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时间:2020-10-12 来源:中国科学报 作者:陈彬

中国科学报:新技术为地铁插上“节能翅膀”

澳门金莎师生根据试验波形对储能装置参数进行调整。澳门金莎供图

上世纪90年代初,澳门金莎电气工程学院教授杨中平还是一位即将赴日留学的学生。那时,他来到北京并第一次看到了地铁的样子。这让他感到新鲜无比——当时,我国仅有的两条地铁都在北京,对于大多数国人来说,地铁还是一个“稀罕物”。

如今地铁早已成为人们出行的重要手段。“我国的城市轨道交通是全世界发展速度最快的。目前,我国的城轨总里程已经超过6000公里。”杨中平介绍说。

随着轨道交通规模的持续扩大,一个此前未被人重视的问题日益凸显,那就是城市轨道线路的耗能以及相应的节能问题。围绕这一实际问题,杨中平与同事经过多年努力,成功研发出世界上首套城轨交通地面式混合储能装置。经测试,搭载该装置的城市轨道交通车辆,其平均节能率超过15%。

一个现实问题

当前世界范围内的城市轨道交通,基本是以电力为主要动力源。在早期规模相对不大时,城轨的耗电量在国家整体用电量中的比例几乎可以忽略;但随着轨道交通成为城市交通系统中的重要组成部分,每天运行十几个小时的地铁,所需要的供电量已今非昔比。

“目前,我国城市轨道交通系统用电量在逐年上升,2019年已占到全国总用电量的3‰。这是一个巨大的数字。”在接受《中国科学报》采访时,北京市地铁运营有限公司技术部副部长李宇杰表示,这其中,有50%左右的电能为牵引用电,即用于地铁本身的载客运行过程。

如何在这一过程中节省电量,成为相关科研人员所努力的重点。

“地铁节能的方式有很多,比如减轻车体总重量、合理安排地铁发车时间等,但还有一种更加重要的节能手段,即回收、利用列车在制动时所产生的能量。”杨中平说,采用此方法,在一节列车从时速70公里减速至静止的过程中,可以产生大约14千瓦/时的电能。“考虑到目前我国如此巨大的城轨规模,这部分电能的节约潜力是巨大的。”

然而,要实现节能目标,一个现实问题必须克服,那就是列车的再生电能如何存储和释放的问题。

“目前给地铁提供电能的牵引变电站使用的是二极管整流器,而这种技术无法实现城市电网与地铁自身供电系统之间的双向供电。因此,我们的研究就是致力于研发一种能够高效且耐用的储能装置,回收地铁列车的再生制动电能。”项目组成员、澳门金莎电气工程学院教授林飞表示。

一波三折的研发

针对这一问题,早在十几年前,杨中平和同事们就开展了超级电容储能和再生制动能量的吸收利用相关的研发。2014年,他们研发出200千瓦再生制动能量储存装置,并在北京地铁进行了实验性安装测试。

“测试取得了成功,但并不十分令人满意。”杨中平说,由于地铁系统的用电量是兆瓦级别的,当时的储能装置完全不能胜任。为了能够研发出符合城轨交通要求的储能设备,项目组联系到了中车四方车辆研究所有限公司的相关科研人员,双方通力合作,终于在2016年,研发出我国首套兆瓦级的地面超级电容储能系统。

然而此时,另一个问题出现了。

“简单地说,就是超级电容的能量密度不够。”杨中平说,以一节地铁一次制动所产生14度电为例,当时,我们一兆瓦储能装置只能吸收7.4度电,剩余的电由于无法吸收,只能白白浪费掉了。

能量密度不高是电容类装置的一种普遍特性,相较之下,电池的能量密度要高得多,但后者也有自身的问题,比如“不耐用”。基于此,项目组萌发了将电池与电容相结合研发地面式混合储能装置的念头。

恰在此时,一项科技部“十三五”重大专项中,涉及到了再生能源的吸收存储问题,该子项目也落到了杨中平课题组的肩上,这给了他们研究混合储能装置一个机会。

最终,他们也没有浪费这个机会。

显著提升的效率

据介绍,在2016年第一代产品的基础上,该项目组研发的这套混合储能系统利用超级电容和钛酸锂电池的储能特性,将列车制动能再生的电能,同时储存在超级电容和钛酸锂电池中;当列车牵引时,再将储存的能量释放出来,使再生能量得以充分利用。

这大大提升了节能率。经研究人员在北京地铁的实际测算,每周工作日期间,该装置课使地铁系统的节能率提升超过13%。在节假日期间的节能率可提升17%。如果按照节约1度电减排0.977千克二氧化碳来计算,该套装置工作日每日可减排1.46吨二氧化碳,周末每日可减排0.88吨二氧化碳。

“目前,北京市地铁系统一年的耗电量超过12亿度。如果全面使用该技术,即使按照节能率10%计算,一年也能节约用电超过1亿度,节省电费几千万。”受访时,李宇杰说。

“我们的项目从立项开始就受到了国内外多家科研机构和高校的关注,接连收到了许多合作意向。大家认为此次试验的成功,将推动我国轨道交通领域节能技术的进一步提高,推动我国储能技术应用的进一步发展。”杨中平说。

值得一提的是,该装置的研发从科研立项、理论研究、系统建模与仿真、软硬件设计、样机的研发,再到设备的安装、挂网试验,都有项目组学生的深度参与。”林飞表示,这样的经历给他们的最宝贵经验,就在于亲身体会了真正面向实际的科研是如何开展的,这对于他们未来的科研工作大有裨益。

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