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2.5城市電力基礎(chǔ)設(shè)施研究案例
在2.1節(jié)中,我們介紹了14個(gè)來(lái)自于美國(guó)國(guó)家工程院的巨大挑戰(zhàn)，(我們介紹了14個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)來(lái)自美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院），并闡明了需要合理的設(shè)計(jì)思路來(lái)解決由每一個(gè)挑戰(zhàn)所造成的巨大理論和實(shí)踐問(wèn)題。盡管機(jī)械工程師們都將在每個(gè)挑戰(zhàn)中扮演著重要的角色，但一些挑戰(zhàn)將要求他們中的一些人起帶頭作用。其中這樣的一個(gè)挑戰(zhàn)是恢復(fù)和改善城市基礎(chǔ)設(shè)施。在這個(gè)挑戰(zhàn)中，城市基礎(chǔ)設(shè)施由支撐社區(qū)、地區(qū)或國(guó)家，包括交通、通訊、水，污水、電力和氣體的基本系統(tǒng)組成。在這一案例的研究中，我們探索一個(gè)設(shè)計(jì)理念的發(fā)展來(lái)滿足平衡交通和電力基礎(chǔ)設(shè)施的一連串需要。
發(fā)展需求
世界各地的許多國(guó)家擁有老化的電力基礎(chǔ)設(shè)施，且隨著城市中心發(fā)展而產(chǎn)生的越來(lái)越大的需求使許多這些電力基礎(chǔ)設(shè)施處于崩潰的邊緣（斷裂點(diǎn)附近），隨著越來(lái)越多的國(guó)家繼續(xù)現(xiàn)代化建設(shè)這些關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施，城市中心將持續(xù)要求更多的電（功率）。滾動(dòng)式燈火管制（故意斷電）是許多國(guó)家日常生活的一部分。包括尼泊爾、巴基斯坦、喀麥隆、尼日利亞、南非和埃及。這樣的燈火管制（曾經(jīng)）有時(shí)也在美國(guó)的部分地區(qū)出現(xiàn)過(guò),包括德克薩斯、加利福尼亞、紐約和新澤西。因此，迫切需要設(shè)計(jì)策略、產(chǎn)品和體制（系統(tǒng)）來(lái)降低現(xiàn)代化大城市中電網(wǎng)上的壓力（負(fù)擔(dān)）。一個(gè)設(shè)計(jì)組負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)滿足這些需求。在（定義）了規(guī)定基本的設(shè)計(jì)問(wèn)題和需求之后，為給所有的利害相關(guān)者一個(gè)解釋，必須制定一系列的要求。
系統(tǒng)要求
設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)（制定）了以下一組體制（系統(tǒng)）要求，這些要求規(guī)定了系統(tǒng)必須做什么，而不是怎樣做，決定了在方案設(shè)計(jì)階段怎樣開(kāi)始。
l 負(fù)擔(dān)得起的（價(jià)格實(shí)惠的）：盡管基礎(chǔ)設(shè)施的更新和能源的供應(yīng)是一個(gè)處在危機(jī)邊緣的全球性問(wèn)題，（一個(gè)全球性的處在危機(jī)邊緣的問(wèn)題）任何實(shí)際的解決方案都必須經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，這樣既能使顧客買得起這個(gè)系統(tǒng)也使制造商生產(chǎn)得起它。終端客戶可以個(gè)人或縣/州/國(guó)家政府。
l 可靠的（值得信耐的）：任何和國(guó)家電力基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合的產(chǎn)品或系統(tǒng)（體制）都必須是絕對(duì)可靠的，否則，此系統(tǒng)將被認(rèn)為是一個(gè)失敗。（該系統(tǒng)將被認(rèn)為是失敗的）
l 高效率的：該系統(tǒng)在收集或創(chuàng)造能源以及把它轉(zhuǎn)換成可用的能源形態(tài)時(shí)必須盡可能高效。在收集，創(chuàng)造、或者轉(zhuǎn)換能量過(guò)程中造成的不必要的浪費(fèi)只能使問(wèn)題更加復(fù)雜。
l 美學(xué)吸引力/不引人注目的：無(wú)論系統(tǒng)是怎樣被設(shè)計(jì)的，它必須在視覺(jué)上對(duì)被它的布置所影響的人是有吸引力的。（對(duì)于這些被它布置所影響的人，它必須是要有吸引力的）更確切的說(shuō)，它應(yīng)該融入到現(xiàn)有的自然景觀中或者被安裝得看不見(jiàn)（在視線之外）。
l 最小化噪音：系統(tǒng)必須最小化操作過(guò)程中產(chǎn)生的大量噪聲。
l 易于安裝：該系統(tǒng)必須易于安裝，無(wú)論是安裝在一個(gè)小型私人應(yīng)用程序上還是安裝在大型公共應(yīng)用程序上。
l 能適應(yīng)的：為了有一個(gè)廣泛的全球影響，,系統(tǒng)需要工作穿越廣泛的地理,氣候,文化,城市,景觀區(qū)域。
l 易于維修：所有工程系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移性能會(huì)降低。這個(gè)系統(tǒng)需要為所有的客戶提供一個(gè)簡(jiǎn)單的保養(yǎng)和維修計(jì)劃。
l 使用安全：因?yàn)樵撓到y(tǒng)將處理各種類型的功率，如果不是從一個(gè)安全的角度設(shè)計(jì)的，將會(huì)有嚴(yán)重或致命的傷害發(fā)生的可能性。系統(tǒng)必須滿足政府規(guī)定并使傷害的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
l 容易加工（制造）：這項(xiàng)規(guī)定的目的是盡量減少與生產(chǎn)此系統(tǒng)相關(guān)的制造成本，最小化總產(chǎn)品成本有助于壓低價(jià)格。
l 安裝占用空間少：因?yàn)榇私鉀Q方案主要集中在城市中心,空間幾乎總是引人起關(guān)注的，在可用空間最小的區(qū)域不允許此系統(tǒng)需求大的安裝空間。
方案設(shè)計(jì)
一旦需求已經(jīng)建立，設(shè)計(jì)組就到了構(gòu)思階段，這個(gè)階段會(huì)有許多概念產(chǎn)生。盡管存在許多有效的構(gòu)思技巧,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇使用一組頭腦風(fēng)暴的方法，即每個(gè)成員給出5點(diǎn)想法（建議），然后把它們傳給下一個(gè)成員，他（下一個(gè)成員）要么產(chǎn)生新的理念要么改進(jìn)剛傳到他手里的創(chuàng)意（理念），這個(gè)過(guò)程會(huì)一直繼續(xù)直到這些理念返回發(fā)起人的手里。此發(fā)散思維階段的結(jié)果采集在64頁(yè)的表2.1中。
電力基礎(chǔ)設(shè)施
扶貧概念 表2-1
安裝迷你型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在建筑物的屋頂
當(dāng)有人走過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量的人行橫道
當(dāng)廁所排水時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量微型渦輪機(jī)
電池使用新型高硬度的材料
當(dāng)不使用時(shí)雙動(dòng)力汽車會(huì)給輸電網(wǎng)充電
一大組頂部安裝式的太陽(yáng)能電池板穿越城市
讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)座落于城市的附近
使用蘭金循環(huán)與火箭衍生燃燒的發(fā)電廠
一個(gè)靠燃燒垃圾產(chǎn)生能量的等離子弧氣化廠
增加（提高）傳統(tǒng)蒸汽發(fā)電廠的數(shù)量和效率
開(kāi)發(fā)一系列的水電大壩
利用地面溫度差異的地?zé)岚l(fā)電廠
從使用矩陣結(jié)構(gòu)農(nóng)場(chǎng)的人那里發(fā)電
開(kāi)發(fā)一個(gè)聚變反應(yīng)堆
提取被困在自然沉積物中的水合甲烷
利用藻類作為生物燃料
開(kāi)發(fā)一個(gè)用于大型商業(yè)建筑的旋轉(zhuǎn)門發(fā)電機(jī)
光伏鋼產(chǎn)生能量
在所有建筑物上用光伏油漆來(lái)發(fā)電
在健身房發(fā)電（跑步機(jī)，自行車，橢圓機(jī)）
使用奔跑的動(dòng)物產(chǎn)生能量
食品科學(xué)回收體系采集甲烷
基因工程微生物輸出辛烷
用基于空間的太陽(yáng)能陣列來(lái)從太空向地球傳送能量
有機(jī)蘭金循環(huán)從較低溫度源中回收熱量
使用潮汐來(lái)移動(dòng)蝸輪的潮汐發(fā)電機(jī)
從颶風(fēng)中收集大量能量的系統(tǒng)
靠桌子下產(chǎn)生動(dòng)力的網(wǎng)格體系發(fā)電
使用麥克風(fēng)薄膜從聲音在獲取能量
智能儀表監(jiān)控和節(jié)能
防止打蛋形轉(zhuǎn)子在城市周圍作為雕塑展
一旦這些理念被生成，設(shè)計(jì)組就進(jìn)入到集合思維階段，這個(gè)階段所有的理念都會(huì)被限制直到有一個(gè)被選中。通過(guò)使用一系列經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行性的評(píng)估，理念的初步篩選被執(zhí)行。如果一個(gè)理念不是經(jīng)濟(jì)上或者技術(shù)上可行的，它會(huì)被淘汰。在30個(gè)新穎的意見(jiàn)中，有19個(gè)會(huì)被剔除11會(huì)被保留做進(jìn)一步的分析。然后通過(guò)使用系統(tǒng)需求列表這11個(gè)留下的理念中的每一個(gè)都會(huì)被評(píng)估。不管怎么好的滿足了每一個(gè)需求，每一個(gè)理念都會(huì)被評(píng)估1-10次。沒(méi)有每個(gè)理念的充分工作原型，這些等級(jí)可能是主觀的。但如果適當(dāng)?shù)脑挘€應(yīng)該利用類似的系統(tǒng)的研究、工程評(píng)估(看第三章）原型試驗(yàn)以及以往的經(jīng)驗(yàn)。在給留下的11理念中的每一個(gè)劃分了等級(jí)之后，按順序排名前五名的理念是：
l 產(chǎn)生能量的人行道
l 滾道接觸器
l 健身房生產(chǎn)系統(tǒng)
l 智能儀表
l 廁所渦輪機(jī)
擁有一系列高度評(píng)價(jià)的理念會(huì)給一個(gè)公司的發(fā)展進(jìn)程足夠的彈性，并針對(duì)不同的市場(chǎng)產(chǎn)生多種解決方案.
細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)
在下一階段，設(shè)計(jì)組為被選中的理念開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)詳圖。例如，如果設(shè)計(jì)組決定開(kāi)發(fā)一個(gè)新穎的產(chǎn)生能量的人行橫道，他們將不得不為這個(gè)系統(tǒng)選擇或設(shè)計(jì)每一個(gè)元件。決定最終的布局，制定一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃，這將要求設(shè)計(jì)組考慮以下的問(wèn)題:
l 人行走產(chǎn)生的壓縮力的計(jì)算
l 怎樣設(shè)計(jì)人行道的表面以致使一個(gè)小的變形能產(chǎn)生能量但卻不改變?nèi)俗咴谌诵械郎系恼８惺?。（它是否需要一個(gè)機(jī)械的、化學(xué)的、或有關(guān)電的機(jī)械裝置）
l 關(guān)于電壓、電流的計(jì)算，以及把這些能量轉(zhuǎn)變成合適的、可儲(chǔ)存的形態(tài)的計(jì)算（設(shè)計(jì)）
l 一個(gè)既能把現(xiàn)有的人行道更新在一個(gè)有效的方式又能把此系統(tǒng)集成到新的人行橫道的設(shè)計(jì)。
l 分析不同地理?xiàng)l件的影響，包括溫度、濕度、高度以及腐蝕。
l 保證政府有關(guān)關(guān)于安全和環(huán)保的規(guī)定是完全被滿足的
l 取得任何新技術(shù)的專利權(quán)，不要侵害任何現(xiàn)有的專利權(quán)。
l 所有部件的疲勞極限的計(jì)算因?yàn)樗鼈儠?huì)經(jīng)受許多周期循環(huán)
l 聯(lián)系材料和零部件供應(yīng)商，確定生產(chǎn)和組裝過(guò)程
l 生產(chǎn)成本估算和定價(jià)預(yù)測(cè)
l 制定零件的標(biāo)準(zhǔn)和布局（部件的尺寸和布局）
產(chǎn)品布局使用得最普通和最高效的方法就是采用CAD技術(shù)，這促進(jìn)了制造商、供應(yīng)商、庫(kù)存和客戶成為一體。例如，圖2.22（見(jiàn)66頁(yè))展示了一個(gè)將被裝在人行道內(nèi)部的壓電系統(tǒng)的總體布局，該系統(tǒng)的尺寸被設(shè)計(jì)得能匹配人們腳的平均尺寸。能量回收系統(tǒng)也包含一個(gè)變壓器 ，這個(gè)變壓器能把從壓電晶體輸出的低電流和高電壓轉(zhuǎn)變成高電流和一個(gè)合適的低電壓， 從這個(gè)回收系統(tǒng)中，交流電被轉(zhuǎn)化成能給鋰離子聚合物電池充電的直流電。（交流電被轉(zhuǎn)化成直流電，這種直流電能給鋰離子聚合物電池充電）
很多時(shí)候一個(gè)CAD模型不僅是用來(lái)呈現(xiàn)幾何布局也是對(duì)產(chǎn)品性能的仿真（模擬產(chǎn)品的性能）。