基于流体压缩和射流动能的发电装置在我国应用的可行性分析

刘鹏飞，　韩　星（上海理工大学，上海200093）

基于流体压缩和射流动能的发电装置在我国应用的可行性分析

刘鹏飞，韩星
（上海理工大学，上海200093）

提出一种基于流体压缩和射流动能的发电装置。该装置通过压缩容器里的流体，从喷口处产生射流驱动发电机运行，达到发电的目的。通过流体模拟分析和计算，证明了流体射流发电的可行性，并计算了其发电量。

流体压缩； 射流； 发电； 可行性

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.004

0　引言

中国目前发电主要以火力发电为主，属于不可再生的非清洁能源。在日常生活中，人类有大量的做功，但是并没有转化为有效的能源，例如举重、踩踏等动作。本文拟通过研究基于流体压缩和射流动能的发电装置，对人类的踩踏动作的能量加以利用，通过压缩流体产生射流的方法，把能量转化为电能，以达到能量转化的任务。

目前，国外已经有许多利用震动发电的项目了。以色列利用微型压电晶体在受到挤压变形时会产生电能的特性来获取巨大的能量，把成千上万个压电晶体植入公路表面，在理想情况下，每公里路段每小时的发电量可达400度；荷兰有全世界第一家通过跳舞发电的迪厅，舞池中大约1/3的用电是跳舞的宾客们自己产生的；伦敦一家生态环保夜总会，它的舞池地板可以将人们舞动而产生的能量通过地板下的弹簧和一系列发电装置转化成电能，采用这套装置，理想情况下可以解决夜总会60%的电力需求。［5］

利用压缩流体产生射流的方式可以充分利用我国人口众多、人员活动范围广的特点，把这些由于人员活动产生的能量转化为我们需要的能量。

1　流体压缩和射流能量转化的理论分析

基于流体压缩和射流动能的发电装置依靠地面震动压缩［3］装置内部贮存流体的部件1，使1内的流体在压缩作用下，通过侧面的喷口5产生射流，利用射流驱动发电机来发电。流体在整个装置内部进行循环流动，受到挤压时流体从单向出口5喷口射出，通过单向出口5处的发电机，填充到缓冲管道3里，挤压脱离时，在弹簧复位装置2的作用下，流体通过入口处的发电机6从单向入口喷口7进入贮存流体的部件1。详见图1的装置原理图。从能量转化的角度来计算，人体上下运动作用在装置上表面的势能转化成流体的动能，通过喷口以射流的形式作用在发电机上把动能转化成电能［2］。人体运动作用在上表面的过程中，需考虑压缩过程中储存在弹簧中的势能和摩擦的能量损失；压缩流体产生射流的过程中有喷口处内外截面突变的局部能量损失；最后要考虑发电机的摩擦损失和电能损失。

图1　基于流体压缩和射流动能的发电装置原理图1-贮存流体部件　2-弹簧复位装置　3-缓冲管道　4、6-管道发电机5-单向出口喷口　7-单向入口喷口

通过上述计算方法得到的是基于流体压缩和射流动能的发电装置的理论最大发电量，是在没有考虑发电机设备的参数要求的情况下得到的。如果考虑某种发电机的运行参数和功率，在满足运行最低条件的工况下，直接通过发电机输出功率来计算装置的发电量。

2　不同设计条件下装置的发电量计算

根据人体运动导致贮存流体的部件被压缩的深度H和射流喷口的口径Φ的不同，有不同的发电量计算结果。喷嘴的长度为10mm。经过查阅规范，人体的平均重量G=600N，脚步踩下抬起的平均时间周期为0.5s。人体运动作用在上表面的过程中，压缩过程中储存在弹簧中的势能和摩擦的能量损失用ξ1表示；压缩流体产生射流的过程中喷口处内外截面突变的局部能量损失用ξ2表示［1，4］；发电机的摩擦损失和电能损失用ξ3表示。

喷口的面积：

式中 A—喷口的面积，m3；

Π—圆周率；

Φ—射流喷口的口径，mm。

出口喷口的速度：

式中 ν—喷口的速度［2］，m/s；

a—装置表面的长度，m；

b—装置表面的宽度，m；

τ—脚步踩下抬起的平均时间周期，s；

H—部件被压缩的深度，mm。

出口处流量：

式中 q—出口处流量，m3/s。

压缩过程中储存在弹簧中的势能和摩擦的能量损失用ξ1［4］可由装置的设计决定；根据喷口长度、口径以及流速和流量查阅得到喷口处内外截面突变的局部能量损失ξ2；发电机的摩擦损失和电能损失用ξ3可由发电机的选型决定。

则，发电效率：

式中 η—发电效率，%；

ξ1—弹簧中的势能和摩擦的能量损失，%；

ξ2—喷口处内外截面突变的局部能量损失，%；

ξ3—发电机的摩擦损失和电能损失，%。发电功率：

式中 P—发电功率，W；

G—人体的平均重量，N。

根据装置设计，取该装置上下表面积为600×600mm2作为计算的依据。另外，取一台管道发电机作为发电设备计算，其参数如下，运行水压：0.05～0.45 MPa；最大运行水压：0.55 MP；最大承压：1.6MPa；流量损耗：5.1%（0.25 MP时）；工作温度范围：5～95℃；输出电压：3.8～23.7VAC/空载，2.5～16.8 VAC/负载；输出电流：18～32 MA/0.1 K负载；外形尺寸：￠37×41 mm （ZS-F02）；检测时输出口：开放（注：0.2MP时水压能同时点亮18颗LED指示灯）。

发电机在最低运行状态下的发电功率：

式中 P0—发电机在最低运行状态下的发电功率，W；

U—发电机在最低运行状态下的电压，V；

I—发电机在最低运行状态下的电流，A。

本文针对该装置设计了四套方案。在部件被压缩的深度方面，为保证人体的稳定性，采用5mm和2.5mm的设计；在射流喷口的口径方面，为契合市场阀门口径并满足装置发电要求，采用10mm和15mm的设计。根据上文计算方法，可计算得不同设计方案工况下该装置的出口射流速度、出口流量、发电效率和发电功率。汇总见表1。

表1　不同工况下的发电效率和功率

综合以上四种不同设计规格的计算可知，流体的部件被压缩的深度H和射流喷口的口径Φ的不同，会影响发电功率的大小，通过对基于流体压缩和射流动能的发电装置的结构进行进一步设计，并且采用效率更高的发电机设备可以得到更佳的发电效果。

3　基于流体压缩和射流动能的发电装置的产效

以步行街为例，按一条中等繁华的步行街，街道面积为500m×20m，一天中有12h有行人在行走，即一天有12h基于流体压缩和射流动能的发电装置在起作用，那么这条步行街一天的最小发电量：

W=0.9×12×3600×500×20/（0.6×0.6）J=300kWh式中 W—该装置下的发电量，kWh；

T—设备运行的有效时间，h；

S—装置安装并参与工作的面积，m2。

一年的最小发电量为109500kWh。从长期的角度来讲，可以节约很大一部分电能。如果可以设计出更加合理的基于流体压缩和射流动能的发电装置结构，通过该设备节约的电能会更加可观。

步行街的设计需考虑人在行走中的舒适性和稳定性，故对于步行街场合的压缩深度H相比较其他场合会比较小，作为公交车，该装置的H较大，H可以设计成15mm。而且公交车上的面积利用率远高于普通地面，等效在0.6m×0.6m地面上的重量

Ge=600×0.6×0.6/0.0125=1728N

Ge—等效在面积为600×600mm2的装置表面上的重量，N；A0—一个人站立时所占据的面积，m2。以一辆12m2的公交车为例，按一天中行驶15h，即一天有15h基于流体压缩和射流动能的发电装置在起作用，取平均效率作为计算的η，那么公交车上安装该装置的发电功率：

那么这辆公交车一天的发电量：

一年的发电量为2929.125kWh。我国是一个人口大国，公交车的数量巨大，采用该装置可以节约很大一部分能量。

根据上述计算的过程可知，将该装置>应用在步行街和公交车上一年的发电量是十分巨大的，利用基于流体压缩和射流动能的发电装置可以节约更多的电能。

4　基于流体压缩和射流动能的发电装置的可行性分析

从能量守恒来讲，人在地面上行走，车辆在地面上行走，等等都会在地面上产生震动，而这些震动无一不是能量的消耗，震动是一种机械运动，那么这些机械运

动的能量在理论上是十分巨大的，这为该装置的实现提供了能量基础。其次，基于流体压缩［3］和射流的发电装置通过把震动转化为压缩的能量，以一种新的能量转化方式将微小的能量波动放大，益于能量的收集。通过上文的理论分析和计算，该装置的发电效率可以达到30.97%，而且我国人口众多，居住密集，能量基数巨大，可以从中获取可观的能量。

5　结语

本文提出的基于流体压缩和射流动能的发电装置是一种利用微震动来发电的装置，通过压缩贮存流体［3］的部件来产生射流，依靠射流的动能驱动发电机运行产生电能。结合我国人口众多且分布密集的因素，可以把人群产生的震动能量收集起来加以利用。经过本文精确模拟和计算，该装置的发电效率可以达到30.97%。该装置如果应用到实际中，一条面积为500× 20m2装备此装置的步行街，一年的计算最小发电量为109500kWh；一辆12m2的公交车如果安装此装置，一年的可发电2929.125kWh。该装置如果在生活中投入使用，可以回收很多电能，对于我国能源压力可以起到一定的缓解作用。

［1］杨友胜，张建平，聂松林.水射流喷嘴能量损失研究［J］.机械工程学报，2013，49（2）：139～145.

［2］王彤，谷传纲，张义云.流体压缩系统管道内部速度与压力的动态测量［J］.风机技术，2001，6：3，4.

［3］卢稳，聂超群，林峰.新组合压缩方式压气机的可行性探索［J］.航空动力学报，2011，26（5）：1111-1117.

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［5］高育红.用地面发电［J］.课外生活，2009，（10）：189～199.

Feasibility Analysis on the Application of Power Generation Device based on Fluid Compression and the Jet Kinetic Energy in China

LIU Peng-fei， HAN Xing
（Shanghai University of Technology，Shanghai 200093，China）

This paper proposes a new power generation device based on fluid compression and the jet kinetic energy. The device achieves the aim of generating electricity with the generator running driven by the jet that produced from the spout by compressing the fluid of the container.Through fluid simulation analysis and calculation，the feasibility of the power generation by the fluid jet is proved and we calculated the capacity of power generation in this paper.

fluid compression； the jet； power generation； feasibility

TM619

B

2095-3429（2015）02-0014-03

刘鹏飞（1993-），男，山西人，学士学位，研究方向：建筑与环境；

韩星（1981-），男，山东人，博士，副教授，研究方向：建筑与环境。

2014-12-03

2015-03-13