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刘友梅院士:解读列车储能技术“进化论”

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国科学报 发布时间:2013-03-04 浏览:
     中国储能网讯:全长7.7公里、正在建设中的广州市海珠环岛(万胜围广州塔段)是世界上首条拟投入商业运营的储能式轻轨线,计划于2014年全线运行。而2012年8月在湖南株洲成功下线的世界首列储能式轻轨原型列车,将成为这条轻轨线的运营列车。
 
    采用超级电容作为主动力,融合了无电网运行、制动即充电等多种创新成果的储能式轻轨原型列车成功下线的消息一经传出,便吸引了国内众多城市运营者的关注,最终由广州市政府拔得头筹,并于去年年底与中国南车(601766,股吧)株洲电力机车有限公司(下称南车株机)成功签约。
 
   “储能式轻轨”在如此短的时间内何以一炮而红?其理念和技术的发展究竟有何渊源,切合了何种需求?未来又有多大的发展空间?《中国科学报》记者近日前往株洲,专访了该型车的总设计师、南车株机专家委员会主任、中国工程院院士刘友梅。
 
    轨道交通迎来绿色挑战
 
    在现代轨道交通发展史上,“高速”和“重载”已成为反映当今技术的两大标志,无论是运行速度还是载重量的提升,均取得了巨大成功。但是,问题也随之而来。
 
   “首先,如果速度再往上提高,很可能出现新的安全隐患;其次,必然产生大量的能耗和噪声污染。”刘友梅表示,借助高速、重载技术拉动轨道交通发展的空间,绝不是无限的,而应有一个最佳值。
 
    众所周知,铁路是耗能大户,高速时代更是如此。据估算武广高铁的人均单程耗电量约为45度电,全年运行总电费高达5亿元,相当于5公里高铁线路的建设投资。
 
    此外,在列车运行过程中,有大量的能量被完全浪费。任何一辆列车在减速停车时,都有大量的动能转化为热能直接消耗掉这部分能量如能有效收集起来,其利用潜力无疑将相当可观。
 
    刘友梅认为,现代轨道交通借助于高速和重载技术的进步,已完成自身这一轮的技术演化。在新的历史条件下,全球面临能源危机和可持续发展的挑战,未来的发展趋势一是“绿色”,二是“智能”。
 
    储能式轻轨正是在这样的理念下应运而生。“我们研发储能式轨道交通的目的,就是力争实现能量循环利用、高效利用的双重目标。”刘友梅告诉记者。
 
    作为一位工程专家,刘友梅笃信技术和工程的“进化论”。在他看来,技术进化的驱动力,首先来自于自然和社会的需求,其次得有相应的技术条件和平台。而储能器件的发展,正为新一轮的技术进化创造了条件。
 
    列车储能技术“进化论”
 
   “储能式轻轨”这个词是刘友梅发明的。之所以叫“储能式”,是为了区别于传统的“受电式”,即能量不再主要依赖外部电网,而是存储于列车自身。
 
    刘友梅介绍,已有的储能技术有三种:一种是以飞轮为主的机械储能;一种是以蓄电池为主的化学储能;另一种则是以超级电容为代表的物理储能。
 
    实际上,储能技术及其代表的绿色理念运用于轨道交通并非自超级电容始。“从蒸汽牵引、内燃牵引,到电力牵引,由于避免了对一次能源的直接消耗,可称作第一次进化。从机械制动到电气制动,则是第二次进化。”刘友梅说。
 
    在电力牵引时代,尽管能源已经可以二次使用,但采用传统的机械制动方式并不能减少能量的浪费。电气制动在一定程度上解决了这个问题:利用电力牵引的优势,将制动时消耗的动能用来发电,送到电网,从而实现再生制动。尽管如此,仍然存在大量的能量消耗。
 
    “对于返回的能量,现有电网是有条件接受的,最多只能回收40%左右的能量。”刘友梅解释,由于制动时回收的电能只能在回收瞬间进行利用,无法真正储存,还是得利用机械制动作补充,“60%左右的制动动能被白白浪费掉了”。
 
    至于化学储能,因其功率密度小、能量密度大,属慢充慢放型,难以吸收列车制动时在瞬间产生的巨大能量,通常只能用于汽车和摩托车。
 
    超级电容储能器件的问世为储能技术的第三次进化带来了曙光,其最大的特点是功率密度大,充放电不是按分钟计,而是按秒计,甚至可以吸收毫秒级的瞬间能量。
 
    “过去提高能量回收效率,能提高一两个百分点已很不容易。现在不只是一两个百分点的问题了。根据我们目前的实验结果,已经可以收回85%以上的动能。”刘友梅表示。
 
    城际轨道交通新工具
 
    技术的发展往往与器件有关。在刘友梅看来,正是由于超级电容这种新储能器件的出现,现在才有条件开创储能式轻轨这种全新的交通方式。
 
    将超级电容运用于列车的大胆想法,最早来自于刘友梅和某华裔外籍专家在一次交谈中迸发的灵感。当时,这位外籍专家正向中方介绍超级电容储能在港口起重机上的应用案例。刘友梅很快联想到他的本行,“既然吊装集装箱时消耗的势能可以转存储化,列车制动时消耗的动能为什么不可以?”
 
    经过一番调查,刘友梅了解到,大功率超级电容储能技术在国外某些特定领域已有应用,比如赛车和坦克。但并非用于能量回收,而是用于在特定条件下进行能量补给。比如遇到冲锋时,光靠柴油机的功率远不够供应突发式前进的能量,但如果将超级电容日常储备的能量加上,坦克就能在冲锋瞬间蹭地一下冲上去。
 
    超级电容的这一优势刚好可以满足城际轨道交通的需求不仅可使列车在进站停靠时的30秒钟内充完电,制动时的充电速度更可达毫秒级在南车株机2012年8月研制出的原型车上,这一要求已经实现。
 
    不过,刘友梅并不认为储能技术可以扩大到所有轨道交通领域。他向记者表示,以当前的技术条件,储能式交通的应用须满足三种情形:一是中小型列车,二是轻轨车和电车,三是城市轨道交通。
 
    “比如汽车,充电后只跑上几公里肯定不行,用在长途大运量的铁路干线上也不现实。以目前的技术条件,用于城市、近郊、卫星城和城市群之间的轨道交通则完全可以。”刘友梅认为,这种有站点、有规律、站间距不太远的城际轻轨,是目前最适宜储能式轨道交通发展的领域在高速铁路逐渐支撑起干线大动脉的同时,如何解决各区域城市圈的交通难题?储能式轻轨可谓正当其时。
 
    “我相信,储能技术还会继续发展。”刘友梅表示,随着相应工程技术的演化,储能式轨道交通在未来的应用领域也许有可能进一步扩大,但“绿色”的理念和趋势是不会变的。
 
    “储能技术演化的根本目标,一定是促进能量的循环和高效利用。”他再次强调。
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