李纯 李嘉乐

摘 要：风力发电是一种清洁环保且具有高效益的发电方式，并且能够适应多种天气，在恶劣环境中仍能够保持稳定的工作效率。而电力是铁路客车运行的基本元素之一，除牵引供电外，列车上的用电设备均使用辅助供电系统，目前的客车的辅助供电系统采用机车供电，DC600V逆变器辅助供电的模式，针对铁路客车的结构与供电原理，设计了一种新型的风力发电设备，用于客车的辅助供电与蓄电池的充电，并对风力发电设备的供电量、尺寸限界做了具体阐述，此种新型的供电设备符合可持续发展的目标，对于节约资源环境保护有着十分显著的意义。

关键词：风力发电;铁路客车;辅助供电

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.150

1 引言

随着我国科技力量的不断雄厚，我国对于风力发电技术的研究已经趋于成熟，并且风力发电在我国总发电量中的占比也开始缓慢上升。风力发电是对太阳能的一种合理利用与开发，符合新时代人们对于新能源开发的条件，是一种清洁的、易得的、可持续的新型能源。我国风力发电技术的不断完善，使得风电行业也进入了高速发展的阶段，风力发电技术开始了规模化和有效化。

风力发电所产生的电能在铁路客车上主要用于辅助供电，先将电能存入蓄电池中，然后再向外供电，供电的主要对象则是水箱水位显示、广播、影视系统、轴温报警装置、电子防滑器、应急照明灯、尾灯、电话电源、电路中的开关、状态显示灯、电磁阀、继电器等。或者是在某些特殊情况下不通过蓄电池直接向应急装置供电，确保列车安全。

2 铁路客车风力发电机设计

2.1 边界设计

铁路限界是保障铁路安全行车的基本保证之一，而且在全国范围的都有着统一的标准并将其编入了《技规》中，保证了铁路车辆能在全路范围内的安全通行，杜绝了因为机车、车辆外形尺寸设计不当、货物过限等各种原因造成车辆逼停进而导致经济损失。因此，限界是铁路各个部门必须共同遵循的基础技术规程，它直接关系到铁路行业的总的经济效果。

由于铁路高速行驶时所产生的风能代替了自然的风能，通过各种计算途径以及公式不难发现风能的大小主要与风速有着密切的关系。而在铁路客车时速可达120km/h以上的情况下，其所能产生的风能是极为丰富的。同时，又由于限界的存在，风力发电装置中风机扇叶的大小半径也有着一定的范围，存在最大值;并且扇叶过小则会导致产生的电能并不足以完成它的设计使命，只能是徒劳无功，故此存在最小值。而且最大值是由限界决定，但是最小值则是通过实际效果决定。而在机车限界与建筑限界之间存在着保护区间的关系，就使得风机扇叶尺寸半径必须保持在350mm以内。

2.2 主要技术指标

风力发电技术最为主要的使用途径便是利用风能来带动风力发电机工作产生电能，风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关，其如下：

（1）

或者也可以简单的写成：

（2）

其中：

：功率;

：扫风面积，即，为半径，也就是风叶的长度）;

：风速;

：一种风能转化率值，根据贝兹极限，值最高59%;

：空气密度，（与海拔有关，随海拔高度的升高而降低）;

：系数（该系数可以约取于1）。

（3）

式中：——空气密度（kg/m3）;

——風速（m/s）;

——时间（s）;

——截面面积（m2）。

由以上公式可以得出：

（1）风能（E）的值与风速的立方（）成正比。

（2）风能（E）的值与风所流经的面积（）成正比。对于风力发电机来说，就是风能与风力发电机的风轮旋转时的扫掠面积成正比。由于通常用风轮直径作为风力发电机的主要参数，所以风能大小与风轮直径的平方成正比。

（3）风能（E）的值与空气密度（）成正比。

通过以上计算，得出下表中铁路客车风力发电设备的发电量：

表1 不同条件下风电发电量

海拔高度/m

尺寸R/cm 0 400 800 1000 2000 2500

10 12.361 11.866 11.372 11.162 10.049 9.517

15 27.812 26.70 25.587 25.114 22.611 21.415

20 49.443 47.466 45.488 44.648 40.198 38.072

25 77.255 74.166 71.075 69.762 62.809 59.486

30 111.248 106.798 102.348 100.457 90.445 85.661

注：表格中的数据为列车正常运行1小时风力发电装置所发的电能（单位：千瓦时）

分析表格中的数据可知，风力发电发电量的大小与轮扇面积、空气密度有着十分密切的联系。随着扇叶半径的增大（轮扇扫风面积的增大）而增大，随着海拔高度的升高（空气密度的减小）而减小。

2.3 供电电路设计

在设计该设备供电电路时，有以下几点需要特别说明：

（1）风力虽然易得但是却不稳定，导致所得电流也不稳定，因此就需要通过整流装置、A/D转换装置、变频器等等，将电流和电压整合成稳定输入系统;

（2）在输入蓄电池前，加装万能选择开关，在正常情况下，向蓄电池充电（主路），若是蓄电池故障则由人为选择开启另一路（辅路）。（在蓄电池后可以装有监测装置，若蓄电池发生故障，无法正常工作报警后，由工作人员确定后开启）;

（3）为提高可靠性，在蓄电池后设置线圈，该线圈控制辅路上的开关，其作用是：线圈得电，开关断开;线圈失电，开关闭合。

3 结论

该风力发电设备所产生的电能主要的用途是进行辅助供电以及向蓄电池充电。

（1）辅助供电：由于列车运行中，各项功能的正常工作，相互配合，保证了列车的安全运行。因此，在列车上有着各式各样的安全监测系统以及显示灯，还有各级仪器仪表的显示器，软卧车厢的床头灯，厕所有无人显示灯等等，由风力发电为其进行辅助供电。

（2）蓄电池充电：风力发电的电能大部分向蓄电池充电。在列车上蓄电池的作用是十分重要的，因为其是作为应急电源使用的。并且应急电源是有着一定的使用时间的，采用风电后，大大提高了其续航能力，而且风电能够使用于各种环境以及天气，可靠性高。为事故抢险带来了更多的保障，具有更高的经济效益和实用性。

（3）直接作为应急电源使用：设置特殊的转换开关，在列车车载蓄电池故障后，可以直接向应急设备、照明系统与安全监测系统供电，保证列车电器设备在某些突发意外情况下可以正常工作一段时间，使得列车可以前进一段距离，运行至安全区段，保障列车安全，确保铁路线路畅通，减少经济损失。

风力发电作为一种新型的发电形式，它符合可持续发展的目标，对于节约资源环境保护有着十分显著的意义。同时铁路行业在我国具有十分重要的意义，已经成为当时时代中国的代表，将风力发电技术带入铁路行业，是将多元化科技带入，为其注入科技的血液，二者的结合具有可观的经济价值。

参考文献：

[1]王珊珊.风力发电技术现状及发展趋势[J].电子技术与软件工程，2017（04）：238.

[2]李耀东，樊志超.风力发电的创新必要性、发展条件及前景探析[J].南方农机，2018，49（13）：192.

[3]郭鸿铭.风力发电场电气系统设计与应用[D].吉林建筑大学，2018.

[4]赵学爽，常金超，王洪让.浅析车载风力发电装置在电动机车中应用的意义[J].能源与节能，2016（07）：90-91.

[5]郭龙.风力发电及其控制技术初探[J].山东工业技术，2019（13）：181.

[6]Romain Guichard.Assessment of an improved Random Flow Generationmethod to predict unsteady wind pressures on an isolated buildingusing Large-Eddy Simulation[J].Journal of Wind Engineering &Industrial Aerodynamics，2019，189.

作者簡介：李纯（1988-），女，江苏南京人，硕士研究生，讲师，研究方向：铁路车辆构造与检修。