地鐵是名副其實(shí)的“電老虎”，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年底，我國(guó)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(guó)總能耗達(dá)到152.6億度。隨著城軌交通的快速發(fā)展，未來的年耗電還將是個(gè)驚人數(shù)字。
如何降低城軌交通的供電能耗，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)城軌交通系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。9月25日，北京交通大學(xué)宣布自主研發(fā)的世界首套城軌交通地面式超級(jí)電容/電池混合儲(chǔ)能裝置，在北京地鐵八通線梨園站掛網(wǎng)試驗(yàn)成功。該裝置能回收利用列車再生制動(dòng)能量，降低城軌列車能耗10%—15%。
收集利用地鐵被浪費(fèi)的“能量”
這一裝置的研發(fā)團(tuán)隊(duì)是北京交通大學(xué)楊&林實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)人是楊中平教授和林飛教授。他們預(yù)測(cè)，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。
什么是牽引用電？什么是再生制動(dòng)能量？楊中平說，地鐵在站間運(yùn)行，先經(jīng)歷牽引階段，車輛由靜止開始加速，電機(jī)消耗大功率從而產(chǎn)生牽引力，車輛加速到如70公里/小時(shí)的限速；之后進(jìn)入等速巡航階段或惰行階段，電網(wǎng)只需要小功率即可維持巡航；車輛快到站時(shí)，進(jìn)入制動(dòng)階段，車速降為0。
能量守恒定律告訴我們：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)轉(zhuǎn)移或者改變形式?！敖?jīng)測(cè)算，6節(jié)車廂的八通線地鐵列車一次制動(dòng)，從70公里/小時(shí)降到0，產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量大約是14度電，因?yàn)闊o法返回公共電網(wǎng)的大池子，怎樣把這部分能量?jī)?chǔ)存起來并有效釋放利用起來？”這個(gè)問題可以簡(jiǎn)要解釋楊&林實(shí)驗(yàn)室的工作。
這對(duì)整個(gè)地鐵系統(tǒng)的節(jié)能減排意義有多大？要想搞明白這項(xiàng)研發(fā)的價(jià)值，得先弄明白一個(gè)“50%”。楊中平解釋說，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(yíng)電費(fèi)的一半花在了牽引用電上！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。
交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院專家?guī)炱溉螌＜摇⒈本┦械罔F運(yùn)營(yíng)有限公司原副總工程師兼設(shè)備部副部長(zhǎng)黃旭虹十分熟悉軌道交通，“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”。她回憶起十幾年前找到楊中平時(shí)，兩人對(duì)地鐵能耗挖潛一拍即合。
最好的辦法是“自產(chǎn)自銷”。2007年，楊&林實(shí)驗(yàn)室開始做小功率的儲(chǔ)能裝置，慢慢地，10千瓦、200千瓦，隨之自主研發(fā)我國(guó)首套一兆瓦的地面超級(jí)電容，2016年在八通線試驗(yàn)成功。該儲(chǔ)能裝置已在青島、廣州等地多條地鐵線路投運(yùn)，節(jié)能效果顯著。
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)的第二代產(chǎn)品，相較第一代純超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，平均每天可多節(jié)電150度。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起來。此外，該裝置可減少列車基礎(chǔ)制動(dòng)磨損，提高城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全性和可靠性，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，延長(zhǎng)車輛設(shè)備使用壽命。
凌晨才能進(jìn)行的試驗(yàn)，成果擺脫了國(guó)外限制
這套裝置從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室里走出來，到了實(shí)地接受檢驗(yàn)，到底能節(jié)約多少電？
研發(fā)團(tuán)隊(duì)在北京八通線梨園站試驗(yàn)的結(jié)果表明，夜間單車運(yùn)行時(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%。
“可以說，我們的成果降低地鐵能耗的10％—15％是沒有問題的。”林飛說。這意味著什么？就拿北京地鐵來說，總里程600多公里，2019年耗電量為16億度電，能節(jié)約1億多度電，一度工業(yè)用電按0.8元來算，折合人民幣1億元左右。
北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司技術(shù)部副部長(zhǎng)李宇杰說，節(jié)能是北京“智慧地鐵”的一項(xiàng)重要需求，楊中平和林飛的團(tuán)隊(duì)面向行業(yè)需求開展研究下一代儲(chǔ)能裝置，效果顯著，是國(guó)際上真正的第一個(gè)兆瓦級(jí)混合型儲(chǔ)能裝置，有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。
黃旭虹說，國(guó)外并非沒有軌道交通的節(jié)能技術(shù)，如超級(jí)電容、飛輪等技術(shù)，但這些都對(duì)中國(guó)引進(jìn)有所限制。之前北京地鐵運(yùn)營(yíng)方曾經(jīng)考慮過用國(guó)外的產(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，價(jià)格讓人咋舌。
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)，從第一代產(chǎn)品到第二代，凝聚了團(tuán)隊(duì)師生無數(shù)心血。
當(dāng)時(shí)試驗(yàn)設(shè)備安裝正處在北京隆冬時(shí)節(jié)，為了不影響八通線白天的正常運(yùn)營(yíng)，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。這個(gè)晝伏夜出的團(tuán)隊(duì)，見證了北京無數(shù)個(gè)凌晨。
從2017年研究被納入國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，到2018年方案設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制，到2019年采購(gòu)、組裝、調(diào)試，在北京交大長(zhǎng)三角研究院長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的試驗(yàn)，林飛說，研究碰到了數(shù)不清的困難，“所幸我們帶著一茬茬的學(xué)生挺過來了”。
了不起的科研后備軍們
7月27日，凌晨4點(diǎn)多，從北京八通線梨園站爬到地面的師生，在星空之下喜不自禁，因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)剛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！你們做成功了！”
“從工作量來說，我做了10％的工作，林老師20％，學(xué)生們做了70％?！睏钪衅秸f，這些學(xué)生平時(shí)看起來沒有那么乖，但是有超出他想象的爆發(fā)能力、挑戰(zhàn)困難的勇氣和決心，遇到問題能淡定解決。
在日本留學(xué)10年，并在東京大學(xué)獲得工學(xué)博士學(xué)位的楊中平“最怕學(xué)生不如自己”。在他看來，我國(guó)軌道交通的快速發(fā)展，為國(guó)內(nèi)高校學(xué)生科研提供了比國(guó)外大學(xué)生更多的工程實(shí)踐機(jī)會(huì)。
在眾多學(xué)生中，秦強(qiáng)強(qiáng)、艾明成、楊浩豐、陶孝濤、劉宇嫣、信月、蘭笠夫、劉耀文、宋美玉、趙紫薇、米佳雨等11人作為主力參與了項(xiàng)目。今年上半年，因?yàn)橐咔橛绊?，學(xué)生們無法回到校園居住，團(tuán)隊(duì)只好在通州租了房子，方便隊(duì)員研究，從6月一直住到9月。
碩士研究生楊浩豐參與了項(xiàng)目的全過程。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，噪音很大，而且北京地鐵管理嚴(yán)格，大門不能打開，他們?cè)诮咏?0攝氏度的燥熱環(huán)境里，苦苦熬著。
網(wǎng)壓?jiǎn)栴}、信號(hào)干擾、不明原因跳閘……面對(duì)學(xué)校電腦里永遠(yuǎn)碰不到的難題，學(xué)生們?cè)诶蠋煹闹笇?dǎo)下，挨個(gè)排除故障，找出方案。研二學(xué)生蘭笠夫，數(shù)不清自己接了多少根線。“就是接線，也跟實(shí)驗(yàn)室不一樣，在地鐵里，要帶電操作，空間狹小，怎么接線都是學(xué)問。”
“一代更比一代強(qiáng)，他們比我讀書時(shí)的眼界寬多了。只要給他們足夠的條件和環(huán)境，這些90后的科研后備軍就能擔(dān)負(fù)重任，這是我最欣慰的地方，感覺人生沒有白活一場(chǎng)。”楊中平說。
