地下轨道交通列车风力发电装置及方法与流程

本发明涉及一种利用地下高速列车行驶形成的风速进行风力发电装置，属于新能源技术领域。

背景技术：

目前，随着我国技术经济快速提高，城市的建设不断扩大，城市交通越来越紧张，利用地下空间的地铁交通正在快速掘起与发展。地铁的发展为城市的建设和交通开发带来了新的契机。现在我国各省会城市和经济发达城市已基本实现了地铁交通。

地铁列车行驶的速度一般为每小时80—160公里，高速地铁列车呼啸而过的同时，在其列车周旁形成了强大的风力。尤其其形成的强大风力，由于受隧道空间的控制，风力相当集中。通过对某城市地铁行驶速度为每小时80公里测定：其在隧道中行驶所产生的气流最低风速为每秒5-7米，最高能达到每秒15米。地铁行驶而形成的强大风力没有得到很好的利用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足之处，充分利用风能，本发明提供一种地下轨道交通列车风力发电装置及方法，充分利用地铁行驶产生的风能，来为人类发电。这种利用风能的方法，无需专人操作，且设备制造简单，清洁环保，安全可靠，经济实惠。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种地下轨道交通列车风力发电装置，包括安装在地下交通隧道内的轨道两侧的多组风力发电装置，每组风力发电装置包括机壳，机壳朝向轨道的一端装有风叶和连接风叶的机头，机头后部连接风叶转轴，风叶转轴水平安装在所述机壳内，风叶转轴通过锥齿轮传动副连接立式动力轴；所述机壳安装在地下交通隧道内壁上留出的风叶机头安装空间，所述风叶伸出所述风叶机头安装空间外，所述机壳下部装有立式的空心支撑杆，空心支撑杆的中下部埋入风叶机头安装空间下方的内壁中，所述立式动力轴安装在所述空心支撑杆内，立式动力轴通过锥齿轮传动副连接动力输入轴，动力输入轴的输出端连接发电机动力输入轴，发电机动力输入轴将动力传递给发电机，发电机通过电缆将产生的电能输送至储电装置储存。

所述风叶朝向地铁驶来的方向且与铁轨成45-70度的倾角。

所述立式动力轴通过储能传动齿轮副和传动立轴连接有储能传动装置，储能传动装置整体横向布置，所述储能传动装置包括卧式传动轴，卧式传动轴与所述动力输入轴的高度位置对应，传动立轴的下端通过锥齿轮传动副连接所述卧式传动轴，卧式传动轴的前端连接有减速器和常闭离合器，卧式传动轴通过若干组锥齿轮传动副分别连接有若干组发条轴，每组发条轴上均装有发条储能装置和制动器，若干组发条轴还通过锥齿轮传动副共同连接一个储能传动轴，储能传动轴通过锥齿轮传动副连接所述动力输入轴，储能传动轴与动力输入轴之间装有常开离合器。

所述发条储能装置并列设置有多个。

所述风力发电装置沿铁轨方向每4-6米设置一个，所述风叶距离铁轨1-3米。

在地铁每个站点附近建筑一个放置所述储电装置的储电房。

在铁轨两侧设置有应急供电插头，应急供电插头连接所述的储电装置。以便突然停电或者发生突发事件时，进行应急处置。

所述风叶外部罩有镂空的防护罩。

所述动力输入轴的输出端连接有变速器，变速器的动力输出端连接所述发电机动力输入轴。

一种利用地下轨道交通列车风力进行发电的方法，在地下交通隧道内的轨道两侧安装多组风力发电装置，每组风力发电装置包括机壳和空心支撑杆，空心支撑杆上装有机壳、风叶和机头，风叶朝向地铁驶来的方向且与铁轨成45-70度的倾角，所述机壳安装在地下交通隧道内壁上留出的风叶机头安装空间，所述风叶伸出所述风叶机头安装空间外，所述机壳下部装有立式的空心支撑杆，空心支撑杆的中下部埋入风叶机头安装空间下方的内壁中，

机头连接风叶转轴，风叶转轴通过锥齿轮传动副连接立式动力轴，立式动力轴通过动力输入轴和发电机动力输入轴连接发电机；

当地铁驶到并通过，其产生的高速气流带动风叶快速旋转，风叶通过风叶转轴、立式动力轴和发电机动力输入轴将动力传递给发电机带动发电机发电，发电机通过电缆将产生的电能输送至储电装置储存；

同时，所述立式动力轴通过储能传动齿轮副和传动立轴连接有储能传动装置，储能传动装置内有若干组发条轴、发条储能装置和制动器，能够将地铁产生的多余风能储存在发条储能装置内，并在动力输入轴转速下降时将动力补充给发电装置；

其过程为：立式动力轴通过储能传动齿轮副传动，带动传动立轴转动，传动立轴通过锥齿轮副带动卧式传动轴转动，卧式传动轴的前端连接有减速器和常闭离合器，卧式传动轴通过减速器减速，增大扭力，通过锥齿轮带动各级发条轴转动，直至上紧发条储能装置内的发条，储存机械能；其中，每个发条轴上装有制动器，当发条上紧或接近上紧后，通过角度传感器或圈数计数器发讯，从而控制器控制所有制动器制动，将发条轴全部抱死，同时，常闭离合器的传感器发讯使得离合器断开，发条储能；旋转方向的一致性可通过锥齿轮的具体设置来调整；

速度传感器测得动力输入轴的转速小于设定值时，控制器控制常开离合器开始闭合动作，使得储能传动轴与动力输入轴啮合相连，同时控制器控制所有制动器松开，发条轴在发条的带动下反转，带动储能传动轴转动，储能传动轴将动力补充给动力输入轴，待发条轴停转后，常开离合器断开，常闭离合器闭合，进入另一个储能循环过程。

本发明的有益效果是：本发明充分利用地下轨道交通列车行驶产生的风能进行发电，有效利用这部分被忽略的风能，来为人类发电。这种利用风能的发电方法，无需专人操作，且设备制造简单，清洁环保，安全可靠，经济实惠。本发明还设置了发条储能装置，保证发电状态具有一定的稳定性和持续性。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明风力发电装置结构示意图；

图2是风力发电装置布置在地铁铁轨两侧的平面布置图；

图3是地铁行进方向视角的布置图；

图4是本发明结构原理图；

图5是图4的a向视图；

图6是本发明控制原理图。

图中，1、风叶，2、机头，3、空心支撑杆，4、风叶机头安装空间，5、防护罩，6、风叶转轴，7、机壳，8、立式动力轴，9、储能传动齿轮副，10、传动立轴，11、常闭离合器，12、储能传动装置，13、动力输入轴，14、变速器，15、发电机动力输入轴，16、发电机，17、储电装置，18、控制系统电源，19、减速器，20、卧式传动轴，21、发条轴，22、制动器，23、发条储能装置，24、储能传动轴，25、常开离合器，26、储电房，27、应急供电插头。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

如附图1-6所示的一种地下轨道交通列车风力发电装置，包括安装在地下交通隧道内的轨道两侧的多组风力发电装置，每组风力发电装置包括机壳7，机壳7朝向轨道的一端装有风叶1和连接风叶的机头2，机头2后部连接风叶转轴6，风叶转轴6水平安装在所述机壳7内，风叶转轴6通过锥齿轮传动副连接立式动力轴8；所述机壳7安装在地下交通隧道内壁上留出的风叶机头安装空间4，所述风叶1伸出所述风叶机头安装空间4外，所述机壳7下部装有立式的空心支撑杆3，空心支撑杆3的中下部埋入风叶机头安装空间4下方的内壁中，所述立式动力轴8安装在所述空心支撑杆3内，立式动力轴8通过锥齿轮传动副连接动力输入轴13，动力输入轴13的输出端连接发电机动力输入轴15，发电机动力输入轴15将动力传递给发电机16，发电机16通过电缆将产生的电能输送至储电装置17储存。

所述风叶1朝向地铁驶来的方向且与铁轨成45-70度的倾角。

所述立式动力轴8通过储能传动齿轮副9和传动立轴10连接有储能传动装置12，储能传动装置12整体横向布置，所述储能传动装置12包括卧式传动轴20，卧式传动轴20与所述动力输入轴13的高度位置对应，传动立轴10的下端通过锥齿轮传动副连接所述卧式传动轴20，卧式传动轴20的前端连接有减速器19和常闭离合器11，卧式传动轴20通过若干组锥齿轮传动副分别连接有若干组发条轴21，每组发条轴上均装有发条储能装置23和制动器22，若干组发条轴21还通过锥齿轮传动副共同连接一个储能传动轴24，储能传动轴24通过锥齿轮传动副连接所述动力输入轴13，储能传动轴24与动力输入轴13之间装有常开离合器25。

所述发条储能装置并列设置有多个。

所述风力发电装置沿铁轨方向每4-6米设置一个，所述风叶1距离铁轨1-3米。

在地铁每个站点附近建筑一个放置所述储电装置16的储电房26。

在铁轨两侧设置有应急供电插头27，应急供电插头连接所述的储电装置16。

所述风叶1外部罩有镂空的防护罩5。

所述动力输入轴13的输出端连接有变速器14，变速器14的动力输出端连接所述发电机动力输入轴15。

一种利用地下轨道交通列车风力进行发电的方法，在地下交通隧道内的轨道两侧安装多组风力发电装置，每组风力发电装置包括机壳7和空心支撑杆3，空心支撑杆3上装有机壳7、风叶1和机头2，风叶1朝向地铁驶来的方向且与铁轨成45-70度的倾角，所述机壳7安装在地下交通隧道内壁上留出的风叶机头安装空间4，所述风叶1伸出所述风叶机头安装空间4外，所述机壳7下部装有立式的空心支撑杆3，空心支撑杆3的中下部埋入风叶机头安装空间4下方的内壁中，

机头2连接风叶转轴6，风叶转轴6通过锥齿轮传动副连接立式动力轴8，立式动力轴8通过动力输入轴13和发电机动力输入轴15连接发电机16；

当地铁驶到并通过，其产生的高速气流带动风叶1快速旋转，风叶1通过风叶转轴6、立式动力轴8和发电机动力输入轴15将动力传递给发电机16带动发电机16发电，发电机16通过电缆将产生的电能输送至储电装置17储存；

同时，所述立式动力轴8通过储能传动齿轮副9和传动立轴10连接有储能传动装置12，储能传动装置12内有若干组发条轴21、发条储能装置23和制动器22，能够将地铁产生的多余风能储存在发条储能装置23内，并在动力输入轴13转速下降时将动力补充给发电装置；

其过程为：立式动力轴8通过储能传动齿轮副9传动，带动传动立轴10转动，传动立轴10通过锥齿轮副带动卧式传动轴20转动，卧式传动轴20的前端连接有减速器19和常闭离合器11，卧式传动轴20通过减速器19减速，增大扭力，通过锥齿轮带动各级发条轴21转动，直至上紧发条储能装置23内的发条，储存机械能；其中，每个发条轴21上装有制动器22，当发条上紧或接近上紧后，通过角度传感器或圈数计数器发讯，从而控制器控制所有制动器22制动，将发条轴21全部抱死，同时，常闭离合器11的传感器发讯使得离合器断开，发条储能；旋转方向的一致性可通过锥齿轮的具体设置来调整；

速度传感器测得动力输入轴11的转速小于设定值时，控制器控制常开离合器25开始闭合动作，使得储能传动轴24与动力输入轴13啮合相连，同时控制器控制所有制动器22松开，发条轴21在发条的带动下反转，带动储能传动轴24转动，储能传动轴24将动力补充给动力输入轴13，待发条轴21停转后，常开离合器25断开，常闭离合器11闭合，进入另一个储能循环过程。

本发明的工作过程和原理为：为了保证地铁列车的安全运行，本发明要求：风力发电机的各种部件必须轻巧耐用，防火防爆和防风刮，并能牢固的固定在所在的部位。风叶1和支承部必须牢稳，经得住10级以上风力的吹刮。风叶1设计为4-6个叶片，风叶1和机头2由强大的空心支撑杆3支承。空心支撑杆的空心内安装能旋转的立式动力轴8，立式动力轴8与风叶转轴6锥齿轮联接，立式动力轴8下部横卧的动力输入轴13通过齿轮联接。发电机发出的电通过电缆与铁路路基外的储电房内的储电池储存或储电网联接。

风叶1和机头2斜对着地铁列车的行驶方向，最好为60度倾角。当地铁列车呼啸而来时，行驶中带来的强大风流推动风叶1高速旋转，风叶1带动风叶转轴6，风叶转轴6通过立式动力轴8和动力输入轴13带动发电机发电。发电机发出的电能，通过电线或者电缆存储于储电房内的储电池或储电网内。

距离地铁站的站点某一处，建筑一个小型储电房。储电房内工作人员随时将高速地铁列车旁墙壁下发电机发出的电能，调整并输送给地铁列车上和隧道内照明、以及地铁站点，从而保证了地铁的安全运行。所以，本发明即使在外界突然停电的情况下，也能保证地铁照常运行。

传动和储电原理：

立式动力轴8在风叶1带动下高速转动，传动有两条路线：一路通过锥齿轮传动副直接带动接入发电机的动力输入轴13，进而通过变速器14加速，加快速度的发电机动力输入轴15带动发电机16发电，发电机16将产生的电能输送至储电装置17储存，或者可以接入电网。另一路，通过储能传动齿轮副9传动，带动传动立轴10转动，传动立轴10通过锥齿轮副带动卧式传动轴20转动，卧式传动轴20的前端连接有减速器19和常闭离合器11，卧式传动轴20通过减速器19减速，增大扭力，通过锥齿轮带动各级发条轴21转动，直至上紧发条储能装置23内的发条，储存机械能。其中，每个发条轴21上装有制动器22，当发条上紧抱死后，可通过角度传感器或圈数计数器计算发条轴所转圈数是否达到临界值然后发讯，从而控制器控制所有制动器22制动，将发条轴21全部抱死，同时，常闭离合器11的传感器发讯使得离合器断开，由于发条簧的一端固定在发条壳上，发条簧的另一端固定在发条轴上，发条轴停转则发条储能。各传动轴的旋转方向的一致性可通过锥齿轮的具体设置来调整。

速度传感器测得动力输入轴13的转速小于设定值时，比如转速小于每分钟1000转（比如500转或800转等）时，控制器控制常开离合器25开始闭合动作，使得储能传动轴24与动力输入轴13啮合相连，同时控制器控制所有制动器22松开，发条轴21在发条的带动下反转，带动储能传动轴24转动，储能传动轴24将动力补充给动力输入轴13，动力输入轴13提高转速。待发条轴21停转后，常开离合器25断开，常闭离合器11闭合，进入另一个储能循环过程。

当地铁列车高速经过风叶1和机头2组成的风力旋转机时，风叶1的转速相当快，每分钟可达到上千转。列车通过后，转速慢慢减少。当列车过后2分钟之后，转速会大幅度减少，乃至每分针几十转。当下一辆列车再经过时，转速又达到高峰。为保证风力旋转机的转速稳定在一定的数值内，保障发电机安全发电，可在空心支撑杆的下部动力输入轴13与电机轴之间安装一个变速器14，进行转速调整。当列车经过时，风力旋转机形成的高速转数，一部分通过转速调整器（转速不至于过高，控制在每分钟3000转—1000转），稳定地传输给发电机，带动发电机旋转发电。另一部分通过储能装置进行储存。

所述立式动力轴8通过储能传动齿轮副9和传动立轴10连接有储能传动装置12，储能传动装置12内有若干组发条轴21、发条储能装置23和制动器22，能够将高速列车产生的多余风能储存在发条储能装置23内，并在动力输入轴13转速下降时将动力补充给发电装置，使其转数稳定在一定的范围值内。

本发明适用于运营列车频繁行驶的地铁铁路路段，即在每2-10分钟之内，就有一辆列车通过的地铁铁路路段。如果选用500瓦功率的风力发电机，按照某城市某地铁每天运行200班次，每班次每站间有效风速持续时间为30秒来计算，每台发电机一年的发电量约为300千瓦时。如果设计每隔5米在隧道内的两侧安装风轮进行发电的话，两个站台之间的全速行驶车段约为1公里，这样就可以安装400个。换句话说，仅两个站台之间一年就可以达到12万千瓦时的发电量，相当于一座小型发电站的发电量。在我国经济比较发达的省会城市，一般地铁站的数量在100个以上。如果按101个计算，不计算地铁线路之间的交叉就相当于有100个小型发电站的发电量了，其所产生的经济效益更是不言而喻。