閘機發(fā)電機的設計與研制

廖子晗　屠越秀

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

關(guān)鍵詞： 地鐵閘機 發(fā)電機 綠色能源

1.引言

發(fā)電是指利用發(fā)電動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，人們在不斷嘗試各種新型發(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置一種感壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)可透過人們通過刷票口時產(chǎn)生的振動與壓力而產(chǎn)生電力。2009年，楊浦高級中學高三學生陳佳群同學設計了一種地鐵入口閘機發(fā)電裝置[1]，2011年，上海交通大學機械與動力學院大二學生郭宇威同學也是利用乘客出入地鐵閘機推動三輥閘發(fā)電而設計了一種節(jié)能檢票機。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。乘客通過三輥閘時使線圈在磁場中連續(xù)轉(zhuǎn)動切割磁場，發(fā)生電磁感應現(xiàn)象，產(chǎn)生電流。定子由機座、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。

本文中的閘機發(fā)電機也是利用乘客出入地鐵閘機推動三輥閘，使線圈切割磁場的原理，同時考慮到人流的間歇性，為了保障供電的穩(wěn)定性，增加了蓄電池儲能環(huán)節(jié)。本裝置可實現(xiàn)三種供電模式：（1）推動三輥閘直接給負載（燈泡）供電；（2）推動三輥閘給蓄電池充電，再由蓄電池給負載穩(wěn)定供電；（3）推動三輥閘同時給負載和蓄電池供電。閘機發(fā)電機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個二極管，1個單刀三擲開關(guān)，1個單刀單擲開關(guān)，1個0.1W LED燈泡，銅導線若干，三根竹筷子固定于轉(zhuǎn)盤上，模擬三輥閘。圖1為制作的閘機發(fā)電機裝置。

2.2試驗裝置原理圖

圖2為閘機發(fā)電機裝置原理圖。乘客出入地鐵閘機推動三輥閘，帶動線圈切割磁場，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；供電時合上開關(guān)2，合上開關(guān)4，蓄電池給負載穩(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，同時給負載和蓄電池供電。

3.閘機發(fā)電機的節(jié)能減排效益

截止2014年7月22日，上海地鐵已開通運營14條線、332座車站，運營里程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)客運量達25億人次[3]，平均每天客運量達到684.9萬人次。

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

假定上海地鐵平均每天客運量為690萬人次，那么每天閘機的旋轉(zhuǎn)時間為6900000/30=230000分鐘，約合3833小時。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可發(fā)電138Wh×365=50370Wh，即產(chǎn)生50.37kWh的綠色電力。

4.閘機發(fā)電機的用途

將地鐵閘機所發(fā)的電用作燈箱廣告牌的照明電源（圖5），在斷斷續(xù)續(xù)的人流通過閘機時，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。地鐵人民廣場站是上海最大的換乘樞紐站，日均客流達70萬[5]，約為整個上海市地鐵客流量的1/10。地鐵人民廣場站通過閘機旋轉(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0.1W的LED燈用電14小時。

5.結(jié)語

5.1模擬乘客通過地鐵閘機情形研制了閘機發(fā)電機，并且設計了三種供電模式。

5.2閘機發(fā)電機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：

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

[2]12號、16號線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]地鐵新閘機每分鐘可通過35人.2010年04月01日03：13.東方早報.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/