劉鵬飛，　韓　星（上海理工大學(xué)，上海200093）

基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置在我國(guó)應(yīng)用的可行性分析

劉鵬飛，韓星
（上海理工大學(xué)，上海200093）

提出一種基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置。該裝置通過壓縮容器里的流體，從噴口處產(chǎn)生射流驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，達(dá)到發(fā)電的目的。通過流體模擬分析和計(jì)算，證明了流體射流發(fā)電的可行性，并計(jì)算了其發(fā)電量。

流體壓縮； 射流； 發(fā)電； 可行性

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.004

0　引言

中國(guó)目前發(fā)電主要以火力發(fā)電為主，屬于不可再生的非清潔能源。在日常生活中，人類有大量的做功，但是并沒有轉(zhuǎn)化為有效的能源，例如舉重、踩踏等動(dòng)作。本文擬通過研究基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置，對(duì)人類的踩踏動(dòng)作的能量加以利用，通過壓縮流體產(chǎn)生射流的方法，把能量轉(zhuǎn)化為電能，以達(dá)到能量轉(zhuǎn)化的任務(wù)。

目前，國(guó)外已經(jīng)有許多利用震動(dòng)發(fā)電的項(xiàng)目了。以色列利用微型壓電晶體在受到擠壓變形時(shí)會(huì)產(chǎn)生電能的特性來獲取巨大的能量，把成千上萬個(gè)壓電晶體植入公路表面，在理想情況下，每公里路段每小時(shí)的發(fā)電量可達(dá)400度；荷蘭有全世界第一家通過跳舞發(fā)電的迪廳，舞池中大約1/3的用電是跳舞的賓客們自己產(chǎn)生的；倫敦一家生態(tài)環(huán)保夜總會(huì)，它的舞池地板可以將人們舞動(dòng)而產(chǎn)生的能量通過地板下的彈簧和一系列發(fā)電裝置轉(zhuǎn)化成電能，采用這套裝置，理想情況下可以解決夜總會(huì)60%的電力需求。［5］

利用壓縮流體產(chǎn)生射流的方式可以充分利用我國(guó)人口眾多、人員活動(dòng)范圍廣的特點(diǎn)，把這些由于人員活動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為我們需要的能量。

1　流體壓縮和射流能量轉(zhuǎn)化的理論分析

基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置依靠地面震動(dòng)壓縮［3］裝置內(nèi)部貯存流體的部件1，使1內(nèi)的流體在壓縮作用下，通過側(cè)面的噴口5產(chǎn)生射流，利用射流驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)來發(fā)電。流體在整個(gè)裝置內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，受到擠壓時(shí)流體從單向出口5噴口射出，通過單向出口5處的發(fā)電機(jī)，填充到緩沖管道3里，擠壓脫離時(shí)，在彈簧復(fù)位裝置2的作用下，流體通過入口處的發(fā)電機(jī)6從單向入口噴口7進(jìn)入貯存流體的部件1。詳見圖1的裝置原理圖。從能量轉(zhuǎn)化的角度來計(jì)算，人體上下運(yùn)動(dòng)作用在裝置上表面的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成流體的動(dòng)能，通過噴口以射流的形式作用在發(fā)電機(jī)上把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能［2］。人體運(yùn)動(dòng)作用在上表面的過程中，需考慮壓縮過程中儲(chǔ)存在彈簧中的勢(shì)能和摩擦的能量損失；壓縮流體產(chǎn)生射流的過程中有噴口處內(nèi)外截面突變的局部能量損失；最后要考慮發(fā)電機(jī)的摩擦損失和電能損失。

圖1　基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置原理圖1-貯存流體部件　2-彈簧復(fù)位裝置　3-緩沖管道　4、6-管道發(fā)電機(jī)5-單向出口噴口　7-單向入口噴口

通過上述計(jì)算方法得到的是基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置的理論最大發(fā)電量，是在沒有考慮發(fā)電機(jī)設(shè)備的參數(shù)要求的情況下得到的。如果考慮某種發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和功率，在滿足運(yùn)行最低條件的工況下，直接通過發(fā)電機(jī)輸出功率來計(jì)算裝置的發(fā)電量。

2　不同設(shè)計(jì)條件下裝置的發(fā)電量計(jì)算

根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致貯存流體的部件被壓縮的深度H和射流噴口的口徑Φ的不同，有不同的發(fā)電量計(jì)算結(jié)果。噴嘴的長(zhǎng)度為10mm。經(jīng)過查閱規(guī)范，人體的平均重量G=600N，腳步踩下抬起的平均時(shí)間周期為0.5s。人體運(yùn)動(dòng)作用在上表面的過程中，壓縮過程中儲(chǔ)存在彈簧中的勢(shì)能和摩擦的能量損失用ξ1表示；壓縮流體產(chǎn)生射流的過程中噴口處內(nèi)外截面突變的局部能量損失用ξ2表示［1，4］；發(fā)電機(jī)的摩擦損失和電能損失用ξ3表示。

噴口的面積：

式中 A—噴口的面積，m3；

Π—圓周率；

Φ—射流噴口的口徑，mm。

出口噴口的速度：

式中 ν—噴口的速度［2］，m/s；

a—裝置表面的長(zhǎng)度，m；

b—裝置表面的寬度，m；

τ—腳步踩下抬起的平均時(shí)間周期，s；

H—部件被壓縮的深度，mm。

出口處流量：

式中 q—出口處流量，m3/s。

壓縮過程中儲(chǔ)存在彈簧中的勢(shì)能和摩擦的能量損失用ξ1［4］可由裝置的設(shè)計(jì)決定；根據(jù)噴口長(zhǎng)度、口徑以及流速和流量查閱得到噴口處內(nèi)外截面突變的局部能量損失ξ2；發(fā)電機(jī)的摩擦損失和電能損失用ξ3可由發(fā)電機(jī)的選型決定。

則，發(fā)電效率：

式中 η—發(fā)電效率，%；

ξ1—彈簧中的勢(shì)能和摩擦的能量損失，%；

ξ2—噴口處內(nèi)外截面突變的局部能量損失，%；

ξ3—發(fā)電機(jī)的摩擦損失和電能損失，%。發(fā)電功率：

式中 P—發(fā)電功率，W；

G—人體的平均重量，N。

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)，取該裝置上下表面積為600×600mm2作為計(jì)算的依據(jù)。另外，取一臺(tái)管道發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備計(jì)算，其參數(shù)如下，運(yùn)行水壓：0.05～0.45 MPa；最大運(yùn)行水壓：0.55 MP；最大承壓：1.6MPa；流量損耗：5.1%（0.25 MP時(shí)）；工作溫度范圍：5～95℃；輸出電壓：3.8～23.7VAC/空載，2.5～16.8 VAC/負(fù)載；輸出電流：18～32 MA/0.1 K負(fù)載；外形尺寸：￠37×41 mm （ZS-F02）；檢測(cè)時(shí)輸出口：開放（注：0.2MP時(shí)水壓能同時(shí)點(diǎn)亮18顆LED指示燈）。

發(fā)電機(jī)在最低運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)電功率：

式中 P0—發(fā)電機(jī)在最低運(yùn)行狀態(tài)下的發(fā)電功率，W；

U—發(fā)電機(jī)在最低運(yùn)行狀態(tài)下的電壓，V；

I—發(fā)電機(jī)在最低運(yùn)行狀態(tài)下的電流，A。

本文針對(duì)該裝置設(shè)計(jì)了四套方案。在部件被壓縮的深度方面，為保證人體的穩(wěn)定性，采用5mm和2.5mm的設(shè)計(jì)；在射流噴口的口徑方面，為契合市場(chǎng)閥門口徑并滿足裝置發(fā)電要求，采用10mm和15mm的設(shè)計(jì)。根據(jù)上文計(jì)算方法，可計(jì)算得不同設(shè)計(jì)方案工況下該裝置的出口射流速度、出口流量、發(fā)電效率和發(fā)電功率。匯總見表1。

表1　不同工況下的發(fā)電效率和功率

綜合以上四種不同設(shè)計(jì)規(guī)格的計(jì)算可知，流體的部件被壓縮的深度H和射流噴口的口徑Φ的不同，會(huì)影響發(fā)電功率的大小，通過對(duì)基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)，并且采用效率更高的發(fā)電機(jī)設(shè)備可以得到更佳的發(fā)電效果。

3　基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置的產(chǎn)效

以步行街為例，按一條中等繁華的步行街，街道面積為500m×20m，一天中有12h有行人在行走，即一天有12h基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置在起作用，那么這條步行街一天的最小發(fā)電量：

W=0.9×12×3600×500×20/（0.6×0.6）J=300kWh式中 W—該裝置下的發(fā)電量，kWh；

T—設(shè)備運(yùn)行的有效時(shí)間，h；

S—裝置安裝并參與工作的面積，m2。

一年的最小發(fā)電量為109500kWh。從長(zhǎng)期的角度來講，可以節(jié)約很大一部分電能。如果可以設(shè)計(jì)出更加合理的基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)，通過該設(shè)備節(jié)約的電能會(huì)更加可觀。

步行街的設(shè)計(jì)需考慮人在行走中的舒適性和穩(wěn)定性，故對(duì)于步行街場(chǎng)合的壓縮深度H相比較其他場(chǎng)合會(huì)比較小，作為公交車，該裝置的H較大，H可以設(shè)計(jì)成15mm。而且公交車上的面積利用率遠(yuǎn)高于普通地面，等效在0.6m×0.6m地面上的重量

Ge=600×0.6×0.6/0.0125=1728N

Ge—等效在面積為600×600mm2的裝置表面上的重量，N；A0—一個(gè)人站立時(shí)所占據(jù)的面積，m2。以一輛12m2的公交車為例，按一天中行駛15h，即一天有15h基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置在起作用，取平均效率作為計(jì)算的η，那么公交車上安裝該裝置的發(fā)電功率：

那么這輛公交車一天的發(fā)電量：

一年的發(fā)電量為2929.125kWh。我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，公交車的數(shù)量巨大，采用該裝置可以節(jié)約很大一部分能量。

根據(jù)上述計(jì)算的過程可知，將該裝置>應(yīng)用在步行街和公交車上一年的發(fā)電量是十分巨大的，利用基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置可以節(jié)約更多的電能。

4　基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置的可行性分析

從能量守恒來講，人在地面上行走，車輛在地面上行走，等等都會(huì)在地面上產(chǎn)生震動(dòng)，而這些震動(dòng)無一不是能量的消耗，震動(dòng)是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，那么這些機(jī)械運(yùn)

動(dòng)的能量在理論上是十分巨大的，這為該裝置的實(shí)現(xiàn)提供了能量基礎(chǔ)。其次，基于流體壓縮［3］和射流的發(fā)電裝置通過把震動(dòng)轉(zhuǎn)化為壓縮的能量，以一種新的能量轉(zhuǎn)化方式將微小的能量波動(dòng)放大，益于能量的收集。通過上文的理論分析和計(jì)算，該裝置的發(fā)電效率可以達(dá)到30.97%，而且我國(guó)人口眾多，居住密集，能量基數(shù)巨大，可以從中獲取可觀的能量。

5　結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于流體壓縮和射流動(dòng)能的發(fā)電裝置是一種利用微震動(dòng)來發(fā)電的裝置，通過壓縮貯存流體［3］的部件來產(chǎn)生射流，依靠射流的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生電能。結(jié)合我國(guó)人口眾多且分布密集的因素，可以把人群產(chǎn)生的震動(dòng)能量收集起來加以利用。經(jīng)過本文精確模擬和計(jì)算，該裝置的發(fā)電效率可以達(dá)到30.97%。該裝置如果應(yīng)用到實(shí)際中，一條面積為500× 20m2裝備此裝置的步行街，一年的計(jì)算最小發(fā)電量為109500kWh；一輛12m2的公交車如果安裝此裝置，一年的可發(fā)電2929.125kWh。該裝置如果在生活中投入使用，可以回收很多電能，對(duì)于我國(guó)能源壓力可以起到一定的緩解作用。

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Feasibility Analysis on the Application of Power Generation Device based on Fluid Compression and the Jet Kinetic Energy in China

LIU Peng-fei， HAN Xing
（Shanghai University of Technology，Shanghai 200093，China）

This paper proposes a new power generation device based on fluid compression and the jet kinetic energy. The device achieves the aim of generating electricity with the generator running driven by the jet that produced from the spout by compressing the fluid of the container.Through fluid simulation analysis and calculation，the feasibility of the power generation by the fluid jet is proved and we calculated the capacity of power generation in this paper.

fluid compression； the jet； power generation； feasibility

TM619

B

2095-3429（2015）02-0014-03

劉鵬飛（1993-），男，山西人，學(xué)士學(xué)位，研究方向：建筑與環(huán)境；

韓星（1981-），男，山東人，博士，副教授，研究方向：建筑與環(huán)境。

2014-12-03

2015-03-13