闸机发电机的设计与研制

廖子晗　屠越秀

摘 要： 研究者研制了一种地铁闸机发电机装置，通过地铁闸机的巨大人流转化为环保的绿色能源。本装置设计了三种不同供电模式，以满足不同用电需求，如闸机发电机可为灯箱广告牌等提供绿色能源。

关键词： 地铁闸机 发电机 绿色能源

1.引言

发电是指利用发电动力装置将其他形式的能源转换成电能的生产过程。理论上，一切形式的能源均可以转换成电能，比如传统的化石能源（煤、油、天然气），属于新能源的核能，可再生能源（太阳能、风能、生物质能）等，都已经成为人类生产和生活的电力来源。随着科技的不断发展，人们在不断尝试各种新型发电技术，如海水温差发电、地板踩踏发电、声音发电、细菌发电、利用汗水中的乳酸发电，等等。随着城市的快速发展，地铁已经成为都市人便捷、高效、环保的交通方式，通过地铁闸机的巨大人流成为隐约可见的能量流。2006年，东日本旅客铁道株式会社（East Japan Railway Company）研发出一种“发电装置”，在人来人往的刷票口设置一种感压系统，该系统可透过人们通过刷票口时产生的振动与压力而产生电力。2009年，杨浦高级中学高三学生陈佳群同学设计了一种地铁入口闸机发电装置[1]，2011年，上海交通大学机械与动力学院大二学生郭宇威同学也是利用乘客出入地铁闸机推动三辊闸发电而设计了一种节能检票机。其基本的发电原理都是由线圈作为转子，磁铁作为定子，形成稳定磁场。乘客通过三辊闸时使线圈在磁场中连续转动切割磁场，发生电磁感应现象，产生电流。定子由机座、定子铁芯、线包绕组及固定这些部分的其他结构件组成。

本文中的闸机发电机也是利用乘客出入地铁闸机推动三辊闸，使线圈切割磁场的原理，同时考虑到人流的间歇性，为了保障供电的稳定性，增加了蓄电池储能环节。本装置可实现三种供电模式：（1）推动三辊闸直接给负载（灯泡）供电；（2）推动三辊闸给蓄电池充电，再由蓄电池给负载稳定供电；（3）推动三辊闸同时给负载和蓄电池供电。闸机发电机可为灯箱广告牌等提供绿色能源，通过展示新颖的绿色发电方式，吸引人们对灯箱广告内容的关注，一方面宣传了绿色环保的理念，另一方面提升了广告企事业的知名度。

2.试验装置原理及主要材料

2.1主要材料

1块钕铁硼磁铁，3节镍氢电池，1个二极管，1个单刀三掷开关，1个单刀单掷开关，1个0.1W LED灯泡，铜导线若干，三根竹筷子固定于转盘上，模拟三辊闸。图1为制作的闸机发电机装置。

2.2试验装置原理图

图2为闸机发电机装置原理图。乘客出入地铁闸机推动三辊闸，带动线圈切割磁场，从而产生电流。在第一种供电模式中，合上开关1，合上开关5，直接给负载（灯泡）供电（图3）。在第二种供电模式中，合上开关3，合上开关5，给蓄电池充电；供电时合上开关2，合上开关4，蓄电池给负载稳定供电（图4）。在第三种供电模式中，合上开关1或3，合上开关4，同时给负载和蓄电池供电。

3.闸机发电机的节能减排效益

截止2014年7月22日，上海地铁已开通运营14条线、332座车站，运营里程538公里 [2]，是世界上规模最大的城市地铁系统。2013年全路网客运量达25亿人次[3]，平均每天客运量达到684.9万人次。

上海地铁检票系统闸机每分钟最多可以允许35名乘客通过[4]。假定闸机平均每分钟30名乘客通过，每个乘客通过闸机时旋转闸机转盘1/3圈，那么每分钟闸机旋转10圈。通过万用表测量，按闸机每分钟旋转10圈的速度旋转，研制的闸机发电机产生的电流大约是10mA左右。实际体系的闸机发电机可以做得更大一些，产生的电流也更多一些。

假定上海地铁平均每天客运量为690万人次，那么每天闸机的旋转时间为6900000/30=230000分钟，约合3833小时。三节镍氢电池的电压为1.2V（3=3.6V，每天发的电量为3833×0.01×3.6=138Wh，每年上海地铁通过闸机可发电138Wh×365=50370Wh，即产生50.37kWh的绿色电力。

4.闸机发电机的用途

将地铁闸机所发的电用作灯箱广告牌的照明电源（图5），在断断续续的人流通过闸机时，灯箱广告牌中的灯光忽明忽暗，这也恰巧符合灯箱广告牌所需要的灯光效果。地铁人民广场站是上海最大的换乘枢纽站，日均客流达70万[5]，约为整个上海市地铁客流量的1/10。地铁人民广场站通过闸机旋转每年大约可发电5kWh左右，每天大约可发电14Wh左右，可供10个0.1W的LED灯用电14小时。

5.结语

5.1模拟乘客通过地铁闸机情形研制了闸机发电机，并且设计了三种供电模式。

5.2闸机发电机可为灯箱广告牌等提供绿色能源，一方面宣传了绿色环保的理念，另一方面提升了广告企事业的知名度。

参考文献：

[1]陈佳群.地铁入口闸机发电装置[J].中学科技，2010（3）：39.

[2]12号、16号线29日开通 上海地铁规模世界之最.法制网.2013-12-30.http：//www.legaldaily.com.cn/locality/content/2013-12/30/content_5164076.htm？node=31369

[3]王铭泽.回顾上海地铁2013：总长达世界前列，最小间隔仅2分20秒.东方网.2014-01-15.http：//sh.eastday.com/m/20140115/u1a7887680.html

[4]地铁新闸机每分钟可通过35人.2010年04月01日03：13.东方早报.http：//sh.sina.com.cn/news/2010-04-01/0313138738.html

[5]上海地铁人流量70万 依然文明乘车.2012-11-08 10：48：29.上海地铁.http：//www.keyunzhan.com/ditiezixun/2226/