CN111460649A

CN111460649A - 隧道风能计算方法、装置及隧道智能显示系统

Info

Publication number: CN111460649A
Application number: CN202010237329.5A
Authority: CN
Inventors: 范雲鹤; 赵万强; 罗禄森; 郑长青; 周路军; 辜英晗; 孙红月; 尚岳全; 翁杨; 何思江
Original assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Current assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2020-07-28

Abstract

本发明涉及风能利用领域，具体涉及一种隧道风能计算方法、装置及隧道智能显示系统。风能计算方法包括以下步骤S1.采集或计算得到风经过风扇前的第一风速、风经过风扇后的第二风速以及风经过风扇时的瞬时风速；S2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇面积和空气密度的风扇风能计算模型；S3.通过风能计算模型输出风在单位时间内传递给风扇的动能。计算装置及隧道智能显示系统均基于以上的风能计算方法。本发明能够利用隧道内的自然风和活塞风，有利于节能、减小山区隧道铺设电网所需投入。

Description

隧道风能计算方法、装置及隧道智能显示系统

技术领域

本发明涉及风能利用，特别是一种隧道风能计算方法、装置及隧道智能显示系统。

背景技术

随着隧道工程投入和运营规模的日益增大，长大隧道工程日益增多，而地处偏远地区的隧道工程，电网铺设工程造价大，满足隧道内部电力需求的成本大，需要其他自然能源提供电力。列车在长隧道高速运行时会形成活塞风，活塞风会产生的风能，然而现有技术中，缺乏对活塞风的利用，如中国专利申请号201521016746.8公开的一种地铁隧道风力发电装置，该发明所述的隧道风力发电装置仅收集的是通风口处的风能，对于地铁运行中产生的大量风能没有加以利用。

若要利用风能，必然首先需要衡量能够被利用的风能为多少。而现有技术中，尚未有计算风能的相关技术，这对隧道中风能的利用造成了阻碍。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种隧道风能计算方法、装置及隧道智能显示系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明为了解决隧道风能计算问题，提供了一种隧道风能计算方法，其包括以下步骤：

S1.采集或计算得到风经过风扇前的第一风速、风经过风扇后的第二风速以及风经过风扇时的瞬时风速；

S2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇面积和空气密度的风扇风能计算模型；

S3.通过风能计算模型输出风在单位时间内传递给风扇的动能。

通过上述的方案，可以基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇面积和空气密度的得到风在单位时间内传递给风扇的动能，从而为风能的利用提供依据。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S2中，所述风扇风能计算模型为：

其中，v为风经过风扇时的瞬时风速；

v₁为风经过风扇前的第一风速；

v₂为风经过风扇后的第二风速；

ρ为空气密度；

A为风扇面积；

E为单位时间内传递给风扇的风能。

作为本发明的优选方案，所述风经过风扇时的瞬时风速通过以下方式得到：

对于风经过风扇前的状态，根据伯努利方程：

对于风经过风扇后的状态，根据伯努利方程：

上述两个伯努利方程相减得到：

根据动量方程可得到：

A(P₁-P₂)＝ρAv(v₁-v₂)

联立得到：

上述各式中，P为大气压；

P₁为经过风扇前的瞬时压强；

P₂为经过风扇后的瞬时压强。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S3结束后，还包括以下步骤：

S4.计算风扇效率，根据风扇效率最大值得到最优瞬时速度，并据此选择风扇型号。

作为本发明的优选方案，所述步骤S4中的风扇效率通过以下方式得到：

假设不设置风扇，单位时间内的气流动能为：

设置风扇时，单位时间内传递给风扇的动能为：

上述两式相除，得到风扇效率为：

由上式可得，当

时，风扇效率最大，此时v为最优瞬时速度。

其中，E₁为不设置风扇时，单位时间内的气流动能；

η为风扇效率，其等于E和E₁的比值；

建立风扇型号与风在风扇处的瞬时风速之间的对应关系，并据此选择风扇型号。使工作时，风在风扇处的瞬时风速能够达到或接近所述最优瞬时速度。

上述的风扇型号与风在风扇处的瞬时风速之间的对应关系可以通过实验的方式建立。具体的，针对不同型号的风扇进行试验，最终选取瞬时风速达到或靠近最优瞬时速度的风扇型号。

术语“接近”是指：在上述步骤中，所选择的风扇型号的瞬时风速相对于其余对照组更加接近最优瞬时速度。

作为本发明的优选方案，所述风包括活塞风和自然风，对于活塞风，在步骤S1中，计算得到活塞风的第一风速，活塞风速按恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度；

ξ_m为隧道段除环状空间外的阻力系数；

K_m为活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T。

作为本发明的优选方案，所述风包括活塞风和自然风，对于活塞风，在步骤S1中，计算得到活塞风的第一风速，活塞风速按非恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道长度；

P_m——活塞风压力；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风的第一风速；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)。

第二方面，本发明还提供了一种风能计算装置，其包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。

第三方面，基于上述的风能计算方法，本发明还提供了一种隧道智能显示系统，其包括通过上述的风能计算方法的结果选取型号的显示装置，还包括风扇、发电机、传感器及电源；所述风扇用于设置在隧道中并与所述发电机相连，所述发电机与所述电源相连，所述电源与所述显示装置相连；所述传感器设置在所述隧道上并与所述显示装置相连，用于在检测到列车进入隧道时触发所述显示装置启动，并用于在检测到列车驶出隧道时触发所述显示装置关闭；所述显示装置用于显示画面。

在使用时，根据隧道中可利用的活塞风的风能确定显示装置的功率，进而选取显示装置的型号，从而达到对风能的充分利用。上述隧道智能显示系统，能够通过隧道活塞风实现供电，从而有利于节约能源，有利于减小偏远地区的电网铺设工程成本。

优选的，电源为蓄电池。

作为本发明的优选方案，所述显示装置包括显示屏或投影仪。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.通过本发明提供的风能计算方法及装置，能够得到隧道中可被利用的风能大小，并可以据此进行投影仪的选型，并基于选型得到的风扇组成隧道智能显示系统。本发明提供的上述方案，有利于充分利用隧道中的活塞风能和自然风能、节约能源，减小偏远地区电网铺设的成本；

特别的，在上述风能计算方法中，可以根据瞬时风速最优解来指导风扇选型；

2.本发明提供的隧道智能显示系统，能够有效利用列车穿过隧道过程中产生的风能，并将风能作为显示装置的能量来源，适用于隧道使用，装置结构简洁、成本较低。同时，其通过显示画面，有助于缓解乘客的旅途疲劳，还可以通过显示助农产品购买画面，辅助带动山区经济发展。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式提供的风能计算方法的结构示意图。

图2是隧道中不设置风扇时的风速示意图。

图3是隧道中设置风扇时，风扇前后的风速变化和压强变化示意图。

图4是本发明具体实施方式中实施例2提供的隧道智能显示系统的结构示意图。

图5是本发明具体实施方式中实施例3提供的隧道智能显示系统的结构示意图。

图标：1-隧道；2-风扇；3-发电机；4-投影仪；5-列车；6-电源；7-显示屏。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例提供了一种隧道1风能计算方法，其包括以下步骤：

S1.采集或计算得到风经过风扇2前的第一风速、风经过风扇2后的第二风速以及风经过风扇2时的瞬时风速；

风包括活塞风和自然风。

具体的，对于活塞风，在步骤S1中，活塞风的第一风速可以通过计算得到，也可以通过风速仪采集得到。

活塞风的第一风速的计算包括以下步骤：

1)若活塞风速按恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度，单位为m/s；

ξ_m为隧道段除环状空间外的阻力系数；

K_m为活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T。

2)若活塞风速按非恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道1长度，单位为m；

P_m——活塞风压力，单位为Pa；

ρ—空气密度，单位为kg/m³；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车5长度，单位为m；

v_T——列车5速度，单位为m/s；

v₁—活塞风的第一风速，单位为m/s；

ξ_m——隧道段除环状空间外的阻力系数，单线隧道时，ξ_m＝1.5+0.0025(L_T-l_T)

S2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇2面积和空气密度的风扇2风能计算模型；

如图2及图3所示，令风经过风扇2前的速度为第一速度，通过v₁表示，经过风扇2前的瞬时压强为第一压强，通过P₁表示；经过风扇2后的速度为第二速度，通过v₂表示，经过风扇2后的瞬时压强为第二压强，通过P₂表示；经过风扇2的瞬时速度通过v表示，大气压强为P。

设置风扇2后，单位时间内传递给风扇2的动能为：

其中，ρ为空气密度；

A为风扇2面积；

E为单位时间内传递给风扇2的风能。

风经过风扇2的瞬时速度v可以通过以下方式得到：

根据伯努利原理：

对于风经过风扇2前的状态：

对于风经过风扇2后的状态：

上述两个伯努利方程相减得到：

根据动量方程可得到：

A(P₁-P₂)＝ρAv(v₁-v₂) (2)

联立式(1)和式(2)得到：

即：在风扇2处的瞬时速度为第一速度和第二速度的平均值；

S3.通过风能计算模型输出风在单位时间内传递给风扇2的动能。

根据式(0)可得到单位时间内传递给风扇2的动能。

S4.计算风扇2效率，根据风扇2效率最大值得到最优瞬时速度，并据此选择风扇型号。

假设不设置风扇2，则单位时间穿过面积为A的气流动能为：

设置风扇2时，单位时间内传递给风扇2的动能为：

式(4)除以式(3)得到：

η为E/E₁，即为风扇2效率。

由式(5)可知，η为关于瞬时速度v的三次函数。而由于v的取值范围为

因此，易得到当

时，为最优瞬时速度，此时风扇2效率最大，约为60％。

术语“最优瞬时速度”是指：使风扇效率最大的瞬时速度v。

建立风扇型号与风在风扇处的瞬时风速之间的对应关系，并据此选择风扇型号，使工作时，风在风扇处的瞬时风速能够达到或接近所述最优瞬时速度。

上述的风扇型号与风在风扇处的瞬时风速之间的对应关系可以通过实验的方式建立。具体的，针对不同型号的风扇进行空气动力学试验，最终选取瞬时风速达到或最接近最优瞬时速度的风扇型号。

由于工程实际中，通常存在损耗，按照经验，损耗率约为三分之一，从而得到生产实际中，风扇2的效率约为40％。

又由于机械能转化为电能时，转化率一般为95％，因此，不设置风扇2情况下的风能E₁中，约有38％可转化为电能。

基于上述的风能计算方法，本发明实施例还提供了一种风能计算装置，其包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行上述的方法。

实施例2

本发明实施例提供了一种隧道智能显示系统，在本实施例中，显示装置为投影仪4，投影仪4用于向隧道内壁投射画面。基于实施例1中的风能计算方法，得到风在单位时间内传递给风扇2的动能，并据此选取投影仪4功率，从而据此确定投影仪4的型号。

请参阅图4，隧道智能显示系统包括风扇2、发电机3、传感器、投影仪4以及电源6。投影仪4的型号基于实施例1所提供的风能计算方法的结果进行选择。

所述风扇2设置于隧道1的内壁，风扇与所述发电机3相连，在隧道中有自然风经过，或由列车经过产生活塞风时，风扇2转动，通过风扇2的机械能带动发电机3转动进行发电。

所述发电机3与所述电源6相连，从而将所发电能存储到电源6中。

所述电源6与所述投影仪4相连，从而为投影仪4供电。电源6设置于隧道中。所述投影仪4用于向隧道1内壁投射画面。

优选的，沿隧道1的长度方向上，设置有多个投影仪4，多个投影仪4用于向隧道1的内壁投射相同的画面。列车5在运行过程中，车上的乘客以一定频率依次看到各个投影仪4投射出的相同画面，使得可以为乘客呈现稳定的投影画面。

所述传感器设置在隧道1内壁并与所述投影仪4相连，用于在检测到列车5进入隧道1时触发所述投影仪4启动，并用于在列车5驶出隧道1时触发投影仪4关闭。进一步的，在隧道1的两端均设有传感器，其中一个用于检测列车5的进入，另一个用于检测列车5的驶出。

优选的，电源6为蓄电池。

优选的，投影仪4投射的画面可以根据实际需求进行合理的选择和设计。例如：可以为娱乐画面、天气、附近城市相关提示、包含二维码的山区特产购物信息等等。本领域技术人员可以根据实际需求进行合理的选择。

通过本发明实施例提供的隧道智能显示系统，可以对隧道1中的风能，尤其是活塞风能，进行充分的利用和存储，有利于节能，且能够增加乘客乐趣、缓解乘车疲劳。

实施例3

请参阅图5，本发明实施例提供了一种隧道智能显示系统，其与实施例2中的隧道智能显示系统的区别在于：在本实施例中，显示装置为显示,7。

显示屏7设置于隧道1内，且用于面向隧道1中的列车5设置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.隧道风能计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2.建立基于第一风速、第二风速、瞬时风速、风扇面积和空气密度的风能计算模型；

2.根据权利要求1所述的隧道风能计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述风能计算模型为：

其中，v为风经过风扇时的瞬时风速；

v¹为风经过风扇前的第一风速；

v₂为风经过风扇后的第二风速；

ρ为空气密度；

A为风扇面积；

E为单位时间内传递给风扇的风能。

3.根据权利要求2所述的隧道风能计算方法，其特征在于，所述风经过风扇时的瞬时风速v通过以下方式得到：

对于风经过风扇前的状态，根据伯努利方程：

对于风经过风扇后的状态，根据伯努利方程：

上述两个伯努利方程相减得到：

根据动量方程，单位时间t内，可得到：

A(P₁-P₂)＝ρAv(v₁-v₂)

联立得到：

上述各式中，P为大气压；

P₁为经过风扇前的瞬时压强；

P₂为经过风扇后的瞬时压强。

4.根据权利要求3所述的隧道风能计算方法，其特征在于，在所述步骤S3结束后，还包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的隧道风能计算方法，其特征在于，所述步骤S4中的风扇效率通过以下方式得到：

假设不设置风扇，单位时间内的气流动能为：

设置风扇时，单位时间内传递给风扇的动能为：

上述两式相除，得到风扇效率为：

由上式可得，当

时，风扇效率最大，此时v为最优瞬时速度；

其中，E₁为不设置风扇时，单位时间内的气流动能；

η为风扇效率，其等于E和E₁的比值；

建立风扇型号与风在风扇处的瞬时风速之间的对应关系，并据此选择风扇型号。

6.根据权利要求1所述的隧道风能计算方法，其特征在于，所述风包括活塞风和自然风，对于活塞风，在步骤S1中，计算得到活塞风的第一风速，活塞风速按恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中，v_T为列车速度；

ξ_m为隧道段除环状空间外的阻力系数；

K_m为活塞风作用系数。

7.根据权利要求1所述的隧道风能计算方法，其特征在于，所述风包括活塞风和自然风，对于活塞风，在步骤S1中，计算得到活塞风的第一风速，活塞风速按非恒定流计算，所述隧道活塞风的第一风速通过以下方式得到：

上式中：L_T——隧道长度；

ρ—空气密度；

K_m——活塞风作用系数，单线隧道时，K_m＝1.3+0.007l_T

l_T——列车长度；

v_T——列车速度；

v₁—活塞风的第一风速；

8.风能计算装置，其特征在于，包括处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。

9.隧道智能显示系统，其特征在于，包括通过权利要求1-7中任意一项所提供的风能计算方法的计算结果选取型号的显示装置，还包括风扇、发电机、传感器及电源；

所述风扇用于设置在隧道中并与所述发电机相连，所述发电机与所述电源相连，所述电源与所述显示装置相连；

所述传感器设置在所述隧道上并与所述显示装置相连，用于在检测到列车进入隧道时触发所述显示装置启动，并用于在检测到列车驶出隧道时触发所述显示装置关闭；

所述显示装置用于显示画面。

10.根据权利要求9所述的隧道智能显示系统，其特征在于，所述显示装置包括显示屏或投影仪。