新型路面发电装置的设计与初步研究

　　摘要:为解决机动车辆路过路面减速装置时大量压力能被消耗的问题，将液压传动技术应用到路面减速装置中。开展路面发电装置机械结构和液压系统设计的分析，建立机动车辆经过减速装置产生的机械量与液压系统产生的液压能之间的关系，设计了路面减速发电装置。通过对该装置的理论计算，结果表明:此发电装置设计合理，经济效益显著。
 

　　关键词:路面发电;液压系统;能量转换
 

　　1引言

　　进入21世纪以来，随着人民生活水平的提高，机动车的保有量越来越大，但随之而来的是交通事故的急剧增长，严重影响了人们的生命安全。据统计资料表明，自2001年以来，因车辆超速行驶而导致的交通事故数量一直位于各种违法行为的第二位，超速行驶是导致交通事故的最主要原因之一。

　　为保证安全交管部门在事故易发路段设置大量的减速装置，车辆通过这些减速装置时能量被大量的浪费掉。本文设计了一种新型路面发电装置的系统，该系统安装在需要减速的路段，既可起到减速作用又可以将浪费的能量加以有效利用。
 

　　2系统组成

　　2.1需要考虑的因素根据汽车的行驶以及路面的特点，设计一套合适的发电系统，主要从以下几个方面考虑:

①装置依靠汽车重力进行发电，设计的发电系统应将重力转换为可以驱动发电机的其他能量形式;

②单个发电装置输出的不稳定性。通过发电装置的汽车的大小种类不同发电装置的输出功率相差比较大，此问题可用适当的缓冲存储装置解决;

③要有足够大的速度输出。器械的转速直接用来发电的话，可能与发电机的转速不太匹配，需要借助一定的齿轮变速装置来匹配转速;

　　④输出要稳定。汽车通过发电装置具有不确定性，故发出的电量可能时大时小，故在系统中需加储能装置，最后由储能装置将高压油液稳定输出驱动液压马达做功。

　　2.2组成原理图

　　发电装置由液压囊、液压飞轮(马达)、齿轮变速器、发电机组等组成。原理如图1所示。
 

　　3系统原理及分析

　　3.1系统工作原理此装置布置在车流密集的路段，多个小液压囊相互并联而组成一个液压囊组。小液压囊中充满液压油，当汽车通过铺设这种特殊液压囊的路面时，汽车本身的重力使特殊液压囊受压变形，囊内的油压升高，单向阀打开，油液由出油口排出，排出的油通过出油管汇总到主出油管，再充入蓄能器中。高压油液一种相对平稳的压力输出驱动液压飞轮转动，液压飞轮通过齿轮变速装置调速后带动发电机发电。从液压飞轮排出的较低压力的液压油经过油液缓冲室中;缓冲室中的液压油液依次经过主回油管、回油管重新回到液压囊中(在回油回路上设有油液补充装置)，等待另一个供油发电过程的开始，至此完成一个供油发电的循环(如图1箭头所示)。

　　如上所述，系统各组成单元中的运动形式如图2所示。系统工作时，能量在系统各组成单元间传递，从汽车的势能到电能的转化过程如图3所示。

　　图2系统的运动形式图

　　图3能量转化原理图汽车路过发电装置的运动规律是不能确定的，因此直接用不稳定的机械能来发电是没有意义的，但通过一定的缓冲装置将不稳定的机械能先转化为其他形式的稳定能量，如液压能，再来发电，效率就会提高很多。故将液压囊传来的油先存储在蓄能器内，当蓄能器内的油压达到一定值时，驱动马达转动带动发电机发电，并维持油压在这一定值附近，以保证液压马达叶轮的转速在一个不大的范围内变化，发出的电能波动也不大，再通过相关的处理装置就可以得到较高质量的电能。
 

　　3.2系统分析

　　假设一辆重量为10 t的汽车以36 km/h通过液压囊，液压囊的上表面面积为30 cm×30 cm，液压囊上面板向下移动距离为5 cm。汽车在通过液压囊时重力所做的功为:W=Mgh(1)式中:W为汽车压过液压囊所做的功(J);M为汽车压在液压囊上的重力(kg)，按1/4车计算;g为重力加速度(10 N/kg);h为下降距离(m)。

　　汽车通过液压囊的时间为:

　　t=h/V(2)式中:t为时间(s);V为汽车的速度(m/s)。

　　每个液压囊的功率为:

　　P=W/t×η(3)式中:P为液压囊的功率(kW);η为液压囊的能量转换效率(按30%计算)由式(1)得W=250 J，由式(2)得下降时间t=0.03 S，代入式(3)可得每个液压囊的功率p=2.5 kW。

　　每个液压发电机组装机容量为100 kW/h，目前国内火力发电能耗的平均标准为:每产生一度电消耗344 g标准煤、4 L淡水并产生150 g灰渣、800 g二氧化碳、10 g二氧化硫。按照每台新型发电装置功率100 kW，每天工作8 h计算一年(365天)产生的电能为29.2万度。按火力发电的能耗标准计算，一年可以节约标准煤100.448 t;节约用水1168 t;减少灰渣垃圾排放43.8 t;减排二氧化碳233.6 t;减排二氧化硫2.92 t。同时生产出来的电能按每度电0.5元计算可产生经济效益14.6万元。
 

　　4结语

　　本文基于液压传动、蓄能器等理论知识提出了一种利用汽车碾压路面的液压系统产生电能的新方法，设计了一套利用液压发电的液压系统。该系统将器材不稳定的压力能转化为稳定的液压能，然后利用稳定的液压能发电，提供较为稳定电能。对系统的能耗分析，可以看出其应用前景及蕴藏的发展潜力。