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北京交大團(tuán)隊(duì)宣布世界首套自主研發(fā)兆瓦級混合儲能裝置試驗(yàn)成功

時間:2020-10-13 09:38:58 來源:中國教育報

高考早知道

       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。隨著城軌交通的快速發(fā)展,未來的年耗電還將是個驚人數(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電容/電池混合儲能裝置,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,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,進(jìn)入制動階段,車速降為0。

     能量守恒定律告訴我們:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,只會轉(zhuǎn)移或者改變形式?!敖?jīng)測算,6節(jié)車廂的八通線地鐵列車一次制動,從70公里/小時降到0,產(chǎn)生的再生制動能量大約是14度電,因?yàn)闊o法返回公共電網(wǎng)的大池子,怎樣把這部分能量儲存起來并有效釋放利用起來?”這個問題可以簡要解釋楊&林實(shí)驗(yàn)室的工作。

     這對整個地鐵系統(tǒng)的節(jié)能減排意義有多大?要想搞明白這項(xiàng)研發(fā)的價值,得先弄明白一個“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)營電費(fèi)的一半花在了牽引用電上!這是關(guān)系整個地鐵系統(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<?、北京市地鐵運(yùn)營有限公司原副總工程師兼設(shè)備部副部長黃旭虹十分熟悉軌道交通,“如果沒有地面吸收裝置,多余的能量會變成災(zāi)害,比如,地鐵制動盤磨損嚴(yán)重,每3個月就要換輪子,幾個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,兩人對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能裝置,慢慢地,10千瓦、200千瓦,隨之自主研發(fā)我國首套一兆瓦的地面超級電容,2016年在八通線試驗(yàn)成功。該儲能裝置已在青島、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)成功的混合儲能裝置,是繼2016年研發(fā)的超級電容儲能系統(tǒng)的第二代產(chǎn)品,相較第一代純超級電容儲能系統(tǒng),平均每天可多節(jié)電150度。當(dāng)列車牽引時,再將儲存的能量釋放出來,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)制動磨損,提高城市軌道交通運(yùn)營安全性和可靠性,降低運(yùn)營維護(hù)成本,延長車輛設(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,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?!绷诛w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)營有限公司技術(shù)部副部長李宇杰說,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能裝置,效果顯著,是國際上真正的第一個兆瓦級混合型儲能裝置,有很強(qiáng)的推廣價值。

     黃旭虹說,國外并非沒有軌道交通的節(jié)能技術(shù),如超級電容、飛輪等技術(shù),但這些都對中國引進(jìn)有所限制。之前北京地鐵運(yùn)營方曾經(jīng)考慮過用國外的產(chǎn)品,甚至在變電所預(yù)留了節(jié)能設(shè)備的位置,但是光一個站的超級電容設(shè)備就要600萬元,價格讓人咋舌。

     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)時試驗(yàn)設(shè)備安裝正處在北京隆冬時節(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。這個晝伏夜出的團(tuán)隊(duì),見證了北京無數(shù)個凌晨。

     從2017年研究被納入國家“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、組裝、調(diào)試,在北京交大長三角研究院長達(dá)幾個月的試驗(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)。這是儲能裝置第一次在地鐵現(xiàn)場試驗(yàn)成功。

     楊中平對圍攏過來的學(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,我國軌道交通的快速發(fā)展,為國內(nèi)高校學(xué)生科研提供了比國外大學(xué)生更多的工程實(shí)踐機(jī)會。

     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、記錄儲能裝置的試驗(yàn)數(shù)據(jù),他和同學(xué)們在設(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,他們在接近40攝氏度的燥熱環(huán)境里,苦苦熬著。

     網(wǎng)壓問題、信號干擾、不明原因跳閘……面對學(xué)校電腦里永遠(yuǎn)碰不到的難題,學(xué)生們在老師的指導(dǎo)下,挨個排除故障,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?!?/span>

     “一代更比一代強(qiáng),他們比我讀書時的眼界寬多了。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?!睏钪衅秸f。