隧道活塞风发电利用前景研究

　　引言

　　列车在半自由的区间隧道行驶时，列车尾部的空气稀疏，导致尾部压强升高，列车前部空气受挤压而使压力升高;由于隧道边壁限制了空气的流动，在同一水平面上，气体从高气压流向低气压，活塞风就形成了。这种现象也被称为活塞效应[1]。

　　地铁、轻轨车站的通风和照明等设备功率大，运行时间长，运营能耗大。广州地铁一号线投资122亿，运营三年平均每年运营收入在1.8亿元人民币，但就2008年运营成本却达2.3亿元人民币。沉重的通风照明费用是高成本的原因之一。如何在保证乘客舒适度要求，尽可能的节约能耗，降低运行费用，是隧道建设部门必须考虑的问题。本文通过对活塞风的研究，提出一种新的活塞风利用模式—活塞风发电。

　　一、国内外隧道活塞风的利用

　　虽然国内外关于地铁活塞风本身性能的研究较多。Kim对地铁列车在隧道内加减速运动中引起的活塞风进行了分析;Ke分析了活塞风引起的压力变化对地铁屏蔽门的影响;同济大学王丽慧建立区间隧道微缩模型，研究隧道内活塞风风速的影响因素和分布规律;运用单因素试验分析了改善活塞风影响效果的各因素，并通过正交试验给出显著性分析[2]。天津大学董书芸硕士结合现场实测、数值模拟等四种研究方法，对活塞风对地铁环境的影响规律、对地铁通风空调系统能耗的影响，为地铁工程设计提供了必要的依据[3]。北京工业大学陈超教授提出通过增设活塞风井的方式，有效利用与控制活塞风对前方车站热环境影响的设计方案[4]。但业内对于如何有效利用隧道内的活塞风，特别是利用活塞风进行风力发电，降低整条地铁线路的运营成本的研究国内外目前仍处于空白阶段。

　　二、活塞风发电前景

　　1、现状

　　21世纪是中国城市轨道交通的新纪元。随着我国城市人口的急剧增加，对城市快速交通的需求不断增大;而城市经济的发展也为建设轨道交通提供了资金条件。在我国，发展快速轨道交通是解决大城市交通问题的根本途径。地铁与其他交通工具相比，具有载客量大、运行快速准点、室外占地少及环境污染少的优点。我国已将未来城市交通轨道化发展列为今后30-50年内的重点，计划将在多座城市建设地铁和轻轨等轨道交通系统。地铁系统本身是投资巨大，运行成本很高的设施，而通风空调系统又是地铁系统中耗资巨大的环节。地铁站台的通风空调系统设备功率大，运行时间长，运行能耗大。随着地铁的广泛应用，如何在保证满足站厅和站台的舒适度要求的前提下，尽可能的节约能耗，降低运行费用，是地铁系统必须考虑的问题。

　　2、技术可行性分析

　　风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电[5]。我国目前的发电技术能将达到每秒三公尺的风速利用起来发电。而在城市轨道里实测活塞风风速的大小远远超过每秒三公尺的速度。发电机将活塞风动能转化为电能，输出的交流电经充电器整流蓄存在电瓶里，使的电能变成化学能[6]。小型风力发电机若应用磁悬浮技术便可消除了机械轴承间摩擦力，降低风力发电机起动风速减少轴承的维护成本，从而从总体上降低风电成本[7]。国内的全永磁悬浮离网型水平轴风力发电机能提高了风能的能流密度和品位，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳定等弱点[8]。

　　3、经济可行性分析

　　按照目前的估算包括发电设备和安全系统，隧道内安装一个风轮的平均成本约为800元。如果按照每隔5米安装一个风轮计算，这样一段隧道的设备投入约为25万元。如果电费按0.8元/千瓦时计算，每台风力发电机发电量计算为500千瓦时，一台风轮一年可以节省电费400元，在2-3年间可以回收800元的设备成本。根据估算平均十台小型风力发电机的发电量约等于一吨煤的发电量，其中十台小型风力发电机的总成本约为8000元。但是影响活塞风风力发电的主要因素是小型风力发电机的价格，在现代科学技术手段不断发展的情况下，小型风力发电机的价格肯定会下降，而发电功率反而会上升。而煤作为一种不可再生资源，其成本价格会随着资源总量的减少攀升。而且，煤在燃烧中产生的大量废气废渣也将对环境造成严重的污染。在节能减排的大背景下，使用煤发电的成本肯定会上升。

　　三、活塞风发电的社会效益

　　在我国高速发展的轨道交通网络系统中，地铁轻轨将不可避免的遇到活塞风对轨道交通带来的问题随着轨道交通在我国的广泛应用，其能耗状况颇受关注节能运营是轨道交通长期可持续发展的关键。在以往的工程实践中活塞风对地铁通风和能耗中都起重要影响，许多设计将活塞风白白浪费，尽量减小活塞风的风速但收效都甚微。从前二节可以看出：无论采用什么样的方法，只可能稍微减小活塞风风速，要完全消除活塞风是不现实的。而这就给利用活塞风发电提供了一个好的环境，将活塞风风能通过小型发电机将风能转换成电能。这是将以往的理论研究与实际应用相结合的过程，为地铁环控的节能运营提供参考、指明方向，具有较好的实用价值。

　　四、结论及展望

　　1、经过笔者初步测试地铁最高车速约70公里，折成风速大约是14m/s，正常速度行使时风速约为6m/s，完全能够达到风机正常启动风速。

　　2、不管是从环境还是从成本上来考虑，活塞风风力发电在经济上是完全可行的。笔者从现代科技技术发展速度可以预测，如果在小型风力发电机上做适当的研究，可以乐观的估计，小型风力发电机的成本价格会下降30%-50%左右。

　　3、目前对隧道内风能的回收利用在技术理论上还需要进一步深入的研究。这项技术实践应用之路还很长，包括风轮的设计、风轮之间的距离都是技术研发中尚未确定的环节。当然要真正实现活塞风发电效益化，还要解决诸如如何控制活塞风大小，如何确定隧道断面最优化等问题。

　　参考文献

　　1、金学易, 陈文英. 隧道通风及隧道空气动力学[ M].北京:中国铁道出版社,1983:71-79.

　　2、王丽慧. 地铁活塞风与地铁环控节能[D].上海：同济大学,2007.3.

　　3、 董书芸. 北方城市地铁活塞风对地铁环境的影响规律及其有效利用[D].天津:天津大学，2008.2.

　　4、 任明亮，陈超，郭强. 地铁活塞风的分析计算与有效利用[J].上海交通大学学报,2008，42 (8) : 1376 -1380.

　　5、韩春福. 国内外风力发电发展浅析[J].沈阳工程学院学报,2008,(10).

　　6、何如喜. 中国风能产业发展现状及对策研究[J].中国新技术新产品,2008,(8).

　　7、徐波. 小型风力发电机永磁轴承承载特性研究 [D].湖北:武汉理工大学,2009.5.

　　8、田德，王海宽，韩巧丽.浓缩风能型风力发电机的研究与进展[C].农业工程学报，2003.(19):177-181

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文章名称： 隧道活塞风发电利用前景研究

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