新型路面發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)與初步研究論文
摘要:為解決機(jī)動(dòng)車輛路過路面減速裝置時(shí)大量壓力能被消耗的問題，將液壓傳動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到路面減速裝置中。開展路面發(fā)電裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分析，建立機(jī)動(dòng)車輛經(jīng)過減速裝置產(chǎn)生的機(jī)械量與液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的液壓能之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了路面減速發(fā)電裝置。通過對(duì)該裝置的理論計(jì)算，結(jié)果表明:此發(fā)電裝置設(shè)計(jì)合理，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
關(guān)鍵詞:路面發(fā)電;液壓系統(tǒng);能量轉(zhuǎn)換
1引言
進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著人民生活水平的提高，機(jī)動(dòng)車的保有量越來越大，但隨之而來的是交通事故的急劇增長，嚴(yán)重影響了人們的生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，自2001年以來，因車輛超速行駛而導(dǎo)致的交通事故數(shù)量一直位于各種違法行為的第二位，超速行駛是導(dǎo)致交通事故的最主要原因之一。
為保證安全交管部門在事故易發(fā)路段設(shè)置大量的減速裝置，車輛通過這些減速裝置時(shí)能量被大量的浪費(fèi)掉。本文設(shè)計(jì)了一種新型路面發(fā)電裝置的系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在需要減速的路段，既可起到減速作用又可以將浪費(fèi)的能量加以有效利用。
2系統(tǒng)組成
2.1需要考慮的因素根據(jù)汽車的行駛以及路面的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套合適的發(fā)電系統(tǒng)，主要從以下幾個(gè)方面考慮:①裝置依靠汽車重力進(jìn)行發(fā)電，設(shè)計(jì)的發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)將重力轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的其他能量形式;②單個(gè)發(fā)電裝置輸出的不穩(wěn)定性。通過發(fā)電裝置的汽車的大小種類不同發(fā)電裝置的輸出功率相差比較大，此問題可用適當(dāng)?shù)木彌_存儲(chǔ)裝置解決;③要有足夠大的速度輸出。器械的轉(zhuǎn)速直接用來發(fā)電的話，可能與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不太匹配，需要借助一定的齒輪變速裝置來匹配轉(zhuǎn)速;
④輸出要穩(wěn)定。汽車通過發(fā)電裝置具有不確定性，故發(fā)出的電量可能時(shí)大時(shí)小，故在系統(tǒng)中需加儲(chǔ)能裝置，最后由儲(chǔ)能裝置將高壓油液穩(wěn)定輸出驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)做功。
2.2組成原理圖
發(fā)電裝置由液壓囊、液壓飛輪(馬達(dá))、齒輪變速器、發(fā)電機(jī)組等組成。原理如圖1所示。
3系統(tǒng)原理及分析
3.1系統(tǒng)工作原理此裝置布置在車流密集的路段，多個(gè)小液壓囊相互并聯(lián)而組成一個(gè)液壓囊組。小液壓囊中充滿液壓油，當(dāng)汽車通過鋪設(shè)這種特殊液壓囊的路面時(shí)，汽車本身的重力使特殊液壓囊受壓變形，囊內(nèi)的油壓升高，單向閥打開，油液由出油口排出，排出的油通過出油管匯總到主出油管，再充入蓄能器中。高壓油液一種相對(duì)平穩(wěn)的壓力輸出驅(qū)動(dòng)液壓飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓飛輪通過齒輪變速裝置調(diào)速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從液壓飛輪排出的較低壓力的液壓油經(jīng)過油液緩沖室中;緩沖室中的液壓油液依次經(jīng)過主回油管、回油管重新回到液壓囊中(在回油回路上設(shè)有油液補(bǔ)充裝置)，等待另一個(gè)供油發(fā)電過程的開始，至此完成一個(gè)供油發(fā)電的循環(huán)(如圖1箭頭所示)。
如上所述，系統(tǒng)各組成單元中的運(yùn)動(dòng)形式如圖2所示。系統(tǒng)工作時(shí)，能量在系統(tǒng)各組成單元間傳遞，從汽車的勢(shì)能到電能的轉(zhuǎn)化過程如圖3所示。
圖2系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)形式圖
圖3能量轉(zhuǎn)化原理圖汽車路過發(fā)電裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是不能確定的，因此直接用不穩(wěn)定的.機(jī)械能來發(fā)電是沒有意義的，但通過一定的緩沖裝置將不穩(wěn)定的機(jī)械能先轉(zhuǎn)化為其他形式的穩(wěn)定能量，如液壓能，再來發(fā)電，效率就會(huì)提高很多。故將液壓囊傳來的油先存儲(chǔ)在蓄能器內(nèi)，當(dāng)蓄能器內(nèi)的油壓達(dá)到一定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并維持油壓在這一定值附近，以保證液壓馬達(dá)葉輪的轉(zhuǎn)速在一個(gè)不大的范圍內(nèi)變化，發(fā)出的電能波動(dòng)也不大，再通過相關(guān)的處理裝置就可以得到較高質(zhì)量的電能。
3.2系統(tǒng)分析
假設(shè)一輛重量為10 t的汽車以36 km/h通過液壓囊，液壓囊的上表面面積為30 cm×30 cm，液壓囊上面板向下移動(dòng)距離為5 cm。汽車在通過液壓囊時(shí)重力所做的功為:W=Mgh(1)式中:W為汽車壓過液壓囊所做的功(J);M為汽車壓在液壓囊上的重力(kg)，按1/4車計(jì)算;g為重力加速度(10 N/kg);h為下降距離(m)。
汽車通過液壓囊的時(shí)間為:
t=h/V(2)式中:t為時(shí)間(s);V為汽車的速度(m/s)。
每個(gè)液壓囊的功率為:
P=W/t×η(3)式中:P為液壓囊的功率(kW);η為液壓囊的能量轉(zhuǎn)換效率(按30%計(jì)算)由式(1)得W=250 J，由式(2)得下降時(shí)間t=0.03 S，代入式(3)可得每個(gè)液壓囊的功率p=2.5 kW。
每個(gè)液壓發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量為100 kW/h，目前國內(nèi)火力發(fā)電能耗的平均標(biāo)準(zhǔn)為:每產(chǎn)生一度電消耗344 g標(biāo)準(zhǔn)煤、4 L淡水并產(chǎn)生150 g灰渣、800 g二氧化碳、10 g二氧化硫。按照每臺(tái)新型發(fā)電裝置功率100 kW，每天工作8 h計(jì)算一年(365天)產(chǎn)生的電能為29.2萬度。按火力發(fā)電的能耗標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，一年可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤100.448 t;節(jié)約用水1168 t;減少灰渣垃圾排放43.8 t;減排二氧化碳233.6 t;減排二氧化硫2.92 t。同時(shí)生產(chǎn)出來的電能按每度電0.5元計(jì)算可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益14.6萬元。
4結(jié)語
本文基于液壓傳動(dòng)、蓄能器等理論知識(shí)提出了一種利用汽車碾壓路面的液壓系統(tǒng)產(chǎn)生電能的新方法，設(shè)計(jì)了一套利用液壓發(fā)電的液壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)將器材不穩(wěn)定的壓力能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的液壓能，然后利用穩(wěn)定的液壓能發(fā)電，提供較為穩(wěn)定電能。對(duì)系統(tǒng)的能耗分析，可以看出其應(yīng)用前景及蘊(yùn)藏的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
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