基于流體壓縮和射流動能的發電裝置在我國應用的可行性分析

劉鵬飛，　韓　星（上海理工大學，上海200093）

基于流體壓縮和射流動能的發電裝置在我國應用的可行性分析

劉鵬飛，韓星
（上海理工大學，上海200093）

提出一種基于流體壓縮和射流動能的發電裝置。該裝置通過壓縮容器里的流體，從噴口處產生射流驅動發電機運行，達到發電的目的。通過流體模擬分析和計算，證明了流體射流發電的可行性，并計算了其發電量。

流體壓縮； 射流； 發電； 可行性

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.004

0　引言

中國目前發電主要以火力發電為主，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，但是并沒有轉化為有效的能源，例如舉重、踩踏等動作。本文擬通過研究基于流體壓縮和射流動能的發電裝置，對人類的踩踏動作的能量加以利用，通過壓縮流體產生射流的方法，把能量轉化為電能，以達到能量轉化的任務。

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

利用壓縮流體產生射流的方式可以充分利用我國人口眾多、人員活動范圍廣的特點，把這些由于人員活動產生的能量轉化為我們需要的能量。

1　流體壓縮和射流能量轉化的理論分析

基于流體壓縮和射流動能的發電裝置依靠地面震動壓縮［3］裝置內部貯存流體的部件1，使1內的流體在壓縮作用下，通過側面的噴口5產生射流，利用射流驅動發電機來發電。流體在整個裝置內部進行循環流動，受到擠壓時流體從單向出口5噴口射出，通過單向出口5處的發電機，填充到緩沖管道3里，擠壓脫離時，在彈簧復位裝置2的作用下，流體通過入口處的發電機6從單向入口噴口7進入貯存流體的部件1。詳見圖1的裝置原理圖。從能量轉化的角度來計算，人體上下運動作用在裝置上表面的勢能轉化成流體的動能，通過噴口以射流的形式作用在發電機上把動能轉化成電能［2］。人體運動作用在上表面的過程中，需考慮壓縮過程中儲存在彈簧中的勢能和摩擦的能量損失；壓縮流體產生射流的過程中有噴口處內外截面突變的局部能量損失；最后要考慮發電機的摩擦損失和電能損失。

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

通過上述計算方法得到的是基于流體壓縮和射流動能的發電裝置的理論最大發電量，是在沒有考慮發電機設備的參數要求的情況下得到的。如果考慮某種發電機的運行參數和功率，在滿足運行最低條件的工況下，直接通過發電機輸出功率來計算裝置的發電量。

2　不同設計條件下裝置的發電量計算

根據人體運動導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，有不同的發電量計算結果。噴嘴的長度為10mm。經過查閱規范，人體的平均重量G=600N，腳步踩下抬起的平均時間周期為0.5s。人體運動作用在上表面的過程中，壓縮過程中儲存在彈簧中的勢能和摩擦的能量損失用ξ1表示；壓縮流體產生射流的過程中噴口處內外截面突變的局部能量損失用ξ2表示［1，4］；發電機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—裝置表面的長度，m；

b—裝置表面的寬度，m；

τ—腳步踩下抬起的平均時間周期，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。

壓縮過程中儲存在彈簧中的勢能和摩擦的能量損失用ξ1［4］可由裝置的設計決定；根據噴口長度、口徑以及流速和流量查閱得到噴口處內外截面突變的局部能量損失ξ2；發電機的摩擦損失和電能損失用ξ3可由發電機的選型決定。

則，發電效率：

式中 η—發電效率，%；

ξ1—彈簧中的勢能和摩擦的能量損失，%；

ξ2—噴口處內外截面突變的局部能量損失，%；

ξ3—發電機的摩擦損失和電能損失，%。發電功率：

式中 P—發電功率，W；

G—人體的平均重量，N。

根據裝置設計，取該裝置上下表面積為600×600mm2作為計算的依據。另外，取一臺管道發電機作為發電設備計算，其參數如下，運行水壓：0.05～0.45 MPa；最大運行水壓：0.55 MP；最大承壓：1.6MPa；流量損耗：5.1%（0.25 MP時）；工作溫度范圍：5～95℃；輸出電壓：3.8～23.7VAC/空載，2.5～16.8 VAC/負載；輸出電流：18～32 MA/0.1 K負載；外形尺寸：￠37×41 mm （ZS-F02）；檢測時輸出口：開放（注：0.2MP時水壓能同時點亮18顆LED指示燈）。

發電機在最低運行狀態下的發電功率：

式中 P0—發電機在最低運行狀態下的發電功率，W；

U—發電機在最低運行狀態下的電壓，V；

I—發電機在最低運行狀態下的電流，A。

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

表1　不同工況下的發電效率和功率

綜合以上四種不同設計規格的計算可知，流體的部件被壓縮的深度H和射流噴口的口徑Φ的不同，會影響發電功率的大小，通過對基于流體壓縮和射流動能的發電裝置的結構進行進一步設計，并且采用效率更高的發電機設備可以得到更佳的發電效果。

3　基于流體壓縮和射流動能的發電裝置的產效

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能的發電裝置在起作用，那么這條步行街一天的最小發電量：

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

T—設備運行的有效時間，h；

S—裝置安裝并參與工作的面積，m2。

一年的最小發電量為109500kWh。從長期的角度來講，可以節約很大一部分電能。如果可以設計出更加合理的基于流體壓縮和射流動能的發電裝置結構，通過該設備節約的電能會更加可觀。

步行街的設計需考慮人在行走中的舒適性和穩定性，故對于步行街場合的壓縮深度H相比較其他場合會比較小，作為公交車，該裝置的H較大，H可以設計成15mm。而且公交車上的面積利用率遠高于普通地面，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—一個人站立時所占據的面積，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能的發電裝置在起作用，取平均效率作為計算的η，那么公交車上安裝該裝置的發電功率：

那么這輛公交車一天的發電量：

一年的發電量為2929.125kWh。我國是一個人口大國，公交車的數量巨大，采用該裝置可以節約很大一部分能量。

根據上述計算的過程可知，將該裝置>應用在步行街和公交車上一年的發電量是十分巨大的，利用基于流體壓縮和射流動能的發電裝置可以節約更多的電能。

4　基于流體壓縮和射流動能的發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，等等都會在地面上產生震動，而這些震動無一不是能量的消耗，震動是一種機械運動，那么這些機械運

動的能量在理論上是十分巨大的，這為該裝置的實現提供了能量基礎。其次，基于流體壓縮［3］和射流的發電裝置通過把震動轉化為壓縮的能量，以一種新的能量轉化方式將微小的能量波動放大，益于能量的收集。通過上文的理論分析和計算，該裝置的發電效率可以達到30.97%，而且我國人口眾多，居住密集，能量基數巨大，可以從中獲取可觀的能量。

5　結語

本文提出的基于流體壓縮和射流動能的發電裝置是一種利用微震動來發電的裝置，通過壓縮貯存流體［3］的部件來產生射流，依靠射流的動能驅動發電機運行產生電能。結合我國人口眾多且分布密集的因素，可以把人群產生的震動能量收集起來加以利用。經過本文精確模擬和計算，該裝置的發電效率可以達到30.97%。該裝置如果應用到實際中，一條面積為500× 20m2裝備此裝置的步行街，一年的計算最小發電量為109500kWh；一輛12m2的公交車如果安裝此裝置，一年的可發電2929.125kWh。該裝置如果在生活中投入使用，可以回收很多電能，對于我國能源壓力可以起到一定的緩解作用。

［1］楊友勝，張建平，聶松林.水射流噴嘴能量損失研究［J］.機械工程學報，2013，49（2）：139～145.

［2］王彤，谷傳綱，張義云.流體壓縮系統管道內部速度與壓力的動態測量［J］.風機技術，2001，6：3，4.

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［5］高育紅.用地面發電［J］.課外生活，2009，（10）：189～199.

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，學士學位，研究方向：建筑與環境；

韓星（1981-），男，山東人，博士，副教授，研究方向：建筑與環境。

2014-12-03

2015-03-13