基于壓電效應(yīng)的地鐵交通樞紐 的節(jié)能減排分析及應(yīng)用

摘要：隨著低碳生活理念逐漸深入人心，越來越多的人們選擇公共交通出行，伴隨而來的是交通樞紐壓力的日益增大，交通樞紐處的能源能耗和碳排放問題日漸顯著。為減少地鐵交通樞紐的能源消耗，一方面要減少能源使用量，另一方面可以使用可再生的清潔能源。本研究以壓電效應(yīng)為原理，利用壓電裝置將乘客在交通樞紐內(nèi)位移運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，并通過設(shè)計(jì)電路將能源收集起來，用于滿足地鐵交通樞紐中常見設(shè)施的供電需求，如照明、自動(dòng)售票機(jī)、應(yīng)急設(shè)備等，最終實(shí)現(xiàn)交通樞紐節(jié)能減排。關(guān)鍵詞：軌道交通；節(jié)能減排；壓電效應(yīng)；交通樞紐；智能交通系統(tǒng)；能量收集0引言隨著城市化進(jìn)程的加快，城市內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛的快速增加給城市帶來了交通擁堵、環(huán)境污染等問題。地鐵因?yàn)閾碛锌焖?、高效、安全、舒適、載客量大等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為解決城市交通擁堵的重要手段，也是城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。但是，隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展和地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地鐵投資及運(yùn)行的巨大能耗也日益引起人們的廣泛關(guān)注。如何在交通樞紐內(nèi)進(jìn)行節(jié)能改造，達(dá)到節(jié)能減排的效果是當(dāng)今需要著重解決的問題之一?！暗吞汲鲂小钡母拍钜呀?jīng)在國內(nèi)外被高度關(guān)注和重視，“低碳交通”是低碳經(jīng)濟(jì)的有機(jī)組成部分，是低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的一種延伸，也是當(dāng)前世界各國和城市制定低碳發(fā)展戰(zhàn)略、履行減排義務(wù)的一種新的發(fā)展理念。為了解決地鐵運(yùn)行的巨大能耗的問題，國內(nèi)外的眾多學(xué)者和工程院校都針對(duì)利用壓電效應(yīng)的節(jié)能減排方案進(jìn)行了研究。對(duì)于如何更好的利用壓電效應(yīng)來發(fā)電從而達(dá)到節(jié)能減排的目的，有眾多學(xué)者和工程院校進(jìn)行了研究。通過施加電壓，進(jìn)行橡膠硫化制成了“取向型”壓電橡膠?！叭∠蛐汀眽弘娤鹉z在橡膠中混合有排列好的壓電陶瓷顆粒，增加了施加于排成行的顆粒的力可以提高取向型的壓電性。提出一種基于壓電效應(yīng)的路面無線充電技術(shù)方案，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，將路面上汽車等經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，為新能源汽車充電續(xù)航。分析了壓電陶瓷發(fā)電機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種利用軌道交通等人體頻繁踏走的壓電發(fā)電裝置及其能量存儲(chǔ)電路，并進(jìn)行了相關(guān)的理論分析。國外也有很多相關(guān)理論研究，日本理光開發(fā)出“發(fā)電橡膠”，這種新型材料既像陶瓷壓電材料一樣擁有高輸出功率，又與高分子樹脂壓電材料一樣具備柔性。理光將面向傳感器等用途，推進(jìn)這種發(fā)電橡膠的實(shí)用化。研究了壓電陶瓷/環(huán)氧復(fù)合材料層厚度和驅(qū)動(dòng)條件對(duì)剪切壓電纖維復(fù)合材料的影響，證實(shí)了剪切壓電纖維復(fù)合材料在懸臂梁結(jié)構(gòu)中作為作動(dòng)器的優(yōu)越性。在2010年上海世博會(huì)上，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀的人們只要把雙腳輪流向地板踩踏幾下，指示發(fā)電量的指示燈就會(huì)顯示出實(shí)際產(chǎn)生的電量。眾多研究證明，利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電能可行。這些研究成果為壓電材料發(fā)電技術(shù)的研究提供了參考，但由于產(chǎn)生的電能具有電量弱、波動(dòng)大、收集難的特點(diǎn)，壓電效應(yīng)發(fā)電潛能的研究還處在初級(jí)階段，且研究內(nèi)容大都未涉及到評(píng)估能源轉(zhuǎn)換再利用所帶來的節(jié)能減排效益。通過對(duì)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀的分析，可以發(fā)現(xiàn)目前基于壓電效應(yīng)針對(duì)交通樞紐節(jié)能減排效益評(píng)估的研究是匱乏的，本文著重從壓電設(shè)施在交通樞紐內(nèi)的節(jié)能減排效益角度出發(fā)，初步探討了地鐵站中行人踩壓壓電片的機(jī)械能大小，壓電效應(yīng)原理、能量轉(zhuǎn)換收集的可行性、人體動(dòng)力學(xué)分析以及綜合節(jié)能減排效益，為交通樞紐實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排提供了參考和基本方案。1

研究方法本研究利用壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)地鐵交通樞紐的節(jié)能減排，本部分主要介紹壓電效應(yīng)原理及量化節(jié)能減排量的方法。1.1壓電效應(yīng)壓電陶瓷實(shí)際上是一種經(jīng)過極化處理的、具有壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷，是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的功能陶瓷材料。壓電陶瓷的其中一個(gè)主要的原理就是壓電效應(yīng)。所謂壓電效應(yīng)就是當(dāng)介質(zhì)（晶體）受到機(jī)械壓力時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面產(chǎn)生異種電荷，從而引起介質(zhì)表面帶電；而這種性質(zhì)稱之為壓電性。正壓電性是指某些電介質(zhì)在機(jī)械外力作用下，介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而引起極化，從而導(dǎo)致電介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷。壓電效應(yīng)的存在可以將行人作用在壓電陶瓷上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，壓電效應(yīng)一般可以用以下壓電方程來表征：1.2節(jié)能減排效益估算（1）日節(jié)能電量的計(jì)算本部分主要介紹具體計(jì)算壓電裝置每日節(jié)能電量的方法。通過測(cè)量可以得出電壓U和電流I，假設(shè)每天人們踩陶瓷片所用時(shí)間為t則N片壓變陶瓷在1天內(nèi)所產(chǎn)生的能量：經(jīng)過單位換算，將單位瓦特秒換算為千瓦時(shí)為：（2）日減碳排放量的計(jì)算本部分主要介紹如何將節(jié)約電量通過公式轉(zhuǎn)化成減碳排量。根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，節(jié)約1度電（kW*h）=節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤，同時(shí)減排0.997kg二氧化碳（CO2）和減排0.272kg碳粉塵。則日碳減排量為：式中：C為減少排放的碳粉塵量；E1為節(jié)省的能量；常數(shù)值0.272來源于中外能源[9]和太陽能[10]的期刊文獻(xiàn)。2

行人的機(jī)械能人體在運(yùn)動(dòng)過程中，每一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程所產(chǎn)生的能量各不相同，分析人體在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)外界所產(chǎn)生的能量對(duì)于分析壓電陶瓷發(fā)電系統(tǒng)功效非常重要。本研究主要研究人-地豎向相互運(yùn)動(dòng)，將壓電板看作梁，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)求解人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量，本文在分析的過程中借鑒了張瓊[11]的基于行人動(dòng)力學(xué)模型的人-橋豎向動(dòng)力相互作用的相關(guān)研究。2.1前提準(zhǔn)備將人群進(jìn)行分類：（1）根據(jù)性別分類：將人體重設(shè)為Mh.根據(jù)2015年國務(wù)院發(fā)布《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告》，中國男性平均體重為66.2kg，女性平均體重為57.3kg。（2）根據(jù)不同速度分類在上下班高峰期，人群地鐵站中運(yùn)動(dòng)的速度比低峰期要高得多。將人體運(yùn)動(dòng)速度設(shè)為Vh，一般可以取0.9倍的步頻。一般情況下，正常人每分鐘步行速度約為1米每秒，步距大約為60～75cm，每分鐘約跨120步，頻率大約為1Hz。在分析人體-發(fā)電器的運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，為了計(jì)算方便，將行人模型簡化成由彈簧-質(zhì)量-阻尼器（SMD）的人體動(dòng)力學(xué)模型組成。模型中mp、kp、cp分別表示人體動(dòng)力學(xué)模型中的質(zhì)量、剛度和阻尼，u、up分別表示人與壓電板的豎向位移，up1、up2分別表示人與壓電板的豎向位移的一、二階導(dǎo)數(shù)。2.2運(yùn)動(dòng)模型分析本部分主要分析行人在交通樞紐內(nèi)進(jìn)行位移時(shí)在不同步頻與性別下所具有機(jī)械能大小。行人在運(yùn)動(dòng)過程中受力包括：阻尼力、彈性力、慣性力。由行人受力情況，可得到行人動(dòng)力平衡方程：式中，Mh為行人實(shí)際質(zhì)量；fp為行走頻率。綜合分析：在SMD模型中，整個(gè)模型獲得的能量為：3案例分析地鐵是城市用電大戶，晝夜運(yùn)行的電氣列車，地下車站通風(fēng)、照明、空調(diào)、取暖和其他各種耗電設(shè)備與設(shè)施等，在節(jié)電、排污方面都有很大的效益空間。本研究將會(huì)根據(jù)壓電效應(yīng)原理的應(yīng)用，結(jié)合地鐵交通樞紐的交通數(shù)據(jù)，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。將北京各地鐵樞紐轉(zhuǎn)化為更加清晰直觀的熱點(diǎn)圖，見圖1。以北京地鐵樞紐工作日的早晚高峰進(jìn)出站客流量為例，本研究將根據(jù)不同時(shí)段的客流密度，對(duì)壓電設(shè)備進(jìn)行控制，盡可能實(shí)現(xiàn)最大效率的客流機(jī)械能利用，將客流腳步壓力產(chǎn)生的機(jī)械能通過壓電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行供應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)交通樞紐處的節(jié)能減排。(a)(b)圖1北京地鐵交通樞紐早(a)晚(b)高峰熱力圖Fig.1Morning(a)andevening(b)rushhoursheatmapofBeijingsubwaytransportationhub3.1地鐵樞紐客流量能量分析行人在不同步頻與性別下通過運(yùn)動(dòng)模型（8）計(jì)算具有的能量如表1所示。經(jīng)調(diào)查分析，中國總?cè)丝谛詣e比為104.81（女性為100），以北京為例，2018年軌道交通所承載的日客運(yùn)量為1054.36萬。早高峰占全天出行量的23.0%，晚高峰占全天出行量的16.6%。目前地鐵早晚高峰時(shí)段客流集中，高峰時(shí)段路網(wǎng)的進(jìn)站量、換乘量已占全日客流總量45%左右。理想狀態(tài)下，假設(shè)所有的客源均與該模塊接觸，產(chǎn)生的能量如表2所示：3.2壓電裝置應(yīng)用示例壓電裝置在地鐵樞紐處的模型展示：通過將壓電裝置設(shè)置在地鐵樞紐的客流必經(jīng)地，以達(dá)到最高效率對(duì)腳步壓力產(chǎn)生的機(jī)械能進(jìn)行收集。考慮到在非高峰時(shí)段樓梯的行人流量較小，所以將壓電裝置集中設(shè)置在自動(dòng)扶梯上下部蓋板處。以設(shè)置在自動(dòng)扶梯上下部蓋板處為例，圖2中乘客踩踏位置為壓電裝置設(shè)置點(diǎn)，當(dāng)客流上下扶梯踩踏地面時(shí)，便對(duì)壓電裝置產(chǎn)生了壓力，從而產(chǎn)生機(jī)械能，通過壓電裝置轉(zhuǎn)化為電能，見圖2。圖2壓電裝置設(shè)置點(diǎn)模擬圖Fig.2Simulationofpiezoelectricdevicesettingpoints以北工大西門地鐵站為例，可以將壓電裝置設(shè)置在自動(dòng)扶梯的下部蓋板處，見圖3。圖3壓電裝置設(shè)置點(diǎn)實(shí)景Fig.3Piezoelectricdevicesetpoint3.3

節(jié)能效果分析城市軌道交通電能損耗主要包含車輛電耗和車站電耗兩部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北京市城市軌道交通車輛電耗占總電耗的58%，車站電耗占42%。其中，列車輔助系統(tǒng)電耗（如通風(fēng)空調(diào)、照明、控制系統(tǒng)等）占車輛電耗的30%～40%；車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電動(dòng)扶梯等電耗占車站電耗的70%～80%。地鐵交通樞紐內(nèi)有諸多用電設(shè)施，如可變信息版，自動(dòng)售票機(jī)、緊急照明等，見圖4。圖4北工大西門地鐵站部分用電設(shè)施Fig.4PartoftheelectricityfacilitiesofSubwaystationofBeijingUniversityofTechnology現(xiàn)以北京地鐵為例進(jìn)行本設(shè)計(jì)節(jié)能效果對(duì)比計(jì)算。在還未使用新型發(fā)電裝置前，各地鐵線路用電量見表3。在2016年的數(shù)據(jù)中，僅僅一號(hào)線日消耗量在342887kW·h。通過參考數(shù)據(jù)可知，一個(gè)新型發(fā)電裝置在比較集中的踩壓頻率下，產(chǎn)生的電壓約為3.6V，電流約為0.1A。假定地鐵每天有10個(gè)小時(shí)的相對(duì)集中踩壓壓電片時(shí)間，則取36000s。初步在一個(gè)地鐵站布置200塊這樣的裝置，北京共有272個(gè)不重復(fù)站點(diǎn)，則N=272×200=54400。代入公式（4）可算出N片壓變陶瓷在1年內(nèi)所產(chǎn)生的能量：目前為止，全國共有31個(gè)城市有城市軌道交通，以北京地鐵線路長度為單位，全國的地鐵線路總長為3984千米，相當(dāng)于7個(gè)北京地鐵線路長度，則全國地鐵交通樞紐一年可節(jié)約的電能為：如今新型地鐵站照明系統(tǒng)大多數(shù)更新為LED燈照明系統(tǒng)，以一個(gè)201mm×210mm×27mm規(guī)格的歐普照明牌LED燈為例，功率為0.036W?h。新型發(fā)電裝置一年節(jié)約的電能可供照明燈個(gè)數(shù)為：滿足了基礎(chǔ)照明需要，最重要的是可以得到清潔無污染的能源。目前，全球環(huán)境問題面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，城市軌道交通處于上升階段，若將本研究的新型發(fā)電設(shè)備投入到全球，為了更好的發(fā)電效果，以全球地鐵線路長度排名前30的城市為例，則全球地鐵線路長度排名前30的城市地鐵交通樞紐一年可節(jié)約的電能為：同時(shí)還可以通過公式（5）算出節(jié)省的總碳減排量：由于本研究僅假設(shè)將壓電裝置鋪設(shè)在扶梯的上下蓋板處，所以總節(jié)能減排效益較小，未來可以通過把壓電裝置鋪設(shè)到地鐵出入閘口、候車區(qū)、換乘站電梯等客流必經(jīng)處，形成一種特殊通道并引導(dǎo)行人通過，使行人每一步的壓力都可以變成電能供應(yīng)，可以大大節(jié)約能耗，減少環(huán)境污染。每節(jié)約1度（千瓦時(shí)）電相當(dāng)于減少0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒、0.272kg碳粉塵排放、0.997kg二氧化碳（CO2）排放、0.03kg二氧化硫（SO2）排放以及0.015kg氮氧化物（NOX）排放。因此，本研究對(duì)于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)有重要意義。4結(jié)語本文基于壓電效應(yīng)、交通樞紐客流量以及人體動(dòng)力學(xué)，具體測(cè)算了在交通樞紐使用壓電陶瓷板的省電量和碳減排量。在考慮到實(shí)際地鐵客流量及各地鐵線路的用電量，從樞紐內(nèi)行人的機(jī)械能量化統(tǒng)計(jì)、壓電陶瓷板節(jié)約電量、綜合減排量三個(gè)方面進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的節(jié)能減排方案。以北工大西門地鐵站為例，分析了壓電裝置可布設(shè)的最佳位置，進(jìn)行了壓電裝置的模型仿真示例，并根據(jù)公式計(jì)算了交通樞紐的年節(jié)約電量及總碳減排量，具體量化了壓電裝置的節(jié)能減排效益。本文仍有局限性與不足，由于壓電陶瓷板在發(fā)電過程中會(huì)受到行人的重力擠壓，壓力陶瓷板的使用壽命未被考慮。在節(jié)能減排效益分析方面僅假設(shè)將壓電裝置鋪設(shè)在自動(dòng)扶梯的上下部蓋板處而非鋪設(shè)在所有行人必經(jīng)路