徐妍彥

摘 要：城市軌道交通是各大城市的主要交通方式，基于軌道交通的里程長、數(shù)量大，城市軌道交通的總能耗大的特點(diǎn)，作者結(jié)合中學(xué)期間所學(xué)能量守恒和能量轉(zhuǎn)化知識，對城市軌道列車進(jìn)站制動能量的轉(zhuǎn)換提出了機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能、迫使形成活塞風(fēng)發(fā)電等節(jié)能思考，針對地鐵站內(nèi)乘坐電梯人流較大這一現(xiàn)狀，提出了“上行和下行電梯串聯(lián)同步運(yùn)行”的節(jié)能構(gòu)想：即依靠下行電梯的重力勢能轉(zhuǎn)換為上行電梯的驅(qū)動力實(shí)現(xiàn)節(jié)能;針對地鐵隧道內(nèi)白天需要照明，作者提出了用光導(dǎo)纖維將地面自然光傳送至地鐵隧道和地鐵站內(nèi)用于照明這一技術(shù)思路，以期為城市軌道交通節(jié)能事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通;地鐵;能量轉(zhuǎn)換;活塞風(fēng);箱式電梯;同步運(yùn)行

一、研究背景

在日新月異的現(xiàn)代社會中，我國城市公共交通日益發(fā)展，然而軌道交通是城市公共交通的主要形式，具有節(jié)能、省地、運(yùn)量大、少污染、安全等特點(diǎn)，具有綠色環(huán)保交通體系，符合可持續(xù)發(fā)展的原則，特別適應(yīng)于大中城市。常見的城市軌道交通主要有地鐵、輕軌、市郊鐵路、有軌電車以及懸浮列車等多種類型。

截止2017年底，全國內(nèi)地開通運(yùn)營城市軌道交通的城市共33個(gè)，開通線路150多條，運(yùn)營里程超過4500公里，位居世界第一，到2020年全國城市軌道交通運(yùn)營總里程預(yù)計(jì)超過7000公里。雖然軌道交通能耗比其他形式交通小，但由于其大運(yùn)量的特點(diǎn)，其總耗能量相當(dāng)大。1條運(yùn)營里程25公里左右的地鐵線，1年的耗電量約為2億千瓦時(shí)。軌道交通成為各城市的用電大戶，仍有節(jié)能潛力。因此，盡快找到大幅降低軌道交通運(yùn)行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續(xù)發(fā)展必須解決的重要問題之一。

二、列車進(jìn)站制動能量的轉(zhuǎn)換

軌道列車在運(yùn)行過程中，由于車站間距一般較短，因此要求起動加速度和制動加速度比較大，并具有良好的起動和制動性能。列車在制動過程中，往往將制動能量轉(zhuǎn)化為電阻的熱能消耗，由于列車制動發(fā)熱引發(fā)站臺和地下隧道熱量積累、溫度上升，某些城市軌道系統(tǒng)隧道溫度高達(dá)50℃，不得不加大通風(fēng)設(shè)備的容量，造成嚴(yán)重的二次能耗。因此，作者對軌道列車制動能量非熱能轉(zhuǎn)換進(jìn)行了如下思考。

（1）思考一：利用導(dǎo)線切割磁力線感應(yīng)出電勢的電磁感應(yīng)原理，將軌道列車進(jìn)站的動能變?yōu)殡娔茌敵觯瑫r(shí)導(dǎo)線還會受到與運(yùn)動方向相反的磁場力的作用，形成列車制動力，幫助列車減速。如圖1所示，在每節(jié)軌道列車箱體內(nèi)纏繞電樞線圈，在軌道列車進(jìn)站前一定長度內(nèi)隧道兩側(cè)分別安裝N磁極和S磁極。列車高速進(jìn)站前，電樞線圈導(dǎo)線切割隧道兩側(cè)磁場中的磁感線產(chǎn)生電流，供列車照明或制動使用，由于導(dǎo)線就是通電導(dǎo)體，在磁場中受到磁場力的作用，阻礙列車行進(jìn)的方向，也就形成了列車的制動力。

（2）思考二：利用軌道列車進(jìn)站過程中形成的隧道活塞風(fēng)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電。列車進(jìn)站減速前行駛平均速度一般為60km/h，最快可以達(dá)到80km/h，列車高速行駛形成隧道活塞風(fēng)的風(fēng)速約5～7m/s，最高可以達(dá)到15m/s。軌道列車進(jìn)站見圖2。

利用列車正常行駛時(shí)隧道活塞風(fēng)發(fā)電是很多專家和學(xué)者研究的課題。這里筆者利用列車進(jìn)站隧道活塞風(fēng)進(jìn)行發(fā)電的同時(shí)快速降低列車進(jìn)站速度，將列車的動能間接轉(zhuǎn)化為電能。如圖3所示，在列車進(jìn)站前區(qū)間隧道內(nèi)設(shè)置進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口，在列車停車區(qū)域設(shè)置自動屏蔽門，在列車頂部設(shè)置多組自動升降擋風(fēng)板（類似于飛機(jī)降落時(shí)自動打開的機(jī)翼擋風(fēng)板，能快速迫使飛機(jī)減速）。

當(dāng)列車進(jìn)站時(shí)，自動打開列車車頂擋風(fēng)板、隧道屏蔽門自動關(guān)閉，擋風(fēng)板受到的空氣阻力能使列車快速減速;同時(shí)由于屏蔽門的封閉，列車前方形成一個(gè)相對密封的空間，列車行駛過程中壓縮隧道內(nèi)空氣，使隧道內(nèi)壓力增加，迫使列車速度減小，隧道內(nèi)空氣從出風(fēng)口快速排出，形成活塞風(fēng)。當(dāng)在隧道出風(fēng)口安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，活塞風(fēng)發(fā)電，電能補(bǔ)給車站，同時(shí)利用風(fēng)的阻力迫使列車降速。由于設(shè)置了進(jìn)風(fēng)口，及時(shí)給隧道補(bǔ)充了空氣，能有效防止隧道形成負(fù)壓。

三、地鐵站內(nèi)電梯驅(qū)動串聯(lián)同步運(yùn)行

隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大和人們生活水平不斷提高，電梯的使用現(xiàn)在越來越多，電能供需矛盾日益突出，節(jié)電呼聲日益高漲。電梯節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，經(jīng)測算，一臺廂式垂直升降電梯每天用電量約為200度，一臺扶梯每天用電量超過400度，因此，研究電梯節(jié)約電能具有特別重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益。

電梯在上行和下行過程中，電機(jī)做功和輸出功率不同，當(dāng)電梯負(fù)載下行時(shí)，可以通過能量回饋裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但是采取這一方式能量的轉(zhuǎn)化成本高、能量轉(zhuǎn)換的效率較低。在傳統(tǒng)廂式垂直升降電梯中，為減小轎廂滿載上行拽引電機(jī)電流，在轎廂拽引繩另一端配置一個(gè)與電梯載重量相當(dāng)?shù)膶?shí)心配重塊，如圖4所示，當(dāng)電梯滿載時(shí)，實(shí)心配重塊可以使電機(jī)額定載重運(yùn)行最省力，起到節(jié)能的目的。這類傳統(tǒng)電梯運(yùn)行時(shí)拽引電機(jī)必須對實(shí)心配重塊做功，電梯的能耗高，尤其是當(dāng)電梯空載下行時(shí)，拽引電機(jī)的電流最大。

在人流量較大的地鐵站中，早晚高峰時(shí)段電梯基本處于滿負(fù)荷運(yùn)行，電梯上下乘客的數(shù)量基本持平。參考傳統(tǒng)廂式電梯配載運(yùn)行模式，設(shè)計(jì)如圖5所示的廂式并聯(lián)同步驅(qū)動電梯，這種電梯基于機(jī)械能守恒的原理，只要同步運(yùn)行的兩臺電梯載荷基本相同，下行電梯在重力的作用下幾乎可以自行帶動上行電梯，驅(qū)動電機(jī)只需克服系統(tǒng)摩擦力做功，輸出功率較小，能耗小。當(dāng)兩個(gè)轎廂內(nèi)乘客不相同或差異較大（一個(gè)空載、一個(gè)滿載）時(shí)，可以將某一轎廂看作傳統(tǒng)電梯的實(shí)心配重塊，本實(shí)用新型電梯的能耗也不會比傳統(tǒng)廂式電梯的能耗大。由此可見，這類電梯非常適合人流較大的地鐵站等公共場所。

依據(jù)這一原理，地鐵站內(nèi)的踏步式自動扶梯也可同樣采取這一驅(qū)動方式，單層電梯運(yùn)行可參見示意圖6設(shè)置，對雙層電梯運(yùn)行可參見圖7示意圖設(shè)置。

四、結(jié)論和展望

（1）結(jié)論。在當(dāng)今世界能源日趨緊張情況下，厲行節(jié)能降耗，建設(shè)資源節(jié)約型社會，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展顯得尤為重要。作者通過觀察地鐵列車進(jìn)站、乘客乘坐電梯進(jìn)出地鐵站等，結(jié)合中學(xué)物理知識，設(shè)想利用軌道列車進(jìn)站做切割磁力線運(yùn)動，不僅能快速減小列車進(jìn)站動能，同時(shí)能將列車動能轉(zhuǎn)化為電能供地鐵站使用;設(shè)想利用列車進(jìn)站形成的隧道活塞風(fēng)不僅能快速減小列車動能，同時(shí)也能將列車動能轉(zhuǎn)化為電能;設(shè)想?yún)⒖紓鹘y(tǒng)廂式電梯配載運(yùn)行模式，將地鐵站內(nèi)電梯驅(qū)動并聯(lián)運(yùn)行，通過將電梯滿載下行的重力勢能轉(zhuǎn)化為電梯上行所需的機(jī)械能，大大減少電梯用電量，上述地鐵站內(nèi)的幾點(diǎn)節(jié)能設(shè)想值得專家學(xué)者研究和推廣。

（2）展望。地鐵站內(nèi)的照明系統(tǒng)也是維持地鐵正常運(yùn)行的重要組成，由于其工作時(shí)間長并且能耗大，因此地鐵照明系統(tǒng)的節(jié)能意義也非常重大，筆者設(shè)想如果利用光導(dǎo)纖維將地面以上的自然光引入地鐵站內(nèi)或列車運(yùn)行隧道內(nèi)，滿足地鐵站內(nèi)白天照明的需要，這將極大減少地鐵的運(yùn)行能耗，相信這一科學(xué)技術(shù)在不久的將來能夠?qū)崿F(xiàn)，光纖傳光見圖8。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧琪瀅.城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢研究[J].交通世界，2019（Z1）：250-251.

[2]孫均.軌道交通的節(jié)能減排與環(huán)保問題[J].隧道建設(shè)，2013（66：43-647）.

[3]于波.城市軌道交通節(jié)能技術(shù)實(shí)踐與展望[M].中國建筑工業(yè)出版社，201.

[4]宋敏華.城市軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2009（01）.

[5]王龍達(dá).城市軌道交通節(jié)能運(yùn)行策略的研究[D].大連交通大學(xué)，2013.

[6]張健楠，李倬，蔣哲人，葛琦.城市軌道交通車站節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀與探討[J].科技風(fēng)，2017（26）：98.

指導(dǎo)老師：韓浩，張露。