世界首套城軌回收能量裝置試驗(yàn)成功

北京地鐵“電老虎”馴服記

列車的燈光打在防護(hù)欄上制造出一道道閃光，上上下下?lián)頂D的人群匆匆從身邊掠過，無數(shù)的指示牌展現(xiàn)著一個(gè)城市的地下脈絡(luò)……對(duì)于很多人來說，地鐵已經(jīng)成為生活中不可缺少的一部分。

然而，很少有人關(guān)注到每天地鐵停運(yùn)后的故事。在北京交通大學(xué)，有這樣一個(gè)年輕的團(tuán)隊(duì)，他們總在深夜出現(xiàn)在地鐵站，他們要做的，是把地鐵浪費(fèi)的能源回收起來。這不僅讓地鐵——這個(gè)城市中的“電老虎”降耗，還提高了地鐵的安全性，在突發(fā)故障時(shí)甚至可以利用回收的能量將列車緊急牽引至地鐵站。

可使北京地鐵一年節(jié)電1億度

地鐵可以說是名副其實(shí)的“電老虎”。

據(jù)了解，北京、上海等大城市一年地鐵耗電量均已超過15億度。截至2019年年底，我國已開通城軌交通線路里程達(dá)6730公里，在建新線里程超過6000公里，全國總能耗達(dá)到152.6億度。而隨著我國每年軌道交通運(yùn)營總里程的快速增長，城市軌道交通系統(tǒng)用電量也逐年上升，2019年已占到全國總用電量的3‰。

近日，北京交通大學(xué)科研人員自主研發(fā)的地面式超級(jí)電容/電池混合儲(chǔ)能裝置，在北京地鐵八通線梨園站進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)，該裝置不但可以回收利用列車制動(dòng)能量，還可以在供電系統(tǒng)突發(fā)故障時(shí)，利用儲(chǔ)能裝置將列車緊急牽引至地鐵站。

據(jù)介紹，該項(xiàng)目是北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院楊中平&林飛實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的、國家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“軌道交通系統(tǒng)能耗過程解耦與能效提升關(guān)鍵技術(shù)”的子課題，已于近日通過專家組驗(yàn)收。專家評(píng)審意見認(rèn)為，該項(xiàng)目搭建了城市軌道交通車輛運(yùn)行與供電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真平臺(tái);研制了超級(jí)電容/鈦酸鋰電池混合儲(chǔ)能裝置，通過第三方評(píng)測(cè)，平均節(jié)能率超過15%。

楊中平教授一直致力于研究軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能和再生制動(dòng)能量的吸收和利用，他說，高效利用軌道交通車輛的再生能量，將成為城市軌道交通節(jié)能的主要手段。

試驗(yàn)結(jié)果表明，這套裝置不但可以回收利用列車再生制動(dòng)能量，還可以在供電系統(tǒng)突發(fā)故障停電時(shí)，利用儲(chǔ)能裝置將列車緊急牽引至鄰近地鐵站。夜間單車試驗(yàn)時(shí)，每趟節(jié)能率均能達(dá)到20%;在地鐵正常運(yùn)行期間，工作日日均節(jié)能1500度電，節(jié)能率達(dá)13%;而周末日均節(jié)能900度電，節(jié)能率超過17%。

“這是關(guān)系整個(gè)地鐵系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一。”楊中平解釋，列車牽引用電和其他如車站電梯、扶梯、空調(diào)等附屬設(shè)備的用電量各占50%左右，地鐵運(yùn)營電費(fèi)的一半花在了牽引用電上。

“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，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。”楊中平說，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程中，可以產(chǎn)生大約14度的電能。

北京市地鐵運(yùn)營有限公司技術(shù)部副部長李宇杰表示，目前，北京市地鐵系統(tǒng)一年的耗電量超過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1億度，節(jié)省電費(fèi)幾千萬元。

不僅“世界首套”，而且“經(jīng)濟(jì)適用”

這套裝置，不僅是世界首套城軌交通混合儲(chǔ)能裝置，在實(shí)際應(yīng)用上，不僅實(shí)現(xiàn)了能量回收，還減少了車輛機(jī)械制動(dòng)裝置的磨損，抑制了牽引供電電壓的波動(dòng)，很具有“性價(jià)比”。

楊中平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)師生自2007年開始城軌交通儲(chǔ)能與節(jié)能技術(shù)研究，獨(dú)立研發(fā)了國內(nèi)首套200kw城軌地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，在北京地鐵八通線完成了試驗(yàn)驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上，與中車青島四方車輛研究所合作研發(fā)了國內(nèi)首套MW級(jí)城軌地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，2016年在北京八通線完成運(yùn)行試驗(yàn)，該項(xiàng)技術(shù)目前在北京、青島、蘇州、無錫等地鐵線路上得到應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。

而本次試驗(yàn)成功的混合儲(chǔ)能裝置，是繼2016年研發(fā)的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的二代產(chǎn)品。團(tuán)隊(duì)師生利用超級(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，使再生能量被充分利用。

楊中平表示：“我們的項(xiàng)目從立項(xiàng)開始就受到國內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)和高校的關(guān)注，接連收到許多合作意向，他們認(rèn)為此次試驗(yàn)的成功，將推動(dòng)我國軌道交通領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步提高，推動(dòng)我國儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。”

不僅節(jié)能，這套裝置為地鐵運(yùn)營節(jié)省的成本，也讓交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院專家?guī)炱溉螌＜?、北京市地鐵運(yùn)營有限公司原副總工程師兼設(shè)備部副部長黃旭虹印象深刻。

黃旭虹表示，如果沒有地面吸收裝置，多余的能量會(huì)變成災(zāi)害，比如，地鐵制動(dòng)盤磨損嚴(yán)重，每3個(gè)月就要換輪子，幾個(gè)月就能消耗掉幾年的成本。

“國外雖然也有軌道交通的節(jié)能技術(shù)，如超級(jí)電容、飛輪等，但這些都對(duì)中國引進(jìn)有所限制。之前北京地鐵運(yùn)營方曾考慮過用國外產(chǎn)品，甚至在變電所預(yù)留了節(jié)能設(shè)備的位置，但是光一個(gè)站的超級(jí)電容設(shè)備就要600萬元人民幣，成本畸高。”黃旭虹說。

地鐵背后的年輕人“一代更比一代強(qiáng)”

研制這樣一套裝置，離不開團(tuán)隊(duì)里年輕人的努力。在試驗(yàn)設(shè)備安裝調(diào)試過程中，這群研究生黑白顛倒，與地鐵為伴。

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)，都有團(tuán)隊(duì)里同學(xué)們深度參與的身影，從項(xiàng)目立項(xiàng)開始，他們就沒有休過寒暑假、國慶等節(jié)假日，一直積極投入其中。

試驗(yàn)設(shè)備安裝正處在北京的隆冬時(shí)節(jié)，為了不影響八通線白天的正常運(yùn)營，所有安裝和使用工作都必須在凌晨12點(diǎn)至3點(diǎn)半進(jìn)行。而行車和掛網(wǎng)試驗(yàn)又趕上盛夏，地鐵站配電室內(nèi)沒有空調(diào)和電扇，老師和同學(xué)們身上的衣服往往都濕透了幾次。

項(xiàng)目組的老師林飛一直駐守在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。掛網(wǎng)試驗(yàn)要在每天地鐵運(yùn)行的早中晚高峰進(jìn)行，于是他每天凌晨3點(diǎn)從家出發(fā)，開車近1個(gè)小時(shí)到達(dá)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)后，就投入到緊張的籌備工作中，準(zhǔn)備迎接地鐵運(yùn)營早高峰的試驗(yàn)。再利用早中晚高峰中間的間隙，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，整個(gè)暑假都沒有休息。

團(tuán)隊(duì)里的碩士研究生楊浩豐參與了該項(xiàng)目的絕大部分工作。在北京地鐵梨園站掛網(wǎng)試驗(yàn)期間，需要一直在變壓器室觀察、記錄儲(chǔ)能裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他和同學(xué)們?cè)谠O(shè)備前一蹲就是一天。變壓器室內(nèi)設(shè)備較多，并且噪音很大，但同學(xué)們沒有人喊累，一直堅(jiān)守崗位。

“不能把地鐵弄壞了，所以我不能失敗。”楊浩豐說，真正到了現(xiàn)場(chǎng)，才發(fā)現(xiàn)在學(xué)校里學(xué)習(xí)的理論和實(shí)際研究的差別很大。“以前我們?cè)趯W(xué)校里做仿真實(shí)驗(yàn)，失敗了也沒什么后果。但是到了要用真實(shí)的地鐵列車調(diào)試，我最害怕的就是試驗(yàn)失敗列車出故障了。對(duì)于我們來說，一切試驗(yàn)首先要保證試驗(yàn)結(jié)束后第二天地鐵的安全運(yùn)營不受影響。”

團(tuán)隊(duì)中的博士研究生劉宇嫣表示，自己第一次來到現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)，最大的感觸就是角色轉(zhuǎn)換。“我學(xué)的是電氣專業(yè)，但以前都是通過看書獲得理論，提出的一些控制方法也都是通過仿真來驗(yàn)證的。很多知識(shí)和想法都很理想化?，F(xiàn)在我認(rèn)為自己鍛煉得更‘工程’一點(diǎn)了?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)的突發(fā)問題分析原因，也學(xué)習(xí)、積累到了很多以前看書根本發(fā)現(xiàn)不了的問題”。

7月27日凌晨4點(diǎn)多，在北京八通線梨園站，團(tuán)隊(duì)順利完成了單車行車試驗(yàn)。這是儲(chǔ)能裝置第一次在地鐵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功。楊中平對(duì)圍攏過來的學(xué)生說：“你們是了不起的，不要瞧不起自己，世界首套是你們做出來的!你們成功了!”

“可以毫不夸張地說，我的學(xué)生們發(fā)揮了70%的作用。”說起學(xué)生的功勞，楊中平這樣說。他表示，在科研過程中，老師只是指引方向，實(shí)際上同學(xué)們有很強(qiáng)的實(shí)踐能力。他們可以很好地執(zhí)行老師的戰(zhàn)略意圖，雖然平常看上去沒有那么乖，但是遇到問題就能爆發(fā)無限的潛力，自己很以他們?yōu)轵湴痢?/p>

“一代更比一代強(qiáng)，現(xiàn)在的年輕人早已超過了我們，我也愿意被他們超越。只要給他們足夠的條件和環(huán)境，他們就可以擔(dān)起來重任。”楊中平說。(記者 葉雨婷)

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