引言

　　列車在半自由的區間隧道行駛時，列車尾部的空氣稀疏，導致尾部壓強升高，列車前部空氣受擠壓而使壓力升高;由于隧道邊壁限制了空氣的流動，在同一水平面上，氣體從高氣壓流向低氣壓，活塞風就形成了。這種現象也被稱為活塞效應[1]。

　　地鐵、輕軌車站的通風和照明等設備功率大，運行時間長，運營能耗大。廣州地鐵一號線投資122億，運營三年平均每年運營收入在1.8億元人民幣，但就2008年運營成本卻達2.3億元人民幣。沉重的通風照明費用是高成本的原因之一。如何在保證乘客舒適度要求，盡可能的節約能耗，降低運行費用，是隧道建設部門必須考慮的問題。本文通過對活塞風的研究，提出一種新的活塞風利用模式—活塞風發電。

　　一、國內外隧道活塞風的利用

　　雖然國內外關于地鐵活塞風本身性能的研究較多。Kim對地鐵列車在隧道內加減速運動中引起的活塞風進行了分析;Ke分析了活塞風引起的壓力變化對地鐵屏蔽門的影響;同濟大學王麗慧建立區間隧道微縮模型，研究隧道內活塞風風速的影響因素和分布規律;運用單因素試驗分析了改善活塞風影響效果的各因素，并通過正交試驗給出顯著性分析[2]。天津大學董書蕓碩士結合現場實測、數值模擬等四種研究方法，對活塞風對地鐵環境的影響規律、對地鐵通風空調系統能耗的影響，為地鐵工程設計提供了必要的依據[3]。北京工業大學陳超教授提出通過增設活塞風井的方式，有效利用與控制活塞風對前方車站熱環境影響的設計方案[4]。但業內對于如何有效利用隧道內的活塞風，特別是利用活塞風進行風力發電，降低整條地鐵線路的運營成本的研究國內外目前仍處于空白階段。

　　二、活塞風發電前景

　　1、現狀

　　21世紀是中國城市軌道交通的新紀元。隨著我國城市人口的急劇增加，對城市快速交通的需求不斷增大;而城市經濟的發展也為建設軌道交通提供了資金條件。在我國，發展快速軌道交通是解決大城市交通問題的根本途徑。地鐵與其他交通工具相比，具有載客量大、運行快速準點、室外占地少及環境污染少的優點。我國已將未來城市交通軌道化發展列為今后30-50年內的重點，計劃將在多座城市建設地鐵和輕軌等軌道交通系統。地鐵系統本身是投資巨大，運行成本很高的設施，而通風空調系統又是地鐵系統中耗資巨大的環節。地鐵站臺的通風空調系統設備功率大，運行時間長，運行能耗大。隨著地鐵的廣泛應用，如何在保證滿足站廳和站臺的舒適度要求的前提下，盡可能的節約能耗，降低運行費用，是地鐵系統必須考慮的問題。

　　2、技術可行性分析

　　風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電[5]。我國目前的發電技術能將達到每秒三公尺的風速利用起來發電。而在城市軌道里實測活塞風風速的大小遠遠超過每秒三公尺的速度。發電機將活塞風動能轉化為電能，輸出的交流電經充電器整流蓄存在電瓶里，使的電能變成化學能[6]。小型風力發電機若應用磁懸浮技術便可消除了機械軸承間摩擦力，降低風力發電機起動風速減少軸承的維護成本，從而從總體上降低風電成本[7]。國內的全永磁懸浮離網型水平軸風力發電機能提高了風能的能流密度和品位，降低了自然風的湍流度，改善了風能的不穩定等弱點[8]。

　　3、經濟可行性分析

　　按照目前的估算包括發電設備和安全系統，隧道內安裝一個風輪的平均成本約為800元。如果按照每隔5米安裝一個風輪計算，這樣一段隧道的設備投入約為25萬元。如果電費按0.8元/千瓦時計算，每臺風力發電機發電量計算為500千瓦時，一臺風輪一年可以節省電費400元，在2-3年間可以回收800元的設備成本。根據估算平均十臺小型風力發電機的發電量約等于一噸煤的發電量，其中十臺小型風力發電機的總成本約為8000元。但是影響活塞風風力發電的主要因素是小型風力發電機的價格，在現代科學技術手段不斷發展的情況下，小型風力發電機的價格肯定會下降，而發電功率反而會上升。而煤作為一種不可再生資源，其成本價格會隨著資源總量的減少攀升。而且，煤在燃燒中產生的大量廢氣廢渣也將對環境造成嚴重的污染。在節能減排的大背景下，使用煤發電的成本肯定會上升。

　　三、活塞風發電的社會效益

　　在我國高速發展的軌道交通網絡系統中，地鐵輕軌將不可避免的遇到活塞風對軌道交通帶來的問題隨著軌道交通在我國的廣泛應用，其能耗狀況頗受關注節能運營是軌道交通長期可持續發展的關鍵。在以往的工程實踐中活塞風對地鐵通風和能耗中都起重要影響，許多設計將活塞風白白浪費，盡量減小活塞風的風速但收效都甚微。從前二節可以看出：無論采用什么樣的方法，只可能稍微減小活塞風風速，要完全消除活塞風是不現實的。而這就給利用活塞風發電提供了一個好的環境，將活塞風風能通過小型發電機將風能轉換成電能。這是將以往的理論研究與實際應用相結合的過程，為地鐵環控的節能運營提供參考、指明方向，具有較好的實用價值。

　　四、結論及展望

　　1、經過筆者初步測試地鐵最高車速約70公里，折成風速大約是14m/s，正常速度行使時風速約為6m/s，完全能夠達到風機正常啟動風速。

　　2、不管是從環境還是從成本上來考慮，活塞風風力發電在經濟上是完全可行的。筆者從現代科技技術發展速度可以預測，如果在小型風力發電機上做適當的研究，可以樂觀的估計，小型風力發電機的成本價格會下降30%-50%左右。

　　3、目前對隧道內風能的回收利用在技術理論上還需要進一步深入的研究。這項技術實踐應用之路還很長，包括風輪的設計、風輪之間的距離都是技術研發中尚未確定的環節。當然要真正實現活塞風發電效益化，還要解決諸如如何控制活塞風大小，如何確定隧道斷面最優化等問題。

　　參考文獻

　　1、金學易, 陳文英. 隧道通風及隧道空氣動力學[ M].北京:中國鐵道出版社,1983:71-79.

　　2、王麗慧. 地鐵活塞風與地鐵環控節能[D].上海：同濟大學,2007.3.

　　3、 董書蕓. 北方城市地鐵活塞風對地鐵環境的影響規律及其有效利用[D].天津:天津大學，2008.2.

　　4、 任明亮，陳超，郭強. 地鐵活塞風的分析計算與有效利用[J].上海交通大學學報,2008，42 (8) : 1376 -1380.

　　5、韓春福. 國內外風力發電發展淺析[J].沈陽工程學院學報,2008,(10).

　　6、何如喜. 中國風能產業發展現狀及對策研究[J].中國新技術新產品,2008,(8).

　　7、徐波. 小型風力發電機永磁軸承承載特性研究 [D].湖北:武漢理工大學,2009.5.

　　8、田德，王海寬，韓巧麗.濃縮風能型風力發電機的研究與進展[C].農業工程學報，2003.(19):177-181