北京交通大學(xué)師生根據試驗波形對儲能裝置參數進(jìn)行調整

上世紀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——當時(shí)，我國僅有的兩條地鐵都在北京，對于大多數國人來(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某鞘熊壍澜煌ㄊ侨澜绨l(fā)展速度最快的。目前，我國的城軌總里程已經(jīng)超過(guò)6000公里?！睏钪衅浇榻B說(shuō)。

隨著(zhù)軌道交通規模的持續擴大，一個(gè)此前未被人重視的問(wèn)題日益凸顯，那就是城市軌道線(xiàn)路的耗能以及相應的節能問(wèn)題。圍繞這一實(shí)際問(wèn)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能裝置。經(jīng)測試，搭載該裝置的城市軌道交通車(chē)輛，其平均節能率超過(guò)15%。

一個(gè)現實(shí)問(wèn)題

當前世界范圍內的城市軌道交通，基本是以電力為主要動(dòng)力源。在早期規模相對不大時(shí)，城軌的耗電量在國家整體用電量中的比例幾乎可以忽略；但隨著(zhù)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(gè)小時(shí)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年已占到全國總用電量的3‰。這是一個(gè)巨大的數字?！痹诮邮堋吨袊茖W(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)，北京市地鐵運營(yíng)有限公司技術(shù)部副部長(cháng)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行過(guò)程。

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

“地鐵節能的方式有很多，比如減輕車(chē)體總重量、合理安排地鐵發(fā)車(chē)時(shí)間等，但還有一種更加重要的節能手段，即回收、利用列車(chē)在制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的能量?！睏钪衅秸f(shuō)，采用此方法，在一節列車(chē)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]到目前我國如此巨大的城軌規模，這部分電能的節約潛力是巨大的?！?/p>

然而，要實(shí)現節能目標，一個(gè)現實(shí)問(wèn)題必須克服，那就是列車(chē)的再生電能如何存儲和釋放的問(wèn)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)現城市電網(wǎng)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于研發(fā)一種能夠高效且耐用的儲能裝置，回收地鐵列車(chē)的再生制動(dòng)電能?！表椖拷M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)

針對這一問(wèn)題，早在十幾年前，楊中平和同事們就開(kāi)展了超級電容儲能和再生制動(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?jì)Υ嫜b置，并在北京地鐵進(jìn)行了實(shí)驗性安裝測試。

“測試取得了成功，但并不十分令人滿(mǎn)意?！睏钪衅秸f(shuō)，由于地鐵系統的用電量是兆瓦級別的，當時(shí)的儲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能設備，項目組聯(lián)系到了中車(chē)四方車(chē)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)出我國首套兆瓦級的地面超級電容儲能系統。

然而此時(shí)，另一個(gè)問(wèn)題出現了。

“簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是超級電容的能量密度不夠?！睏钪衅秸f(shuō)，以一節地鐵一次制動(dòng)所產(chǎn)生14度電為例，當時(shí)，我們一兆瓦儲能裝置只能吸收7.4度電，剩余的電由于無(wú)法吸收，只能白白浪費掉了。

能量密度不高是電容類(lèi)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(wèn)題，比如“不耐用”?；诖?，項目組萌發(fā)了將電池與電容相結合研發(fā)地面式混合儲能裝置的念頭。

恰在此時(shí)，一項科技部“十三五”重大專(zhuān)項中，涉及到了再生能源的吸收存儲問(wèn)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(gè)機會(huì )。

最終，他們也沒(méi)有浪費這個(gè)機會(huì )。

顯著(zhù)提升的效率

據介紹，在2016年第一代產(chǎn)品的基礎上，該項目組研發(fā)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(chē)制動(dòng)能再生的電能，同時(shí)儲存在超級電容和鈦酸鋰電池中；當列車(chē)牽引時(shí)，再將儲存的能量釋放出來(lái)，使再生能量得以充分利用。

這大大提升了節能率。經(jīng)研究人員在北京地鐵的實(shí)際測算，每周工作日期間，該裝置課使地鐵系統的節能率提升超過(guò)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(lái)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，北京市地鐵系統一年的耗電量超過(guò)12億度。如果全面使用該技術(shù)，即使按照節能率10%計算，一年也能節約用電超過(guò)1億度，節省電費幾千萬(wàn)?！笔茉L(fǎng)時(shí)，李宇杰說(shuō)。

“我們的項目從立項開(kāi)始就受到了國內外多家科研機構和高校的關(guān)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(dòng)我國軌道交通領(lǐng)域節能技術(shù)的進(jìn)一步提高，推動(dòng)我國儲能技術(shù)應用的進(jìn)一步發(fā)展?！睏钪衅秸f(shuō)。

值得一提的是，該裝置的研發(fā)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(fā)，再到設備的安裝、掛網(wǎng)試驗，都有項目組學(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，就在于親身體會(huì )了真正面向實(shí)際的科研是如何開(kāi)展的，這對于他們未來(lái)的科研工作大有裨益。



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