北京交通大學師生根據試驗波形對儲(chu) 能裝置參數進行調整

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(jin) 有的兩(liang) 條地鐵都在北京，對於(yu) 大多數國人來說，地鐵還是一個(ge) “稀罕物”。

如今地鐵早已成為(wei) 人們(men) 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，我國的城軌總裏程已經超過6000公裏。”楊中平介紹說。

隨著軌道交通規模的持續擴大，一個(ge) 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(yu) 同事經過多年努力，成功研發出世界上首套城軌交通地麵式混合儲(chu) 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(ge) 現實問題

當前世界範圍內(nei) 的城市軌道交通，基本是以電力為(wei) 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(ti) 用電量中的比例幾乎可以忽略；但隨著軌道交通成為(wei) 城市交通係統中的重要組成部分，每天運行十幾個(ge) 小時的地鐵，所需要的供電量已今非昔比。

“目前，我國城市軌道交通係統用電量在逐年上升，2019年已占到全國總用電量的3‰。這是一個(ge) 巨大的數字。”在接受《中國科學報》采訪時，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(wei) 牽引用電，即用於(yu) 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(wei) 相關(guan) 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(ti) 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、利用列車在製動時所產(chan) 生的能量。”楊中平說，采用此方法，在一節列車從(cong) 時速70公裏減速至靜止的過程中，可以產(chan) 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(ge) 現實問題必須克服，那就是列車的再生電能如何存儲(chu) 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(yu) 地鐵自身供電係統之間的雙向供電。因此，我們(men) 的研究就是致力於(yu) 研發一種能夠高效且耐用的儲(chu) 能裝置，回收地鐵列車的再生製動電能。”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(men) 就開展了超級電容儲(chu) 能和再生製動能量的吸收利用相關(guan) 的研發。2014年，他們(men) 研發出200千瓦再生製動能量儲(chu) 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。”楊中平說，由於(yu) 地鐵係統的用電量是兆瓦級別的，當時的儲(chu) 能裝置完全不能勝任。為(wei) 了能夠研發出符合城軌交通要求的儲(chu) 能設備，項目組聯係到了中車四方車輛研究所有限公司的相關(guan) 科研人員，雙方通力合作，終於(yu) 在2016年，研發出我國首套兆瓦級的地麵超級電容儲(chu) 能係統。

然而此時，另一個(ge) 問題出現了。

“簡單地說，就是超級電容的能量密度不夠。”楊中平說，以一節地鐵一次製動所產(chan) 生14度電為(wei) 例，當時，我們(men) 一兆瓦儲(chu) 能裝置隻能吸收7.4度電，剩餘(yu) 的電由於(yu) 無法吸收，隻能白白浪費掉了。

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(yu) 此，項目組萌發了將電池與(yu) 電容相結合研發地麵式混合儲(chu) 能裝置的念頭。

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

最終，他們(men) 也沒有浪費這個(ge) 機會(hui) 。

顯著提升的效率

據介紹，在2016年第一代產(chan) 品的基礎上，該項目組研發的這套混合儲(chu) 能係統利用超級電容和鈦酸鋰電池的儲(chu) 能特性，將列車製動能再生的電能，同時儲(chu) 存在超級電容和鈦酸鋰電池中；當列車牽引時，再將儲(chu) 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，每周工作日期間，該裝置課使地鐵係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，周末每日可減排0.88噸二氧化碳。

“目前，北京市地鐵係統一年的耗電量超過12億(yi) 度。如果全麵使用該技術，即使按照節能率10%計算，一年也能節約用電超過1億(yi) 度，節省電費幾千萬(wan) 。”受訪時，李宇傑說。

“我們(men) 的項目從(cong) 立項開始就受到了國內(nei) 外多家科研機構和高校的關(guan) 注，接連收到了許多合作意向。大家認為(wei) 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(chu) 能技術應用的進一步發展。”楊中平說。

值得一提的是，該裝置的研發從(cong) 科研立項、理論研究、係統建模與(yu) 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(yu) 。”林飛表示，這樣的經曆給他們(men) 的最寶貴經驗，就在於(yu) 親(qin) 身體(ti) 會(hui) 了真正麵向實際的科研是如何開展的，這對於(yu) 他們(men) 未來的科研工作大有裨益。



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