風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在鐵路客車上的應(yīng)用

李純 李嘉樂(lè)

摘 要：風(fēng)力發(fā)電是一種清潔環(huán)保且具有高效益的發(fā)電方式，并且能夠適應(yīng)多種天氣，在惡劣環(huán)境中仍能夠保持穩(wěn)定的工作效率。而電力是鐵路客車運(yùn)行的基本元素之一，除牽引供電外，列車上的用電設(shè)備均使用輔助供電系統(tǒng)，目前的客車的輔助供電系統(tǒng)采用機(jī)車供電，DC600V逆變器輔助供電的模式，針對(duì)鐵路客車的結(jié)構(gòu)與供電原理，設(shè)計(jì)了一種新型的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，用于客車的輔助供電與蓄電池的充電，并對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的供電量、尺寸限界做了具體闡述，此種新型的供電設(shè)備符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，對(duì)于節(jié)約資源環(huán)境保護(hù)有著十分顯著的意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;鐵路客車;輔助供電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.150

1 引言

隨著我國(guó)科技力量的不斷雄厚，我國(guó)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究已經(jīng)趨于成熟，并且風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)總發(fā)電量中的占比也開(kāi)始緩慢上升。風(fēng)力發(fā)電是對(duì)太陽(yáng)能的一種合理利用與開(kāi)發(fā)，符合新時(shí)代人們對(duì)于新能源開(kāi)發(fā)的條件，是一種清潔的、易得的、可持續(xù)的新型能源。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷完善，使得風(fēng)電行業(yè)也進(jìn)入了高速發(fā)展的階段，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)開(kāi)始了規(guī)模化和有效化。

風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電能在鐵路客車上主要用于輔助供電，先將電能存入蓄電池中，然后再向外供電，供電的主要對(duì)象則是水箱水位顯示、廣播、影視系統(tǒng)、軸溫報(bào)警裝置、電子防滑器、應(yīng)急照明燈、尾燈、電話電源、電路中的開(kāi)關(guān)、狀態(tài)顯示燈、電磁閥、繼電器等。或者是在某些特殊情況下不通過(guò)蓄電池直接向應(yīng)急裝置供電，確保列車安全。

2 鐵路客車風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 邊界設(shè)計(jì)

鐵路限界是保障鐵路安全行車的基本保證之一，而且在全國(guó)范圍的都有著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)并將其編入了《技規(guī)》中，保證了鐵路車輛能在全路范圍內(nèi)的安全通行，杜絕了因?yàn)闄C(jī)車、車輛外形尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)、貨物過(guò)限等各種原因造成車輛逼停進(jìn)而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。因此，限界是鐵路各個(gè)部門必須共同遵循的基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程，它直接關(guān)系到鐵路行業(yè)的總的經(jīng)濟(jì)效果。

由于鐵路高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的風(fēng)能代替了自然的風(fēng)能，通過(guò)各種計(jì)算途徑以及公式不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)能的大小主要與風(fēng)速有著密切的關(guān)系。而在鐵路客車時(shí)速可達(dá)120km/h以上的情況下，其所能產(chǎn)生的風(fēng)能是極為豐富的。同時(shí)，又由于限界的存在，風(fēng)力發(fā)電裝置中風(fēng)機(jī)扇葉的大小半徑也有著一定的范圍，存在最大值;并且扇葉過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的電能并不足以完成它的設(shè)計(jì)使命，只能是徒勞無(wú)功，故此存在最小值。而且最大值是由限界決定，但是最小值則是通過(guò)實(shí)際效果決定。而在機(jī)車限界與建筑限界之間存在著保護(hù)區(qū)間的關(guān)系，就使得風(fēng)機(jī)扇葉尺寸半徑必須保持在350mm以內(nèi)。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最為主要的使用途徑便是利用風(fēng)能來(lái)帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作產(chǎn)生電能，風(fēng)能主要與風(fēng)速、風(fēng)所流經(jīng)的面積、空氣密度三個(gè)因素有關(guān)，其如下：

（1）

或者也可以簡(jiǎn)單的寫成：

（2）

其中：

：功率;

：掃風(fēng)面積，即，為半徑，也就是風(fēng)葉的長(zhǎng)度）;

：風(fēng)速;

：一種風(fēng)能轉(zhuǎn)化率值，根據(jù)貝茲極限，值最高59%;

：空氣密度，（與海拔有關(guān)，隨海拔高度的升高而降低）;

：系數(shù)（該系數(shù)可以約取于1）。

（3）

式中：——空氣密度（kg/m3）;

——風(fēng)速（m/s）;

——時(shí)間（s）;

——截面面積（m2）。

由以上公式可以得出：

（1）風(fēng)能（E）的值與風(fēng)速的立方（）成正比。

（2）風(fēng)能（E）的值與風(fēng)所流經(jīng)的面積（）成正比。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，就是風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的掃掠面積成正比。由于通常用風(fēng)輪直徑作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)，所以風(fēng)能大小與風(fēng)輪直徑的平方成正比。

（3）風(fēng)能（E）的值與空氣密度（）成正比。

通過(guò)以上計(jì)算，得出下表中鐵路客車風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量：

表1 不同條件下風(fēng)電發(fā)電量

海拔高度/m

尺寸R/cm 0 400 800 1000 2000 2500

10 12.361 11.866 11.372 11.162 10.049 9.517

15 27.812 26.70 25.587 25.114 22.611 21.415

20 49.443 47.466 45.488 44.648 40.198 38.072

25 77.255 74.166 71.075 69.762 62.809 59.486

30 111.248 106.798 102.348 100.457 90.445 85.661

注：表格中的數(shù)據(jù)為列車正常運(yùn)行1小時(shí)風(fēng)力發(fā)電裝置所發(fā)的電能（單位：千瓦時(shí)）

分析表格中的數(shù)據(jù)可知，風(fēng)力發(fā)電發(fā)電量的大小與輪扇面積、空氣密度有著十分密切的聯(lián)系。隨著扇葉半徑的增大（輪扇掃風(fēng)面積的增大）而增大，隨著海拔高度的升高（空氣密度的減小）而減小。

2.3 供電電路設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)該設(shè)備供電電路時(shí)，有以下幾點(diǎn)需要特別說(shuō)明：

（1）風(fēng)力雖然易得但是卻不穩(wěn)定，導(dǎo)致所得電流也不穩(wěn)定，因此就需要通過(guò)整流裝置、A/D轉(zhuǎn)換裝置、變頻器等等，將電流和電壓整合成穩(wěn)定輸入系統(tǒng);

（2）在輸入蓄電池前，加裝萬(wàn)能選擇開(kāi)關(guān)，在正常情況下，向蓄電池充電（主路），若是蓄電池故障則由人為選擇開(kāi)啟另一路（輔路）。（在蓄電池后可以裝有監(jiān)測(cè)裝置，若蓄電池發(fā)生故障，無(wú)法正常工作報(bào)警后，由工作人員確定后開(kāi)啟）;

（3）為提高可靠性，在蓄電池后設(shè)置線圈，該線圈控制輔路上的開(kāi)關(guān)，其作用是：線圈得電，開(kāi)關(guān)斷開(kāi);線圈失電，開(kāi)關(guān)閉合。

3 結(jié)論

該風(fēng)力發(fā)電設(shè)備所產(chǎn)生的電能主要的用途是進(jìn)行輔助供電以及向蓄電池充電。

（1）輔助供電：由于列車運(yùn)行中，各項(xiàng)功能的正常工作，相互配合，保證了列車的安全運(yùn)行。因此，在列車上有著各式各樣的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及顯示燈，還有各級(jí)儀器儀表的顯示器，軟臥車廂的床頭燈，廁所有無(wú)人顯示燈等等，由風(fēng)力發(fā)電為其進(jìn)行輔助供電。

（2）蓄電池充電：風(fēng)力發(fā)電的電能大部分向蓄電池充電。在列車上蓄電池的作用是十分重要的，因?yàn)槠涫亲鳛閼?yīng)急電源使用的。并且應(yīng)急電源是有著一定的使用時(shí)間的，采用風(fēng)電后，大大提高了其續(xù)航能力，而且風(fēng)電能夠使用于各種環(huán)境以及天氣，可靠性高。為事故搶險(xiǎn)帶來(lái)了更多的保障，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。

（3）直接作為應(yīng)急電源使用：設(shè)置特殊的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在列車車載蓄電池故障后，可以直接向應(yīng)急設(shè)備、照明系統(tǒng)與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電，保證列車電器設(shè)備在某些突發(fā)意外情況下可以正常工作一段時(shí)間，使得列車可以前進(jìn)一段距離，運(yùn)行至安全區(qū)段，保障列車安全，確保鐵路線路暢通，減少經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的發(fā)電形式，它符合可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，對(duì)于節(jié)約資源環(huán)境保護(hù)有著十分顯著的意義。同時(shí)鐵路行業(yè)在我國(guó)具有十分重要的意義，已經(jīng)成為當(dāng)時(shí)時(shí)代中國(guó)的代表，將風(fēng)力發(fā)電技術(shù)帶入鐵路行業(yè)，是將多元化科技帶入，為其注入科技的血液，二者的結(jié)合具有可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：李純（1988-），女，江蘇南京人，碩士研究生，講師，研究方向：鐵路車輛構(gòu)造與檢修。