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時間:2020-10-12 來源:中國科學報 作者:陳彬

中國科學報:新技術為地鐵插上“節能翅膀”

北京交通大學師生根據試驗波形對儲能裝置參數進行調整。北京交通大學供圖

上世紀90年代初,北京交通大學電氣工程學院教授楊中平還是一位即將赴日留學的學生。那時,他來到北京並第一次看到了地鐵的樣子。這讓他感到新鮮無比——當時,我國僅有的兩條地鐵都在北京,對於大多數國人來説,地鐵還是一個“稀罕物”。

如今地鐵早已成為人們出行的重要手段。“我國的城市軌道交通是全世界發展速度最快的。目前,我國的城軌總里程已經超過6000公里。”楊中平介紹説。

隨着軌道交通規模的持續擴大,一個此前未被人重視的問題日益凸顯,那就是城市軌道線路的耗能以及相應的節能問題。圍繞這一實際問題,楊中平與同事經過多年努力,成功研發出世界上首套城軌交通地面式混合儲能裝置。經測試,搭載該裝置的城市軌道交通車輛,其平均節能率超過15%。

一個現實問題

當前世界範圍內的城市軌道交通,基本是以電力為主要動力源。在早期規模相對不大時,城軌的耗電量在國家整體用電量中的比例幾乎可以忽略;但隨着軌道交通成為城市交通系統中的重要組成部分,每天運行十幾個小時的地鐵,所需要的供電量已今非昔比。

“目前,我國城市軌道交通系統用電量在逐年上升,2019年已佔到全國總用電量的3‰。這是一個巨大的數字。”在接受《中國科學報》採訪時,北京市地鐵運營有限公司技術部副部長李宇傑表示,這其中,有50%左右的電能為牽引用電,即用於地鐵本身的載客運行過程。

如何在這一過程中節省電量,成為相關科研人員所努力的重點。

“地鐵節能的方式有很多,比如減輕車體總重量、合理安排地鐵發車時間等,但還有一種更加重要的節能手段,即回收、利用列車在制動時所產生的能量。”楊中平説,採用此方法,在一節列車從時速70公里減速至靜止的過程中,可以產生大約14千瓦/時的電能。“考慮到目前我國如此巨大的城軌規模,這部分電能的節約潛力是巨大的。”

然而,要實現節能目標,一個現實問題必須克服,那就是列車的再生電能如何存儲和釋放的問題。

“目前給地鐵提供電能的牽引變電站使用的是二極管整流器,而這種技術無法實現城市電網與地鐵自身供電系統之間的雙向供電。因此,我們的研究就是致力於研發一種能夠高效且耐用的儲能裝置,回收地鐵列車的再生制動電能。”項目組成員、北京交通大學電氣工程學院教授林飛表示。

一波三折的研發

針對這一問題,早在十幾年前,楊中平和同事們就開展了超級電容儲能和再生制動能量的吸收利用相關的研發。2014年,他們研發出200千瓦再生制動能量儲存裝置,並在北京地鐵進行了實驗性安裝測試。

“測試取得了成功,但並不十分令人滿意。”楊中平説,由於地鐵系統的用電量是兆瓦級別的,當時的儲能裝置完全不能勝任。為了能夠研發出符合城軌交通要求的儲能設備,項目組聯繫到了中車四方車輛研究所有限公司的相關科研人員,雙方通力合作,終於在2016年,研發出我國首套兆瓦級的地面超級電容儲能系統。

然而此時,另一個問題出現了。

“簡單地説,就是超級電容的能量密度不夠。”楊中平説,以一節地鐵一次制動所產生14度電為例,當時,我們一兆瓦儲能裝置只能吸收7.4度電,剩餘的電由於無法吸收,只能白白浪費掉了。

能量密度不高是電容類裝置的一種普遍特性,相較之下,電池的能量密度要高得多,但後者也有自身的問題,比如“不耐用”。基於此,項目組萌發了將電池與電容相結合研發地面式混合儲能裝置的念頭。

恰在此時,一項科技部“十三五”重大專項中,涉及到了再生能源的吸收存儲問題,該子項目也落到了楊中平課題組的肩上,這給了他們研究混合儲能裝置一個機會。

最終,他們也沒有浪費這個機會。

顯著提升的效率

據介紹,在2016年第一代產品的基礎上,該項目組研發的這套混合儲能系統利用超級電容和鈦酸鋰電池的儲能特性,將列車制動能再生的電能,同時儲存在超級電容和鈦酸鋰電池中;當列車牽引時,再將儲存的能量釋放出來,使再生能量得以充分利用。

這大大提升了節能率。經研究人員在北京地鐵的實際測算,每週工作日期間,該裝置課使地鐵系統的節能率提升超過13%。在節假日期間的節能率可提升17%。如果按照節約1度電減排0.977千克二氧化碳來計算,該套裝置工作日每日可減排1.46噸二氧化碳,週末每日可減排0.88噸二氧化碳。

“目前,北京市地鐵系統一年的耗電量超過12億度。如果全面使用該技術,即使按照節能率10%計算,一年也能節約用電超過1億度,節省電費幾千萬。”受訪時,李宇傑説。

“我們的項目從立項開始就受到了國內外多家科研機構和高校的關注,接連收到了許多合作意向。大家認為此次試驗的成功,將推動我國軌道交通領域節能技術的進一步提高,推動我國儲能技術應用的進一步發展。”楊中平説。

值得一提的是,該裝置的研發從科研立項、理論研究、系統建模與仿真、軟硬件設計、樣機的研發,再到設備的安裝、掛網試驗,都有項目組學生的深度參與。”林飛表示,這樣的經歷給他們的最寶貴經驗,就在於親身體會了真正面向實際的科研是如何開展的,這對於他們未來的科研工作大有裨益。

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