北京交通大學(xué)師生根據(jù)試驗(yàn)波形對(duì)儲(chǔ)能裝置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整

上世紀(jì)90年代初，北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授楊中平還是一位即將赴日留學(xué)的學(xué)生。那時(shí)，他來(lái)到北京并第一次看到了地鐵的樣子。這讓他感到新鮮無(wú)比——當(dāng)時(shí)，我國(guó)僅有的兩條地鐵都在北京，對(duì)于大多數(shù)國(guó)人來(lái)說(shuō)，地鐵還是一個(gè)“稀罕物”。

如今地鐵早已成為人們出行的重要手段?！拔覈?guó)的城市軌道交通是全世界發(fā)展速度最快的。目前，我國(guó)的城軌總里程已經(jīng)超過(guò)6000公里。”楊中平介紹說(shuō)。

隨著軌道交通規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，一個(gè)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(yīng)的節(jié)能問題。圍繞這一實(shí)際問題，楊中平與同事經(jīng)過(guò)多年努力，成功研發(fā)出世界上首套城軌交通地面式混合儲(chǔ)能裝置。經(jīng)測(cè)試，搭載該裝置的城市軌道交通車輛，其平均節(jié)能率超過(guò)15%。

一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題

當(dāng)前世界范圍內(nèi)的城市軌道交通，基本是以電力為主要?jiǎng)恿υ础Ｔ谠缙谝?guī)模相對(duì)不大時(shí)，城軌的耗電量在國(guó)家整體用電量中的比例幾乎可以忽略；但隨著軌道交通成為城市交通系統(tǒng)中的重要組成部分，每天運(yùn)行十幾個(gè)小時(shí)的地鐵，所需要的供電量已今非昔比。

“目前，我國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)用電量在逐年上升，2019年已占到全國(guó)總用電量的3‰。這是一個(gè)巨大的數(shù)字。”在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)，北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司技術(shù)部副部長(zhǎng)李宇杰表示，這其中，有50%左右的電能為牽引用電，即用于地鐵本身的載客運(yùn)行過(guò)程。

如何在這一過(guò)程中節(jié)省電量，成為相關(guān)科研人員所努力的重點(diǎn)。

“地鐵節(jié)能的方式有很多，比如減輕車體總重量、合理安排地鐵發(fā)車時(shí)間等，但還有一種更加重要的節(jié)能手段，即回收、利用列車在制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量?！睏钪衅秸f(shuō)，采用此方法，在一節(jié)列車從時(shí)速70公里減速至靜止的過(guò)程中，可以產(chǎn)生大約14千瓦/時(shí)的電能?！翱紤]到目前我國(guó)如此巨大的城軌規(guī)模，這部分電能的節(jié)約潛力是巨大的?！?/p>

然而，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題必須克服，那就是列車的再生電能如何存儲(chǔ)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(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)城市電網(wǎng)與地鐵自身供電系統(tǒng)之間的雙向供電。因此，我們的研究就是致力于研發(fā)一種能夠高效且耐用的儲(chǔ)能裝置，回收地鐵列車的再生制動(dòng)電能?！表?xiàng)目組成員、北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授林飛表示。

一波三折的研發(fā)

針對(duì)這一問題，早在十幾年前，楊中平和同事們就開展了超級(jí)電容儲(chǔ)能和再生制動(dòng)能量的吸收利用相關(guān)的研發(fā)。2014年，他們研發(fā)出200千瓦再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存裝置，并在北京地鐵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性安裝測(cè)試。

“測(cè)試取得了成功，但并不十分令人滿意?！睏钪衅秸f(shuō)，由于地鐵系統(tǒng)的用電量是兆瓦級(jí)別的，當(dāng)時(shí)的儲(chǔ)能裝置完全不能勝任。為了能夠研發(fā)出符合城軌交通要求的儲(chǔ)能設(shè)備，項(xiàng)目組聯(lián)系到了中車四方車輛研究所有限公司的相關(guān)科研人員，雙方通力合作，終于在2016年，研發(fā)出我國(guó)首套兆瓦級(jí)的地面超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。

然而此時(shí)，另一個(gè)問題出現(xiàn)了。

“簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是超級(jí)電容的能量密度不夠。”楊中平說(shuō)，以一節(jié)地鐵一次制動(dòng)所產(chǎn)生14度電為例，當(dāng)時(shí)，我們一兆瓦儲(chǔ)能裝置只能吸收7.4度電，剩余的電由于無(wú)法吸收，只能白白浪費(fèi)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，但后者也有自身的問題，比如“不耐用”?；诖耍?xiàng)目組萌發(fā)了將電池與電容相結(jié)合研發(fā)地面式混合儲(chǔ)能裝置的念頭。

恰在此時(shí)，一項(xiàng)科技部“十三五”重大專項(xiàng)中，涉及到了再生能源的吸收存儲(chǔ)問題，該子項(xiàng)目也落到了楊中平課題組的肩上，這給了他們研究混合儲(chǔ)能裝置一個(gè)機(jī)會(huì)。

最終，他們也沒有浪費(fèi)這個(gè)機(jī)會(huì)。

顯著提升的效率

據(jù)介紹，在2016年第一代產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目組研發(fā)的這套混合儲(chǔ)能系統(tǒng)利用超級(jí)電容和鈦酸鋰電池的儲(chǔ)能特性，將列車制動(dòng)能再生的電能，同時(shí)儲(chǔ)存在超級(jí)電容和鈦酸鋰電池中；當(dāng)列車牽引時(shí)，再將儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，使再生能量得以充分利用。

這大大提升了節(jié)能率。經(jīng)研究人員在北京地鐵的實(shí)際測(cè)算，每周工作日期間，該裝置課使地鐵系統(tǒng)的節(jié)能率提升超過(guò)13%。在節(jié)假日期間的節(jié)能率可提升17%。如果按照節(jié)約1度電減排0.977千克二氧化碳來(lái)計(jì)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，北京市地鐵系統(tǒng)一年的耗電量超過(guò)12億度。如果全面使用該技術(shù)，即使按照節(jié)能率10%計(jì)算，一年也能節(jié)約用電超過(guò)1億度，節(jié)省電費(fèi)幾千萬(wàn)?！笔茉L時(shí)，李宇杰說(shuō)。

“我們的項(xiàng)目從立項(xiàng)開始就受到了國(guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)和高校的關(guān)注，接連收到了許多合作意向。大家認(rèn)為此次試驗(yàn)的成功，將推動(dòng)我國(guó)軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步提高，推動(dòng)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。”楊中平說(shuō)。

值得一提的是，該裝置的研發(fā)從科研立項(xiàng)、理論研究、系統(tǒng)建模與仿真、軟硬件設(shè)計(jì)、樣機(jī)的研發(fā)，再到設(shè)備的安裝、掛網(wǎng)試驗(yàn)，都有項(xiàng)目組學(xué)生的深度參與?！绷诛w表示，這樣的經(jīng)歷給他們的最寶貴經(jīng)驗(yàn)，就在于親身體會(huì)了真正面向?qū)嶋H的科研是如何開展的，這對(duì)于他們未來(lái)的科研工作大有裨益。



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