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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個來自于美國國家工程院的巨大挑戰(zhàn)，(我們介紹了14個巨大的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)來自美國國家工程學(xué)院），并闡明了需要合理的設(shè)計思路來解決由每一個挑戰(zhàn)所造成的巨大理論和實踐問題。盡管機械工程師們都將在每個挑戰(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。其中這樣的一個挑戰(zhàn)是恢復(fù)和改善城市基礎(chǔ)設(shè)施。在這個挑戰(zhàn)中，城市基礎(chǔ)設(shè)施由支撐社區(qū)、地區(qū)或國家，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，我們探索一個設(shè)計理念的發(fā)展來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（斷裂點附近），隨著越來越多的國家繼續(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）。滾動式燈火管制（故意斷電）是許多國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)）有時也在美國的部分地區(qū)出現(xiàn)過,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)計策略、產(chǎn)品和體制（系統(tǒng)）來降低現(xiàn)代化大城市中電網(wǎng)上的壓力（負(fù)擔(dān)）。一個設(shè)計組負(fù)責(zé)設(shè)計一個系統(tǒng)來滿足這些需求。在（定義）了規(guī)定基本的設(shè)計問題和需求之后，為給所有的利害相關(guān)者一個解釋，必須制定一系列的要求。
系統(tǒng)要求
設(shè)計者開發(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)計階段怎樣開始。
l 負(fù)擔(dān)得起的（價格實惠的）：盡管基礎(chǔ)設(shè)施的更新和能源的供應(yīng)是一個處在危機邊緣的全球性問題，（一個全球性的處在危機邊緣的問題）任何實際的解決方案都必須經(jīng)濟實惠，這樣既能使顧客買得起這個系統(tǒng)也使制造商生產(chǎn)得起它。終端客戶可以個人或縣/州/國家政府。
l 可靠的（值得信耐的）：任何和國家電力基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合的產(chǎn)品或系統(tǒng)（體制）都必須是絕對可靠的，否則，此系統(tǒng)將被認(rèn)為是一個失敗。（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)時必須盡可能高效。在收集，創(chuàng)造、或者轉(zhuǎn)換能量過程中造成的不必要的浪費只能使問題更加復(fù)雜。
l 美學(xué)吸引力/不引人注目的：無論系統(tǒng)是怎樣被設(shè)計的，它必須在視覺上對被它的布置所影響的人是有吸引力的。（對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，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（在視線之外）。
l 最小化噪音：系統(tǒng)必須最小化操作過程中產(chǎn)生的大量噪聲。
l 易于安裝：該系統(tǒng)必須易于安裝，無論是安裝在一個小型私人應(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)會隨著時間的推移性能會降低。這個系統(tǒng)需要為所有的客戶提供一個簡單的保養(yǎng)和維修計劃。
l 使用安全：因為該系統(tǒng)將處理各種類型的功率，如果不是從一個安全的角度設(shè)計的，將會有嚴(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)險降到最低。
l 容易加工（制造）：這項規(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格。
l 安裝占用空間少：因為此解決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
一旦需求已經(jīng)建立，設(shè)計組就到了構(gòu)思階段，這個階段會有許多概念產(chǎn)生。盡管存在許多有效的構(gòu)思技巧,設(shè)計團隊選擇使用一組頭腦風(fēng)暴的方法，即每個成員給出5點想法（建議），然后把它們傳給下一個成員，他（下一個成員）要么產(chǎn)生新的理念要么改進剛傳到他手里的創(chuàng)意（理念），這個過程會一直繼續(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)電機在建筑物的屋頂
當(dāng)有人走過時會產(chǎn)生能量的人行橫道
當(dāng)廁所排水時會產(chǎn)生能量微型渦輪機
電池使用新型高硬度的材料
當(dāng)不使用時雙動力汽車會給輸電網(wǎng)充電
一大組頂部安裝式的太陽能電池板穿越城市
讓風(fēng)力發(fā)電機座落于城市的附近
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)場的人那里發(fā)電
開發(fā)一個聚變反應(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
開發(fā)一個用于大型商業(yè)建筑的旋轉(zhuǎn)門發(fā)電機
光伏鋼產(chǎn)生能量
在所有建筑物上用光伏油漆來發(fā)電
在健身房發(fā)電（跑步機，自行車，橢圓機）
使用奔跑的動物產(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
用基于空間的太陽能陣列來從太空向地球傳送能量
有機蘭金循環(huán)從較低溫度源中回收熱量
使用潮汐來移動蝸輪的潮汐發(fā)電機
從颶風(fēng)中收集大量能量的系統(tǒng)
靠桌子下產(chǎn)生動力的網(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)計組就進入到集合思維階段，這個階段所有的理念都會被限制直到有一個被選中。通過使用一系列經(jīng)濟和技術(shù)上可行性的評估，理念的初步篩選被執(zhí)行。如果一個理念不是經(jīng)濟上或者技術(shù)上可行的，它會被淘汰。在30個新穎的意見中，有19個會被剔除11會被保留做進一步的分析。然后通過使用系統(tǒng)需求列表這11個留下的理念中的每一個都會被評估。不管怎么好的滿足了每一個需求，每一個理念都會被評估1-10次。沒有每個理念的充分工作原型，這些等級可能是主觀的。但如果適當(dāng)?shù)脑?，還應(yīng)該利用類似的系統(tǒng)的研究、工程評估(看第三章）原型試驗以及以往的經(jīng)驗。在給留下的11理念中的每一個劃分了等級之后，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
擁有一系列高度評價的理念會給一個公司的發(fā)展進程足夠的彈性，并針對不同的市場產(chǎn)生多種解決方案.
細(xì)節(jié)設(shè)計
在下一階段，設(shè)計組為被選中的理念開發(fā)設(shè)計詳圖。例如，如果設(shè)計組決定開發(fā)一個新穎的產(chǎn)生能量的人行橫道，他們將不得不為這個系統(tǒng)選擇或設(shè)計每一個元件。決定最終的布局，制定一個生產(chǎn)計劃，這將要求設(shè)計組考慮以下的問題:
l 人行走產(chǎn)生的壓縮力的計算
l 怎樣設(shè)計人行道的表面以致使一個小的變形能產(chǎn)生能量但卻不改變?nèi)俗咴谌诵械郎系恼８惺?。（它是否需要一個機械的、化學(xué)的、或有關(guān)電的機械裝置）
l 關(guān)于電壓、電流的計算，以及把這些能量轉(zhuǎn)變成合適的、可儲存的形態(tài)的計算（設(shè)計）
l 一個既能把現(xiàn)有的人行道更新在一個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。
l 分析不同地理條件的影響，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算因為它們會經(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)和組裝過程
l 生產(chǎn)成本估算和定價預(yù)測
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)，這促進了制造商、供應(yīng)商、庫存和客戶成為一體。例如，圖2.22（見66頁)展示了一個將被裝在人行道內(nèi)部的壓電系統(tǒng)的總體布局，該系統(tǒng)的尺寸被設(shè)計得能匹配人們腳的平均尺寸。能量回收系統(tǒng)也包含一個變壓器 ，這個變壓器能把從壓電晶體輸出的低電流和高電壓轉(zhuǎn)變成高電流和一個合適的低電壓， 從這個回收系統(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）
很多時候一個CAD模型不僅是用來呈現(xiàn)幾何布局也是對產(chǎn)品性能的仿真（模擬產(chǎn)品的性能）。