CN113644802B - 一种基于列车动能转化的零碳发电装置 - Google Patents

一种基于列车动能转化的零碳发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于列车动能转化的零碳发电装置，安装在列车车厢底部，用以实现对列车二次加装传感器功能，该装置包括用以隔绝灰尘和水汽影响的保护壳以及设置在长方体保护壳内的动能发电结构，所述的保护壳通过阻尼弹簧固定在列车车厢底部并保持水平状态，所述的动能发电结构包括圆柱形的中空柱体、绕设在中空柱体外部的线圈以及在中空柱体内随列车运行状态进行摆动的磁制振动单元。与现有技术相比，本发明具有避免从列车内接线、安全可靠、有效采集实时列车的加减速度等优点。

Description

一种基于列车动能转化的零碳发电装置
技术领域
本发明涉及列车安全运行领域，尤其是涉及一种基于列车动能转化的零碳发电装置。
背景技术
列车运行过程中安全问题以及我国“碳中和”“碳达峰”的要求，一直是备受关注的焦点。所以安全领域如何保障在列车运行当中对老旧的列车设备进行布设传感器，实现对列车进行监控的同时达到绿色低碳的技术革新，是本专利解决的一个重要的内容，
在列车上进行传感器布置，其中传感器布线问题一直受列车行车安全的限制，所以传感器的能源不能从列车内进行接线，所以需要添加一种有效且不影响运行安全的能源供应装置，所以在地铁列车的运行当中，如何利用高频的列车加减速进行发电成为列车行业中关注的探究方向。
低碳、零碳是新能源产业的重要两个元素，也越来越多的学者和社会各界呼吁国家应该重视对各类技术的支持，“碳中和”之路离不开各行各业的技术支持，在交通领域内为了加快碳零排关键技术攻关，需要一种零碳的发电装置。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于列车动能转化的零碳发电装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于列车动能转化的零碳发电装置，安装在列车车厢底部，用以实现对列车二次加装传感器功能，该装置包括用以隔绝灰尘和水汽影响的保护壳以及设置在长方体保护壳内的动能发电结构，所述的保护壳通过阻尼弹簧固定在列车车厢底部并保持水平状态，所述的动能发电结构包括圆柱形的中空柱体、绕设在中空柱体外部的线圈以及在中空柱体内随列车运行状态进行摆动的磁制振动单元。
所述的磁制振动单元包括安装在中空柱体内腔的两条滑轨以及通过限位支架在滑轨上实现摆动的磁制滑块。
所述的磁制滑块呈长方体状，其上表面和下表面的极性相反，所述的限位支架固定在磁制滑块的两个侧面上，限位支架通过滑块在滑轨上运动，保证滑块的运动方向处于水平方向。
所述的保护壳顶面上还设有一长条磁铁，该长条磁铁的下表面极性与磁制滑块上表面极性相反，用以提供抵消重力的磁吸力以及产生电能的磁场，减小或消除磁制滑块的限位支架在滑轨内水平运动的摩擦力，减少能量的损耗，增加发电效率。
所述的中空柱体两端分别通过固定支点固定在保护壳内部。
所述的中空柱体的左右连个端面分别通过两个固定支点与保护壳内部固定连接。
所述的线圈通过导线连接平波整流器整流后将电能存储到电池组中，所述的电池组用以为ECU、列车二次加装传感器和天线供电，所述的ECU采集线圈生成的电压波动信号并通过天线发送到云端。
所述的线圈采用铜制线圈。
所述的保护壳顶面通过两个并排设置的阻尼弹簧与列车车厢底部连接，列车运行方向上的前后两面各通过一个阻尼弹簧与列车车厢底部连接。
所述的云端在接收电压波动信号后进而获取列车加速度的变化，并根据列车加速度的变化情况判断列车是否运行正常。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明利用地铁列车的加减速度的动能为发电激励源，能够避免从列车内进行接线，影响列车运行安全。
二、本发明在利用动能发电的基础上还能够根据发电量的大小推导出列车的加减速度变化，可有效采集实时列车的加减速度为行车安全进行记录。
三、本发明在利用通过长条磁铁与滑动之间的磁力作用，以此使滑块悬浮在空中，避免与滑轨之间产生相互之间作用力，大大增加了发电效率。并且利用滑轨作为滑块的运动导杆，保证其运动正常。
附图说明
图1为本发明在列车上的安装结构示意图。
图2为磁制滑块与滑轨的结构示意图。
图3为带有长条磁铁的保护壳的结构示意图。
图中标记说明：
1、第一阻尼弹簧，2、保护壳，3、第一固定支点，4、中空柱体，5、滑轨，6、第二固定支点，7、线圈，8、磁制滑块，9、导线，10、第三固定支点，11、第四固定支点，12、第二阻尼弹簧，13、圆孔，14、第三阻尼弹簧，15、第四阻尼弹簧，16、长条磁铁、17、限位支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1-3所示，本发明提供一种基于列车动能转化的零碳发电装置，用以实现在轨道交通列车的二次加装传感器等用电设备的供能，本装置安装在列车的车厢底部，并由四个阻尼弹簧进行固定，具体包括：
保护壳2：本例中采用长方形绝缘材料保护壳，用以保护内部元件不受列车外部条件的影响，隔绝灰尘、水汽等影响，保护壳2的上方顶面及列车行车方向的前后面分别设有四个阻尼弹簧第一阻尼弹簧1、第二阻尼弹簧12、第三阻尼弹簧14、第四阻尼弹簧15进行固定，使保护壳2对于水平面相对静止，保护壳2的顶面内壁沿磁制滑块8运动方向设置一长条磁铁16，该长条磁铁16上表面的极性与磁制滑块8上表面的极性相反，两者之间形成产生电能的磁场，并且产生的磁吸力还能抵消磁制滑块8的重力，减小或消除滑块在滑轨5上运动的摩擦力；
中空柱体4：本例中为塑料制成的圆柱状，外部缠绕铜制线圈7，其四个顶角处分别设置四个固定支点第一固定支点3、第二固定支点6、第三固定支点10、第四固定支点11，使其固定在保护壳2内部，中空柱体4的内腔两侧沿水平轴向设置一对滑轨5，设置在中空柱体4内的磁制滑块8通过左右两侧带有滑块的限位支架17在滑轨5上实现滑动，进而切割磁感线产生电能，电能经导线9导入平波整流器整流后存储到蓄电池组中，电池组为ECU、天线和其他用电设备(二次加装传感器)供电，实现电能的自给自足，并且ECU采集线圈7产生的电压变化信号后通过天线发送到云端，进而推导得到列车的运行加速度的变化情况，实现对列车运行状态的监控。
由于在地铁在日常运营的过程中，列车会出现高频的加减速状态，因此本发明的磁制滑块8会随着列车的走停，实现与长条磁铁16的相对运动，从而产生变化的磁场。本发明中的磁制滑块8为一方形磁铁，磁制滑块8上部分为S磁极，与之对应的是16长条磁铁下部分的N极，两者之间产生磁吸效应，使滑块8近似悬浮在壳体2内部，其中滑轨5对滑块8起到限位和导向的作用，只允许滑块左右运用，与之产生相对变化磁场，减小或消除滑块与滑轨之间接触的摩擦力。
在磁制滑块8和滑轨5之间存在磁力作用，减小或消除摩擦力，能够有效使磁制滑块8在铜制线圈7内利用列车动能进行往返运动，进而产生大大降低了摩擦力给装置带来的发电损耗，产生的电能通过导线9传入平波整流器后，接入蓄电池中对电能进行储存；另一部分电能则传入车载单片机ECU中，对本装置的发电量进行记录通过天线将信号传输到云端进行记录以及列车运行状态的分析，从而得到列车的加减速度的变化，并且蓄电池中的电量继续反馈给ECU供电，以及能够为其他的传感器进行持续有效的长时间进行供应电能，使得列车的二次加装传感器可以有效实施。
本发明的地铁列车应用的发电装置，既可以为列车所应用的二次加装的传感器进行供能，并且还可以对列车的加减速度进行数据采集，从而对列车的运行状态进行实时监测，其中，本专利通过对列车的行驶速度、发电电压以及和装置的各项参数进行数据集处理，通过LSTM-bp神经网络等智能算法对数据集进行训练，推导出列车的加减速度与发电电压和各项参数在之间的内在关系，将训练好的网络对装置实际安装后获取的数据进行判断，从而实现对列车运行状态的监测。
本发明开辟了一种全新的思路，即研究列车的运动势能为发电装置的供应激励。在列车只沿轨道轴向运行的前提下，还可以为列车的运行状态进行实时的监控以便于科研作业。
本发明的列车动能转化的零碳发电装置可以有效对列车关键数据感知，加快实现轨道交通运营的智慧化建设，推动交通强国建设。本发明符合新能源行业零碳的要求，并且设计思路可以促进行业朝着绿色生活、绿色制造、绿色生产，包括绿色应用的方向发展。本发明可以在轨道安全领域提供一种新型技术，并且可以拓展到汽车、飞机、轮渡等交通领域。
最后有必要在此指出的是：以上仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于列车动能转化的零碳发电装置，安装在列车车厢底部，用以实现对列车二次加装传感器功能，其特征在于，该装置包括用以隔绝灰尘和水汽影响的保护壳(2)以及设置在长方体保护壳(2)内的动能发电结构，所述的保护壳(2)通过阻尼弹簧固定在列车车厢底部并保持水平状态，所述的动能发电结构包括圆柱形的中空柱体(4)、绕设在中空柱体(4)外部的线圈(7)以及在中空柱体(4)内随列车运行状态进行摆动的磁制振动单元，所述的磁制振动单元包括安装在中空柱体(4)内腔的两条滑轨(5)以及通过限位支架(17)在滑轨(5)上实现摆动的磁制滑块(8)，所述的磁制滑块(8)呈长方体状，其上表面和下表面的极性相反，所述的限位支架(17)固定在磁制滑块(8)的两个侧面上，限位支架(17)通过磁制滑块在滑轨(5)上运动，保证磁制 滑块的运动方向处于水平方向，所述的保护壳(2)顶面上还设有一长条磁铁(16)，该长条磁铁(16)的下表面极性与磁制滑块(8)上表面极性相反，用以提供抵消重力的磁吸力以及产生电能的磁场，从而减小或消除磁制滑块(8)的限位支架(17)在滑轨(5)内水平运动的摩擦力，减少能量的损耗，增加发电效率，所述的线圈(7)通过导线(9)连接平波整流器整流后将电能存储到电池组中，所述的电池组用以为ECU、列车二次加装传感器和天线供电，所述的ECU采集线圈(7)生成的电压波动信号并通过天线发送到云端，所述的云端在接收电压波动信号后进而获取列车加速度的变化，并根据列车加速度的变化情况判断列车是否运行正常；
在地铁列车日常运营过程中，出现高频加减速状态，磁制滑块(8)随着列车的走停，实现与长条磁铁(16)的相对运动，从而产生变化的磁场，磁制滑块(8)上部分对应长条磁铁(16)的下部分，两者之间产生磁吸效应，使磁制滑块(8)近似悬浮在保护壳(2)内部，滑轨(5)对磁制滑块(8)起到限位和导向的作用，仅允许磁制滑块(8)左右运用，产生相对变化磁场并减小或消除磁制滑块(8)与滑轨(5)之间接触的摩擦力，降低摩擦力带来的发电损耗，线圈(7)产生的一部分电能通过导线(9)传入平波整流器后，接入电池组中对电能进行储存，为给ECU以及列车的二次加装传感器进行持续有效的长时间供电，另一部分电能传入ECU中，对发电量进行记录通过天线将信号传输到云端并分析得到列车的加减速度的变化；
根据列车的加减速度数据对列车的运行状态进行实时监测，具体为，通过对列车的行驶加减速度、发电电压以及装置的各项参数进行数据集处理，通过LSTM-bp神经网络对数据集进行训练，推导出列车的加减速度与发电电压和各项参数之间的内在关系，将训练好的神经网络对实际安装后获取的数据进行判断，从而实现对列车运行状态的监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于列车动能转化的零碳发电装置，其特征在于，所述的中空柱体(4)两端分别通过固定支点固定在保护壳(2)内部。
3.根据权利要求2所述的一种基于列车动能转化的零碳发电装置，其特征在于，所述的中空柱体(4)的左右连个端面分别通过两个固定支点与保护壳(2)内部固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于列车动能转化的零碳发电装置，其特征在于，所述的线圈(7)采用铜制线圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于列车动能转化的零碳发电装置，其特征在于，所述的保护壳(2)顶面通过两个并排设置的阻尼弹簧与列车车厢底部连接，列车运行方向上的前后两面各通过一个阻尼弹簧与列车车厢底部连接。
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