閘機(jī)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)與研制

廖子晗　屠越秀

摘 要： 研究者研制了一種地鐵閘機(jī)發(fā)電機(jī)裝置，通過地鐵閘機(jī)的巨大人流轉(zhuǎn)化為環(huán)保的綠色能源。本裝置設(shè)計(jì)了三種不同供電模式，以滿足不同用電需求，如閘機(jī)發(fā)電機(jī)可為燈箱廣告牌等提供綠色能源。

關(guān)鍵詞： 地鐵閘機(jī) 發(fā)電機(jī) 綠色能源

1.引言

發(fā)電是指利用發(fā)電動(dòng)力裝置將其他形式的能源轉(zhuǎn)換成電能的生產(chǎn)過程。理論上，一切形式的能源均可以轉(zhuǎn)換成電能，比如傳統(tǒng)的化石能源（煤、油、天然氣），屬于新能源的核能，可再生能源（太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能）等，都已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活的電力來源。隨著科技的不斷發(fā)展，人們?cè)诓粩鄧L試各種新型發(fā)電技術(shù)，如海水溫差發(fā)電、地板踩踏發(fā)電、聲音發(fā)電、細(xì)菌發(fā)電、利用汗水中的乳酸發(fā)電，等等。隨著城市的快速發(fā)展，地鐵已經(jīng)成為都市人便捷、高效、環(huán)保的交通方式，通過地鐵閘機(jī)的巨大人流成為隱約可見的能量流。2006年，東日本旅客鐵道株式會(huì)社（East Japan Railway Company）研發(fā)出一種“發(fā)電裝置”，在人來人往的刷票口設(shè)置一種感壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可透過人們通過刷票口時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)與壓力而產(chǎn)生電力。2009年，楊浦高級(jí)中學(xué)高三學(xué)生陳佳群同學(xué)設(shè)計(jì)了一種地鐵入口閘機(jī)發(fā)電裝置[1]，2011年，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院大二學(xué)生郭宇威同學(xué)也是利用乘客出入地鐵閘機(jī)推動(dòng)三輥閘發(fā)電而設(shè)計(jì)了一種節(jié)能檢票機(jī)。其基本的發(fā)電原理都是由線圈作為轉(zhuǎn)子，磁鐵作為定子，形成穩(wěn)定磁場(chǎng)。乘客通過三輥閘時(shí)使線圈在磁場(chǎng)中連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁場(chǎng)，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，產(chǎn)生電流。定子由機(jī)座、定子鐵芯、線包繞組及固定這些部分的其他結(jié)構(gòu)件組成。

本文中的閘機(jī)發(fā)電機(jī)也是利用乘客出入地鐵閘機(jī)推動(dòng)三輥閘，使線圈切割磁場(chǎng)的原理，同時(shí)考慮到人流的間歇性，為了保障供電的穩(wěn)定性，增加了蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。本裝置可實(shí)現(xiàn)三種供電模式：（1）推動(dòng)三輥閘直接給負(fù)載（燈泡）供電；（2）推動(dòng)三輥閘給蓄電池充電，再由蓄電池給負(fù)載穩(wěn)定供電；（3）推動(dòng)三輥閘同時(shí)給負(fù)載和蓄電池供電。閘機(jī)發(fā)電機(jī)可為燈箱廣告牌等提供綠色能源，通過展示新穎的綠色發(fā)電方式，吸引人們對(duì)燈箱廣告內(nèi)容的關(guān)注，一方面宣傳了綠色環(huán)保的理念，另一方面提升了廣告企事業(yè)的知名度。

2.試驗(yàn)裝置原理及主要材料

2.1主要材料

1塊釹鐵硼磁鐵，3節(jié)鎳氫電池，1個(gè)二極管，1個(gè)單刀三擲開關(guān)，1個(gè)單刀單擲開關(guān)，1個(gè)0.1W LED燈泡，銅導(dǎo)線若干，三根竹筷子固定于轉(zhuǎn)盤上，模擬三輥閘。圖1為制作的閘機(jī)發(fā)電機(jī)裝置。

2.2試驗(yàn)裝置原理圖

圖2為閘機(jī)發(fā)電機(jī)裝置原理圖。乘客出入地鐵閘機(jī)推動(dòng)三輥閘，帶動(dòng)線圈切割磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生電流。在第一種供電模式中，合上開關(guān)1，合上開關(guān)5，直接給負(fù)載（燈泡）供電（圖3）。在第二種供電模式中，合上開關(guān)3，合上開關(guān)5，給蓄電池充電；供電時(shí)合上開關(guān)2，合上開關(guān)4，蓄電池給負(fù)載穩(wěn)定供電（圖4）。在第三種供電模式中，合上開關(guān)1或3，合上開關(guān)4，同時(shí)給負(fù)載和蓄電池供電。

3.閘機(jī)發(fā)電機(jī)的節(jié)能減排效益

截止2014年7月22日，上海地鐵已開通運(yùn)營14條線、332座車站，運(yùn)營里程538公里 [2]，是世界上規(guī)模最大的城市地鐵系統(tǒng)。2013年全路網(wǎng)客運(yùn)量達(dá)25億人次[3]，平均每天客運(yùn)量達(dá)到684.9萬人次。

上海地鐵檢票系統(tǒng)閘機(jī)每分鐘最多可以允許35名乘客通過[4]。假定閘機(jī)平均每分鐘30名乘客通過，每個(gè)乘客通過閘機(jī)時(shí)旋轉(zhuǎn)閘機(jī)轉(zhuǎn)盤1/3圈，那么每分鐘閘機(jī)旋轉(zhuǎn)10圈。通過萬用表測(cè)量，按閘機(jī)每分鐘旋轉(zhuǎn)10圈的速度旋轉(zhuǎn)，研制的閘機(jī)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流大約是10mA左右。實(shí)際體系的閘機(jī)發(fā)電機(jī)可以做得更大一些，產(chǎn)生的電流也更多一些。

假定上海地鐵平均每天客運(yùn)量為690萬人次，那么每天閘機(jī)的旋轉(zhuǎn)時(shí)間為6900000/30=230000分鐘，約合3833小時(shí)。三節(jié)鎳氫電池的電壓為1.2V（3=3.6V，每天發(fā)的電量為3833×0.01×3.6=138Wh，每年上海地鐵通過閘機(jī)可發(fā)電138Wh×365=50370Wh，即產(chǎn)生50.37kWh的綠色電力。

4.閘機(jī)發(fā)電機(jī)的用途

將地鐵閘機(jī)所發(fā)的電用作燈箱廣告牌的照明電源（圖5），在斷斷續(xù)續(xù)的人流通過閘機(jī)時(shí)，燈箱廣告牌中的燈光忽明忽暗，這也恰巧符合燈箱廣告牌所需要的燈光效果。地鐵人民廣場(chǎng)站是上海最大的換乘樞紐站，日均客流達(dá)70萬[5]，約為整個(gè)上海市地鐵客流量的1/10。地鐵人民廣場(chǎng)站通過閘機(jī)旋轉(zhuǎn)每年大約可發(fā)電5kWh左右，每天大約可發(fā)電14Wh左右，可供10個(gè)0.1W的LED燈用電14小時(shí)。

5.結(jié)語

5.1模擬乘客通過地鐵閘機(jī)情形研制了閘機(jī)發(fā)電機(jī)，并且設(shè)計(jì)了三種供電模式。

5.2閘機(jī)發(fā)電機(jī)可為燈箱廣告牌等提供綠色能源，一方面宣傳了綠色環(huán)保的理念，另一方面提升了廣告企事業(yè)的知名度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳佳群.地鐵入口閘機(jī)發(fā)電裝置[J].中學(xué)科技，2010（3）：39.

[2]12號(hào)、16號(hào)線29日開通 上海地鐵規(guī)模世界之最.法制網(wǎng).2013-12-30.http：//www.legaldaily.com.cn/locality/content/2013-12/30/content_5164076.htm？node=31369

[3]王銘澤.回顧上海地鐵2013：總長達(dá)世界前列，最小間隔僅2分20秒.東方網(wǎng).2014-01-15.http：//sh.eastday.com/m/20140115/u1a7887680.html

[4]地鐵新閘機(jī)每分鐘可通過35人.2010年04月01日03：13.東方早報(bào).http：//sh.sina.com.cn/news/2010-04-01/0313138738.html

[5]上海地鐵人流量70萬 依然文明乘車.2012-11-08 10：48：29.上海地鐵.http：//www.keyunzhan.com/ditiezixun/2226/