新型路面發電裝置的設計與初步研究論文
新型路面發電裝置的設計與初步研究論文
摘要:為解決機動車輛路過路面減速裝置時大量壓力能被消耗的問題，將液壓傳動技術應用到路面減速裝置中。開展路面發電裝置機械結構和液壓系統設計的分析，建立機動車輛經過減速裝置產生的機械量與液壓系統產生的液壓能之間的關係，設計了路面減速發電裝置。透過對該裝置的理論計算，結果表明:此發電裝置設計合理，經濟效益顯著。
關鍵詞:路面發電;液壓系統;能量轉換
1引言
進入21世紀以來，隨著人民生活水平的提高，機動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，嚴重影響了人們的生命安全。據統計資料表明，自2001年以來，因車輛超速行駛而導致的交通事故數量一直位於各種違法行為的第二位，超速行駛是導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路段設定大量的減速裝置，車輛透過這些減速裝置時能量被大量的浪費掉。本文設計了一種新型路面發電裝置的系統，該系統安裝在需要減速的路段，既可起到減速作用又可以將浪費的能量加以有效利用。
2系統組成
2.1需要考慮的因素根據汽車的行駛以及路面的特點，設計一套合適的發電系統，主要從以下幾個方面考慮:①裝置依靠汽車重力進行發電，設計的發電系統應將重力轉換為可以驅動發電機的其他能量形式;②單個發電裝置輸出的不穩定性。透過發電裝置的汽車的大小種類不同發電裝置的輸出功率相差比較大，此問題可用適當的緩衝儲存裝置解決;③要有足夠大的速度輸出。器械的轉速直接用來發電的話，可能與發電機的轉速不太匹配，需要藉助一定的齒輪變速裝置來匹配轉速;
④輸出要穩定。汽車透過發電裝置具有不確定性，故發出的電量可能時大時小，故在系統中需加儲能裝置，最後由儲能裝置將高壓油液穩定輸出驅動液壓馬達做功。
2.2組成原理圖
發電裝置由液壓囊、液壓飛輪(馬達)、齒輪變速器、發電機組等組成。原理如圖1所示。
3系統原理及分析
3.1系統工作原理此裝置佈置在車流密集的路段，多個小液壓囊相互並聯而組成一個液壓囊組。小液壓囊中充滿液壓油，當汽車透過鋪設這種特殊液壓囊的路面時，汽車本身的重力使特殊液壓囊受壓變形，囊內的油壓升高，單向閥開啟，油液由出油口排出，排出的油通過出油管彙總到主出油管，再充入蓄能器中。高壓油液一種相對平穩的壓力輸出驅動液壓飛輪轉動，液壓飛輪透過齒輪變速裝置調速後帶動發電機發電。從液壓飛輪排出的較低壓力的液壓油經過油液緩衝室中;緩衝室中的液壓油液依次經過主回油管、回油管重新回到液壓囊中(在回油迴路上設有油液補充裝置)，等待另一個供油發電過程的開始，至此完成一個供油發電的迴圈(如圖1箭頭所示)。
如上所述，系統各組成單元中的運動形式如圖2所示。系統工作時，能量在系統各組成單元間傳遞，從汽車的勢能到電能的轉化過程如圖3所示。
圖2系統的運動形式圖
圖3能量轉化原理圖汽車路過發電裝置的運動規律是不能確定的，因此直接用不穩定的.機械能來發電是沒有意義的，但透過一定的緩衝裝置將不穩定的機械能先轉化為其他形式的穩定能量，如液壓能，再來發電，效率就會提高很多。故將液壓囊傳來的油先儲存在蓄能器內，當蓄能器內的油壓達到一定值時，驅動馬達轉動帶動發電機發電，並維持油壓在這一定值附近，以保證液壓馬達葉輪的轉速在一個不大的範圍內變化，發出的電能波動也不大，再透過相關的處理裝置就可以得到較高質量的電能。
3.2系統分析
假設一輛重量為10 t的汽車以36 km/h透過液壓囊，液壓囊的上表面面積為30 cm×30 cm，液壓囊上面板向下移動距離為5 cm。汽車在透過液壓囊時重力所做的功為: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車計算;g為重力加速度(10 N/kg);h為下降距離(m)。
汽車透過液壓囊的時間為:
t=h/V(2)式中:t為時間(s);V為汽車的速度(m/s)。
每個液壓囊的功率為:
P=W/t×η(3)式中:P為液壓囊的功率(kW);η為液壓囊的能量轉換效率(按30%計算)由式(1)得W=250 J，由式(2)得下降時間t=0.03 S，代入式(3)可得每個液壓囊的功率p=2.5 kW。
每個液壓發電機組裝機容量為100 kW/h，目前國內火力發電能耗的平均標準為:每產生一度電消耗344 g標準煤、4 L淡水併產生150 g灰渣、800 g二氧化碳、10 g二氧化硫。按照每臺新型發電裝置功率100 kW，每天工作8 h計算一年(365天)產生的電能為29.2萬度。按火力發電的能耗標準計算，一年可以節約標準煤100.448 t;節約用水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。同時生產出來的電能按每度電0.5元計算可產生經濟效益14.6萬元。
4結語
本文基於液壓傳動、蓄能器等理論知識提出了一種利用汽車碾壓路面的液壓系統產生電能的新方法，設計了一套利用液壓發電的液壓系統。該系統將器材不穩定的壓力能轉化為穩定的液壓能，然後利用穩定的液壓能發電，提供較為穩定電能。對系統的能耗分析，可以看出其應用前景及蘊藏的發展潛力。