一种基于高速列车的风能发电系统的制作方法

本实用新型涉及一种电子显示设备，尤其涉及一种基于高速列车的风能发电系统。

背景技术：

高速列车采用复合制动。在正常制动过程中优先采用再生制动，也就是将电动机反转，变为发电机，从而将动车组的动能转变为电能送给接触网，供相邻区间其他列车使用。再生制动是一种比较环保和绿色的制动方式。

当高速列车速度较低时，再生制动的效果比较差，就会改为盘形制动。这个与汽车上的制动盘工作原理一样。车轴上套上制动盘，或者是两端的车轮一部分作为制动盘，卡钳抱住制动盘，摩擦发热，从而将列车的动能转变为热能消散掉，达到减速的目的。

国内的高速试验车CRH380AM，还使用了风阻制动，也就是在制动时，在列车的端部升起风阻板，从而加大动车组的空气阻力，达到辅助制动的目的。在盘形制动阶段，如果不采用合理方式将制动能收集，所有的能量将以热能的形式散失掉，同时对制动盘造成极大的磨损。

列车通过时周围产生2种气动影响。(1)脉冲压力，是由列车头车和尾车通过造成的。列车头车通过时，产生了压力增大、随后压力快速下降的压力脉冲，压力脉冲持续时间非常短。(2)列车通过时诱导的流动，运动中的列车产生了沿列车长度方向逐渐增厚的边界层，在列车后面的尾迹流动。这导致了在列车中后部形成与运动列车方向一致的气流，称为诱导流动，而在列车后尾迹内的流动是非常复杂的湍流流动。

技术实现要素：

本实用新型的目的：提供一种基于高速列车的风能发电系统，能在盘形制动阶段，将风力发电装置伸出车体外，既增大了高速列车迎风面，从而增加空气阻力帮助制动，同时将其中的风能用于发电并储存于蓄电池中；当完成整个发电过程后，将发电装置收回车体内。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种基于高速列车的风能发电系统，包括风力扩散放大器、多片叶片、多组连接臂组件、上轮毂、下轮毂、传动轴、联轴器、发电机、过渡板、滚珠丝杠、底座、一对滑轨、多块滑块及控制系统；所述的上轮毂的底部设有多个螺孔，所述的下轮毂的顶部设有多个螺孔，所述的上轮毂通过固定螺栓与所述的下轮毂固定连接，并安装在所述的传动轴的一端；所述的上轮毂的顶部设有多个螺孔，所述的下轮毂的底部设有多个螺孔，所述的多片叶片的两端分别通过所述的多组连接臂组件经固定螺栓固定连接在所述的上轮毂的顶部与所述的下轮毂的底部之间，构成风轮结构，所述的多片叶片与所述的传动轴同步转动；所述的风力扩散放大器为中空长方体盒状结构，所述的风轮结构安装在所述的风力扩散放大器内；所述的联轴器同轴连接在所述的传动轴的另一端，所述的传动轴通过所述的联轴器与所述的发电机的输出端同轴连接并同步转动；所述的发电机安装在所述的过渡板上，所述的多块滑块分别对称设置在所述的过渡板的底部，所述的过渡板的底部通过所述的多块滑块安装在所述的一对滑轨上，并沿所述的一对滑轨水平滑动；所述的一对滑轨分别对称安装在所述的底座上，所述的滚珠丝杠通过所述的控制系统设置在所述的底座上，位于所述的一对滑轨之间，所述的过渡板通过所述的滚珠丝杠水平移动，所述的底座固定安装在高速列车内，所述的风力扩散放大器通过所述的滚珠丝杠沿所述的一对滑轨水平滑动到高速列车外部。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，所述的连接臂组件包括连接臂及连接片，所述的连接臂为长条状结构，所述的连接臂的一端通过固定螺栓与所述的上轮毂固定连接，所述的连接臂的另一端通过固定螺栓与所述的连接片固定连接，所述的叶片通过固定螺栓固定安装在所述的连接片上。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，所述的发电机为H型垂直轴风力发电机，所述的叶片为CLARK-YM-15玻璃钢叶片。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，所述的风力扩散放大器竖直设置且横向进风，所述的风力扩散放大器的进风口向上及向下扩展成弧面结构，所述的多片叶片安装在所述的风力扩散放大器的进风口及出风口之间。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，所述的传动轴上同轴安装有齿轮箱，所述的齿轮箱与所述的发电机相适配。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，所述的控制系统与发电机连接，所述的控制系统包括速度传感器、单片机，所述的速度传感器与所述的单片机连接。

上述的基于高速列车的风能发电系统，其中，还包括风力发电控制装置，所述的风力发电控制装置包括整流滤波电路、自动稳压电路、恒压输出电路及电源指示电路；整流滤波电路由六颗整流二极管及滤波电容器组成；自动稳压电路由六颗晶体管、四颗电阻器、电容器、电位器、发光二极管、二极管及稳压二极管组成；恒压输出电路由隔离二极管及蓄电池组成；电源指示电路由电阻器及发光二极管组成。

本实用新型主要利用高速列车盘形制动过程中的风能来发电，可以将风能转变为电能储存在蓄电池中给予列车利用，使用计算机技术，对风力发电机的有效地监测和控制，使风力发电设备进一步完善以达到节能环保的目的，同时能增加制动时列车迎风面，增大所受到的阻力，帮助列车制动，减少制动盘的摩擦损耗。

附图说明

图1是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的分解图。

图2是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的传动轴与发电机装配关系图。

图3是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风力发电控制装置的电路图。

图4是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的相对风速与风轮转角关系图。

图5是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的攻角与转角关系图。

图6是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮转角θ∈[0，90)内的受力分析图。

图7是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮转角θ∈[90，180)内的受力分析图。

图8是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮转角θ∈[180，270)内的受力分析图。

图9是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮转角θ∈[270，360)内的受力分析图。

图10是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮在平均风速下(30m/s)单个叶片受力与转角关系。

图11是本实用新型一种基于高速列车的风能发电系统的风轮在极限风速下(50m/s)单个叶片受力与转角关系。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本实用新型的实施例。

请参见附图1及附图2所示，一种基于高速列车的风能发电系统，包括风力扩散放大器1、多片叶片2、多组连接臂组件、上轮毂4、下轮毂5、传动轴6、联轴器7、发电机8、过渡板9、滚珠丝杠10、底座11、一对滑轨12、多块滑块13及控制系统；所述的上轮毂4的底部设有多个螺孔，所述的下轮毂5的顶部设有多个螺孔，所述的上轮毂4通过固定螺栓与所述的下轮毂5固定连接，并安装在所述的传动轴6的一端；所述的上轮毂4的顶部设有多个螺孔，所述的下轮毂5的底部设有多个螺孔，所述的多片叶片2的两端分别通过所述的多组连接臂组件经固定螺栓固定连接在所述的上轮毂4的顶部与所述的下轮毂5的底部之间，构成风轮结构，所述的多片叶片2与所述的传动轴6同步转动；所述的风力扩散放大器1为中空长方体盒状结构，所述的风轮结构安装在所述的风力扩散放大器1内；所述的联轴器7同轴连接在所述的传动轴6的另一端，所述的传动轴6通过所述的联轴器7与所述的发电机8的输出端同轴连接并同步转动；所述的发电机8安装在所述的过渡板9上，所述的多块滑块13分别对称设置在所述的过渡板9的底部，所述的过渡板9的底部通过所述的多块滑块13安装在所述的一对滑轨12上，并沿所述的一对滑轨12水平滑动；所述的一对滑轨12分别对称安装在所述的底座11上，所述的滚珠丝杠10通过所述的控制系统设置在所述的底座11上，位于所述的一对滑轨12之间，所述的过渡板9通过所述的滚珠丝杠10水平移动，所述的底座11固定安装在高速列车内，所述的风力扩散放大器1通过所述的滚珠丝杠10沿所述的一对滑轨12水平滑动到高速列车外部。

所述的连接臂组件包括连接臂31及连接片32，所述的连接臂31为长条状结构，所述的连接臂31的一端通过固定螺栓与所述的上轮毂4固定连接，所述的连接臂31的另一端通过固定螺栓与所述的连接片32固定连接，所述的叶片2通过固定螺栓固定安装在所述的连接片32上，便于叶片2的固定安装。

所述的发电机8为H型垂直轴风力发电机，所述的叶片2为CLARK-YM-15玻璃钢叶片，叶片2获得风能带动发电机8的轴转动，使发电机8正常地工作。叶片2的翼型最大曲率位于距叶片前缘0.0355倍弦长和0.401倍弦长处，厚度是叶片2弦长的14.98％和30.1％。叶片2弦长C＝0.03125m，长度L＝0.5m。叶片2的材料可选择玻璃钢。

所述的风力扩散放大器1竖直设置且横向进风，所述的风力扩散放大器1的进风口向上及向下扩展成弧面结构，所述的多片叶片2安装在所述的风力扩散放大器1的进风口及出风口之间，风力扩散放大器1是在本发电系统受风部分最外部用来提高叶片2前端附近风速的装置，通过提高叶片2前端风速来提高叶片2转速，达到增加发电机8发电效率的目的。

所述的传动轴6上同轴安装有齿轮箱14，所述的齿轮箱14与所述的发电机8相适配，用于匹配转速不同的发电机组，增强整套装置的适用性。

所述的控制系统与发电机8连接，所述的控制系统包括速度传感器、单片机，所述的速度传感器与所述的单片机连接，利用速度传感器读取当前车速并输入单片机，当车速位于10m/s-30m/s的系统工作区间时，对控制系统进行供电。利用加速度传感器读取当前列车加速度并输入单片机，当判定列车处于制动状态，加速度a＜-0.1m/s²时，控制系统使发电机8正向通电，利用滚珠丝杠10将发电机组受风部分沿一对滑轨12推出车体进行工作。利用速度传感器检测车速并输入单片机，车速低于系统工作区间下限，v＜10m/s时，表明列车即将进进站并且发电效果有限，控制系统使发电机8反向通电，利用滚珠丝杠10将发电机组受风部分沿一对滑轨12推回车体结束工作。

请参见附图3所示，还包括风力发电控制装置，所述的风力发电控制装置包括整流滤波电路、自动稳压电路、恒压输出电路及电源指示电路；整流滤波电路由六颗整流二极管及滤波电容器组成；自动稳压电路由六颗晶体管、四颗电阻器、电容器、电位器、发光二极管、二极管及稳压二极管组成；恒压输出电路由隔离二极管及蓄电池组成；电源指示电路由电阻器及发光二极管组成。

风力发电控制装置的目的是将发电机8发出的交流电转变为直流电，并具有整流和稳压的功能，将整流过后的电能储存到蓄电池中。

风力发电机的三相(或单相)交流电压经发光二极管VD4-VD10整流、电容滤波后，产生一个随风速及负载大小而变化的平滑直流电压，这电压一般在0-40V之间波动。直流电压经过自动稳压电路稳压为+12.7V后，再经发光二极管VD1对蓄电池充电。当蓄电池端电压低于12V时，自动稳压电路便向蓄电池充电，直到端电压达到标称值12V。在风比较强的时候，风力发电机的输出电压较高，使整流滤波后的直流电压达18-40V，自动稳压电路正常工作，并对负载供电；当无风或风力较弱时，风力发电机的输出电压偏低，整流滤波后的直流电压低于18V时，则发光二极管VD1因自动稳压电路输出电压低于+12.7V而截止，改由蓄电池为负载提供+12V电压。在风力发电机输出电压正常时，LED2发光；在+12V输出电压正常时，LED1发光。

在本实用新型中，发电机8是风能发电系统中产生电能的部件，只要发电机8在叶片2的带动下正常转动，发电机8就可以输出电能。

由于在高速列车制动过程中，车速逐渐降低，风力发电机组所获得的风速也随之降低。与恒速风力发电机组相比，变速风力发电机组在低风速时根据风速变化，在运行中保持最佳叶尖速比获得最大风能。因此本实用新型选择变速风力发电机组。

将最大风速设定为额定风速，在额定风速以下时，主要调节发电机8的反力矩使转速随风速变化，获得最佳叶尖速比。这在目前是较为成熟的智能控制技术。具体的实现方法是给变速风力发电机组安装一个控制器，通过电力电子装置控制发电机8的反力矩，本实用新型可采用工业标准PID型控制系统作为风力发电机组的控制器，本实用新型不再赘述。

本实用新型通过列车现场微控制器提供列车风力发电机8的自动控制，测量，计算，存储等，并向中央监控计算机系统发送风力发电机8的相关数据。通过气象勘测系统对气象的测量，并向中央监控计算机系统传递所有风力发电机8的相关数据。通过中央监控计算机系统：包括电话、本地网适配器、Modem、数据存储设备以及远程数据采集检测软件等，收集传到的信息并进行相应处理分析。通过远程监控计算机系统：包括电话、Modem、数据存储设备以及远程数据采集检测软件等，远程监控列车运行过程中风力发电机的各项运行状况并反馈。

本实用新型的工作原理如下：在列车正常行驶时，该系统收缩在列车车体内，对列车外形没有产生影响。当列车结束再生制动开始盘形制动时，利用加速度传感器感应列车加速度自动控制系统开始工作，打开车体挡板，将风力发电机组推出车体外进行工作；利用速度传感器，当速度低于风机开启风速时，将发电机组收回车体内。

H型垂直轴风力发电机8扫风面积为风轮在来流方向上投影面的面积大小：S＝2RL R表示风轮的大小，单位m，L表示叶片的长度，单位m。

风力发电机输出功率P与扫风面积的关系：

式中：发电机效率η风能利用效率C_p风力机扫风面积S大气密度ρ额定风速v。具体数值η＝0.7，C_p＝0.4，v＝50m/s(风机启动时车速为30m/s，通过对风力扩散放大器的设计，得知入口风速为30m/s时，作用在风轮上的风速为38m/s，考虑风速裕度，定为50m/s)，ρ＝1.3kg/m³，选用额定功率为10kw的发电机，由(1)式计算得S＝0.5m³。

在较高风力下，风轮转速叶尖速比在3.5以上才可能正常运转，在叶尖速比为4-6可获得较高的功率输出。

叶尖速比为：

本实用新型采用叶尖速比λ＝4，额定转速为n＝3800r/min

由(2)式计算得风轮半径

风力发电机一般实度在10％～30％，功率系数达到最大，

对于垂直轴风力发电机8，风轮的实度

根据R.J.Templin研究结果，最佳尖速比λ₀与R/BC的关系可表示为：

λ₀是使风能利用系数取最大值对应的叶尖速比。若风力机用于发电，叶片数2～5个，在本实用新型中，取B＝5，λ₀＝4，由(4)式变形可得弦长计算公式：

由(3)式计算实度满足实度最优条件。

实际风速的轴向分量v_r＝v·sinθ实际风速的切向分量v_t＝v·cosθ

叶尖速比本设计取4。

相对风速计算：w²＝v_r²+(v_t+u)² (5)

由(5)式计算得：

带入Matlab计算，得到如图所示相对风速与转角关系图如附图4所示。

风轮一个周期中攻角与转角的关系计算：

tanα＝v_r/(v_t+u)

tanα＝v·sinθ/vcosθ+u＝sinθ/(cosθ+λ)

α＝arctan(sinθ/(cosθ+λ)) (6)

(6)式带入Matlab计算，得到如图所示攻角与转角关系图如附图5所示，由图可知攻角恒小于15°，大翼型失速角一般可达15°，因此可以认为风轮在一周个期内不会失速。

请参见附图6至附图11所示，图中F_l是升力，F_lu是升力的切向分力，F_lr是升力的轴向分力

图中F_d是阻力，F_du是阻力的切向分力，F_dr是阻力的轴向分力

F_u是合成切向力，F_r是合成轴向力；升力系数C_l＝5.73α，阻力系数C_d＝0.03

F_u＝F_lu-F_du＝F_lsinα-F_dcosα＝0.0582w²αsinα-0.0003cosα (9)

F_r＝F_lr-F_dr＝F_lcosα+F_dsinα＝0.0582w²αcosα+0.0003sinα (10)

在Matlab中进行编程计算，由(9)式和(10)式得出如附图10所示的平均风速(30m/s)单个叶片受力与转角的关系图及如附图11所示的极限风速(50m/s)单个叶片受力与转角的关系图。

通过Matlab计算可知，极限轴向力为612N，考虑轴向力裕度，2个风轮连接臂能承受700N的轴向力即可保证结构安全。

连接臂31的材料选用6063-T5系列铝合金，主要的合金元素是镁和硅。该合金抗拉强度σb≥145MPa屈服强度σs≥105MPa。

单个风轮由2个连接臂31固定于风轮的传动轴6上，连接臂31的最小横截面积为：

S_min＝(700÷2)/(105×10⁶)＝3.3×10^-6m²＝0.033cm²

本实用新型中连接臂31中心处横截面直径取d＝1cm，则S＝πd²/4＝0.785cm²，S＞S_min连接臂设计满足轴向力要求。

连接片32的材料也选用6063-T5系列铝合金。

连接片32所受5个风轮的拉力与压力来源于合成轴向力。因此连接片32所受的拉力与压力之和F_5r＜5×F_rmax＝5×612＝3660N，当连接片32能承受3660N的拉力与压力时，能保证连接片32的安全。连接片32最小横截面积为：

S_min＝3660/105×10⁶＝3.49×10^-5m²＝0.349cm²

本实用新型中连接片32中心处横截面长a＝50cm，宽b＝0.5cm则

S＝50×0.5＝25cm²，S＞S_min支撑板满足轴向力要求。

传动轴6的材料选用中国45碳素结构钢，该合金屈服强度σs≥375MPa。

传动轴6与支撑板中的滚珠丝杠10的轴承接触面积最小值为：

S_min＝3660/(375×10⁶)＝9.76×10^-6m²＝9.76mm²

本实用新型中支撑板上部圆孔部位选用滚珠轴承，保证滚珠丝杠10与传动轴6单一方向接触面积大于上述最小值完全可以实现，因此采用该材料可以保证传动轴不发生塑性形变，保证结构安全。

垂直轴风力发电机输出功率P的计算公式即为式(1)：

式中参数含义同前述。除空气流速v之外所有参数都为常值，此时如果通过风轮截面的空气流速v能提高10％，则输出轴功率P可以提高33.1％。

综上所述，本实用新型主要利用高速列车盘形制动过程中的风能来发电，可以将风能转变为电能储存在蓄电池中给予列车利用，使用计算机技术，对风力发电机的有效地监测和控制，使风力发电设备进一步完善以达到节能环保的目的，同时能增加制动时列车迎风面，增大所受到的阻力，帮助列车制动，减少制动盘的摩擦损耗。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。