日本理光開(kāi)發(fā)出“發(fā)電橡膠”,這種新型材料既像陶瓷壓電材料一樣擁有高輸出功率,又與高分子樹(shù)脂壓電材料一樣具備柔性。理光將面向傳感器等用途,推進(jìn)這種發(fā)電橡膠的實(shí)用化。研究了壓電陶瓷/環(huán)氧復(fù)合材料層厚度和驅(qū)動(dòng)條件對(duì)剪切壓電纖維復(fù)合材料的影響,證實(shí)了剪切壓電纖維復(fù)合材料在懸臂梁結(jié)構(gòu)中作為作動(dòng)器的優(yōu)越性。在2010年上海世博會(huì)上,日本館展示了壓電發(fā)電地板,參觀的人們只要把雙腳輪流向地板踩踏幾下,指示發(fā)電量的指示燈就會(huì)顯示出實(shí)際產(chǎn)生的電量。眾多研究證明,利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能可行。這些研究成果為壓電材料發(fā)電技術(shù)的研究提供了參考,但由于產(chǎn)生的電能具有電量弱、波動(dòng)大、收集難的特點(diǎn),壓電效應(yīng)發(fā)電潛能的研究還處在初級(jí)階段,且研究?jī)?nèi)容大都未涉及到評(píng)估能源轉(zhuǎn)換再利用所帶來(lái)的節(jié)能減排效益。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的分析,可以發(fā)現(xiàn)目前基于壓電效應(yīng)針對(duì)交通樞紐節(jié)能減排效益評(píng)估的研究是匱乏的,本文著重從壓電設(shè)施在交通樞紐內(nèi)的節(jié)能減排效益角度出發(fā),初步探討了地鐵站中行人踩壓壓電片的機(jī)械能大小,壓電效應(yīng)原理、能量轉(zhuǎn)換收集的可行性、人體動(dòng)力學(xué)分析以及綜合節(jié)能減排效益,為交通樞紐實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了參考和基本方案。1

研究方法本研究利用壓電效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)地鐵交通樞紐的節(jié)能減排,本部分主要介紹壓電效應(yīng)原理及量化節(jié)能減排量的方法。1.1壓電效應(yīng)壓電陶瓷實(shí)際上是一種經(jīng)過(guò)極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷,是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料。壓電陶瓷的其中一個(gè)主要的原理就是壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)就是當(dāng)介質(zhì)(晶體)受到機(jī)械壓力時(shí),內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面產(chǎn)生異種電荷,從而引起介質(zhì)表面帶電;而這種性質(zhì)稱(chēng)之為壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機(jī)械外力作用下,介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而引起極化,從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。壓電效應(yīng)的存在可以將行人作用在壓電陶瓷上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,壓電效應(yīng)一般可以用以下壓電方程來(lái)表征:1.2節(jié)能減排效益估算(1)日節(jié)能電量的計(jì)算本部分主要介紹具體計(jì)算壓電裝置每日節(jié)能電量的方法。通過(guò)測(cè)量可以得出電壓U和電流I,假設(shè)每天人們踩陶瓷片所用時(shí)間為t則N片壓變陶瓷在1天內(nèi)所產(chǎn)生的能量:經(jīng)過(guò)單位換算,將單位瓦特秒換算為千瓦時(shí)為:(2)日減碳排放量的計(jì)算本部分主要介紹如何將節(jié)約電量通過(guò)公式轉(zhuǎn)化成減碳排量。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),節(jié)約1度電(kW*h)=節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤,同時(shí)減排0.997kg二氧化碳(CO2)和減排0.272kg碳粉塵。則日碳減排量為:式中:C為減少排放的碳粉塵量;E1為節(jié)省的能量;常數(shù)值0.272來(lái)源于中外能源[9]和太陽(yáng)能[10]的期刊文獻(xiàn)。2

行人的機(jī)械能人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,每一個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程所產(chǎn)生的能量各不相同,分析人體在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)外界所產(chǎn)生的能量對(duì)于分析壓電陶瓷發(fā)電系統(tǒng)功效非常重要。本研究主要研究人-地豎向相互運(yùn)動(dòng),將壓電板看作梁,運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)求解人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量,本文在分析的過(guò)程中借鑒了張瓊[11]的基于行人動(dòng)力學(xué)模型的人-橋豎向動(dòng)力相互作用的相關(guān)研究。2.1前提準(zhǔn)備將人群進(jìn)行分類(lèi):(1)根據(jù)性別分類(lèi):將人體重設(shè)為Mh.根據(jù)2015年國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告》,中國(guó)男性平均體重為66.2kg,女性平均體重為57.3kg。(2)根據(jù)不同速度分類(lèi)在上下班高峰期,人群地鐵站中運(yùn)動(dòng)的速度比低峰期要高得多。將人體運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為Vh,一般可以取0.9倍的步頻。一般情況下,正常人每分鐘步行速度約為1米每秒,步距大約為60~75cm,每分鐘約跨120步,頻率大約為1Hz。在分析人體-發(fā)電器的運(yùn)動(dòng)模型時(shí),為了計(jì)算方便,將行人模型簡(jiǎn)化成由彈簧-質(zhì)量-阻尼器(SMD)的人體動(dòng)力學(xué)模型組成。模型中mp、kp、cp分別表示人體動(dòng)力學(xué)模型中的質(zhì)量、剛度和阻尼,u、up分別表示人與壓電板的豎向位移,up1、up2分別表示人與壓電板的豎向位移的一、二階導(dǎo)數(shù)。2.2運(yùn)動(dòng)模型分析本部分主要分析行人在交通樞紐內(nèi)進(jìn)行位移時(shí)在不同步頻與性別下所具有機(jī)械能大小。行人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力包括:阻尼力、彈性力、慣性力。由行人受力情況,可得到行人動(dòng)力平衡方程:式中,Mh為行人實(shí)際質(zhì)量;fp為行走頻率。綜合分析:在SMD模型中,整個(gè)模型獲得的能量為:3案例分析地鐵是城市用電大戶(hù),晝夜運(yùn)行的電氣列車(chē),地下車(chē)站通風(fēng)、照明、空調(diào)、取暖和其他各種耗電設(shè)備與設(shè)施等,在節(jié)電、排污方面都有很大的效益空間。本研究將會(huì)根據(jù)壓電效應(yīng)原理的應(yīng)用,結(jié)合地鐵交通樞紐的交通數(shù)據(jù),進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。將北京各地鐵樞紐轉(zhuǎn)化為更加清晰直觀的熱點(diǎn)圖,見(jiàn)圖1。以北京地鐵樞紐工作日的早晚高峰進(jìn)出站客流量為例,本研究將根據(jù)不同時(shí)段的客流密度,對(duì)壓電設(shè)備進(jìn)行控制,盡可能實(shí)現(xiàn)最大效率的客流機(jī)械能利用,將客流腳步壓力產(chǎn)生的機(jī)械能通過(guò)壓電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行供應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)交通樞紐處的節(jié)能減排。(a)(b)圖1北京地鐵交通樞紐早(a)晚(b)高峰熱力圖Fig.1Morning(a)andevening(b)rushhoursheatmapofBeijingsubwaytransportationhub3.1地鐵樞紐客流量能量分析行人在不同步頻與性別下通過(guò)運(yùn)動(dòng)模型(8)計(jì)算具有的能量如表1所示。經(jīng)調(diào)查分析,中國(guó)總?cè)丝谛詣e比為104.81(女性為100),以北京為例,2018年軌道交通所承載的日客運(yùn)量為1054.36萬(wàn)。早高峰占全天出行量的23.0%,晚高峰占全天出行量的16.6%。目前地鐵早晚高峰時(shí)段客流集中,高峰時(shí)段路網(wǎng)的進(jìn)站量、換乘量已占全日客流總量45%左右。理想狀態(tài)下,假設(shè)所有的客源均與該模塊接觸,產(chǎn)生的能量如表2所示:3.2壓電裝置應(yīng)用示例壓電裝置在地鐵樞紐處的模型展示:通過(guò)將壓電裝置設(shè)置在地鐵樞紐的客流必經(jīng)地,以達(dá)到最高效率對(duì)腳步壓力產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行收集??紤]到在非高峰時(shí)段樓梯的行人流量較小,所以將壓電裝置集中設(shè)置在自動(dòng)扶梯上下部蓋板處。以設(shè)置在自動(dòng)扶梯上下部蓋板處為例,圖2中乘客踩踏位置為壓電裝置設(shè)置點(diǎn),當(dāng)客流上下扶梯踩踏地面時(shí),便對(duì)壓電裝置產(chǎn)生了壓力,從而產(chǎn)生機(jī)械能,通過(guò)壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能,見(jiàn)圖2。圖2壓電裝置設(shè)置點(diǎn)模擬圖Fig.2Simulationofpiezoelectricdevicesettingpoints以北工大西門(mén)地鐵站為例,可以將壓電裝置設(shè)置在自動(dòng)扶梯的下部蓋板處,見(jiàn)圖3。圖3壓電裝置設(shè)置點(diǎn)實(shí)景Fig.3Piezoelectricdevicesetpoint3.3

節(jié)能效果分析城市軌道交通電能損耗主要包含車(chē)輛電耗和車(chē)站電耗兩部分。據(jù)統(tǒng)計(jì),北京市城市軌道交通車(chē)輛電耗占總電耗的58%,車(chē)站電耗占42%。其中,列車(chē)輔助系統(tǒng)電耗(如通風(fēng)空調(diào)、照明、控制系統(tǒng)等)占車(chē)輛電耗的30%~40%;車(chē)站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電動(dòng)扶梯等電耗占車(chē)站電耗的70%~80%。地鐵交通樞紐內(nèi)有諸多用電設(shè)施,如可變信息版,自動(dòng)售票機(jī)、緊急照明等,見(jiàn)圖4。圖4北工大西門(mén)地鐵站部分用電設(shè)施Fig.4PartoftheelectricityfacilitiesofSubwaystationofBeijingUniversityofTechnology現(xiàn)以北京地鐵為例進(jìn)行本設(shè)計(jì)節(jié)能效果對(duì)比計(jì)算。在還未使用新型發(fā)電裝置前,各地鐵線(xiàn)路用電量見(jiàn)表3。在2016年的數(shù)據(jù)中,僅僅一號(hào)線(xiàn)日消耗量在342887kW·h。通過(guò)參考數(shù)據(jù)可知,一個(gè)新型發(fā)電裝置在比較集中的踩壓頻率下,產(chǎn)生的電壓約為3.6V,電流約為0.1A。假定地鐵每天有10個(gè)小時(shí)的相對(duì)集中踩壓壓電片時(shí)間,則取36000s。初步在一個(gè)地鐵站布置200塊這樣的裝置,北京共有272個(gè)不重復(fù)站點(diǎn),則N=272×200=54400。代入公式(4)可算出N片壓變陶瓷在1年內(nèi)所產(chǎn)生的能量:目前為止,全國(guó)共有31個(gè)城市有城市軌道交通,以北京地鐵線(xiàn)路長(zhǎng)度為單位,全國(guó)的地鐵線(xiàn)路總長(zhǎng)為3984千米,相當(dāng)于7個(gè)北京地鐵線(xiàn)路長(zhǎng)度,則全國(guó)地鐵交通樞紐一年可節(jié)約的電能為:如今新型地鐵站照明系統(tǒng)大多數(shù)更新為L(zhǎng)ED燈照明系統(tǒng),以一個(gè)201mm×210mm×27mm規(guī)格的歐普照明牌LED燈為例,功率為0.036W?h。新型發(fā)電裝置一年節(jié)約的電能可供照明燈個(gè)數(shù)為:滿(mǎn)足了基礎(chǔ)照明需要,最重要的是可以得到清潔無(wú)污染的能源。目前,全球環(huán)境問(wèn)題面臨嚴(yán)峻考驗(yàn),城市軌道交通處于上升階段,若將本研究的新型發(fā)電設(shè)備投入到全球,為了更好的發(fā)電效果,以全球地鐵線(xiàn)路長(zhǎng)度排名前30的城市為例,則全球地鐵線(xiàn)路長(zhǎng)度排名前30的城市地鐵交通樞紐一年可節(jié)約的電能為:同時(shí)還可以通過(guò)公式(5)算出節(jié)省的總碳減排量:由于本研究?jī)H假設(shè)將壓電裝置鋪設(shè)在扶梯的上下蓋板處,所以總節(jié)能減排效益較小,未來(lái)可以通過(guò)把壓電裝置鋪設(shè)到地鐵出入閘口、候車(chē)區(qū)、換乘站電梯等客流必經(jīng)處,形成一種特殊通道并引導(dǎo)行人通過(guò),使行人每一步的壓力都可以變成電能供應(yīng),可以大大節(jié)約能耗,減少環(huán)境污染。每節(jié)約1度(千瓦時(shí))電相當(dāng)于減少0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒、0.272kg碳粉塵排放、0.997kg二氧化碳(CO2)排放、0.03kg二氧化硫(SO2)排放以及0.015kg氮氧化物(NOX)排放。因此,本研究對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義。4結(jié)語(yǔ)本文基于壓電效應(yīng)、交通樞紐客流量以及人體動(dòng)力學(xué),具體測(cè)算了在交通樞紐使用壓電陶瓷板的省電量和碳減排量。在考慮到實(shí)際地鐵客流量及各地鐵線(xiàn)路的用電量,從樞紐內(nèi)行人的機(jī)械能量化統(tǒng)計(jì)、壓電陶瓷板節(jié)約電量、綜合減排量三個(gè)方面進(jìn)行分析,提出相應(yīng)的節(jié)能減排方案。以北工大西門(mén)地鐵站為例,分析了壓電裝置可布設(shè)的最佳位置,進(jìn)行了壓電裝置的模型仿真示例,并根據(jù)公式計(jì)算了交通樞紐的年節(jié)約電量及總碳減排量,具體量化了壓電裝置的節(jié)能減排效益。本文仍有局限性與不足,由于壓電陶瓷板在發(fā)電過(guò)程中會(huì)受到行人的重力擠壓,壓力陶瓷板的使用壽命未被考慮。在節(jié)能減排效益分析方面僅假設(shè)將壓電裝置鋪設(shè)在自動(dòng)扶梯的上下部蓋板處而非鋪設(shè)在所有行人必經(jīng)路

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