采用超級電容作為主動力，融合了無電網(wǎng)運行、制動即充電等多種創(chuàng)新成果的儲能式輕軌原型列車成功下線的消息一經(jīng)傳出，便吸引了國內(nèi)眾多城市運營者的關(guān)注，最終由廣州市政府拔得頭籌，并于去年年底與中國南車(601766,股吧)株洲電力機車有限公司（下稱南車株機）成功簽約。
“儲能式輕軌”在如此短的時間內(nèi)何以一炮而紅？其理念和技術(shù)的發(fā)展究竟有何淵源，切合了何種需求？未來又有多大的發(fā)展空間？《中國科學(xué)報》記者近日前往株洲，專訪了該型車的總設(shè)計師、南車株機專家委員會主任、中國工程院院士劉友梅。
軌道交通迎來綠色挑戰(zhàn)
在現(xiàn)代軌道交通發(fā)展史上，“高速”和“重載”已成為反映當(dāng)今技術(shù)的兩大標(biāo)志，無論是運行速度還是載重量的提升，均取得了巨大成功。但是，問題也隨之而來。
“首先，如果速度再往上提高，很可能出現(xiàn)新的安全隱患；其次，必然產(chǎn)生大量的能耗和噪聲污染。”劉友梅表示，借助高速、重載技術(shù)拉動軌道交通發(fā)展的空間，絕不是無限的，而應(yīng)有一個最佳值。
眾所周知，鐵路是耗能大戶，高速時代更是如此。據(jù)估算武廣高鐵的人均單程耗電量約為45度電，全年運行總電費高達5億元，相當(dāng)于5公里高鐵線路的建設(shè)投資。
此外，在列車運行過程中，有大量的能量被完全浪費。任何一輛列車在減速停車時，都有大量的動能轉(zhuǎn)化為熱能直接消耗掉這部分能量如能有效收集起來，其利用潛力無疑將相當(dāng)可觀。
劉友梅認為，現(xiàn)代軌道交通借助于高速和重載技術(shù)的進步，已完成自身這一輪的技術(shù)演化。在新的歷史條件下，全球面臨能源危機和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)，未來的發(fā)展趨勢一是“綠色”，二是“智能”。
儲能式輕軌正是在這樣的理念下應(yīng)運而生。“我們研發(fā)儲能式軌道交通的目的，就是力爭實現(xiàn)能量循環(huán)利用、高效利用的雙重目標(biāo)。”劉友梅告訴記者。
作為一位工程專家，劉友梅篤信技術(shù)和工程的“進化論”。在他看來，技術(shù)進化的驅(qū)動力，首先來自于自然和社會的需求，其次得有相應(yīng)的技術(shù)條件和平臺。而儲能器件的發(fā)展，正為新一輪的技術(shù)進化創(chuàng)造了條件。
列車儲能技術(shù)“進化論”
“儲能式輕軌”這個詞是劉友梅發(fā)明的。之所以叫“儲能式”，是為了區(qū)別于傳統(tǒng)的“受電式”，即能量不再主要依賴外部電網(wǎng)，而是存儲于列車自身。
劉友梅介紹，已有的儲能技術(shù)有三種：一種是以飛輪為主的機械儲能；一種是以蓄電池為主的化學(xué)儲能；另一種則是以超級電容為代表的物理儲能。
實際上，儲能技術(shù)及其代表的綠色理念運用于軌道交通并非自超級電容始。“從蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引，到電力牽引，由于避免了對一次能源的直接消耗，可稱作第一次進化。從機械制動到電氣制動，則是第二次進化。”劉友梅說。
在電力牽引時代，盡管能源已經(jīng)可以二次使用，但采用傳統(tǒng)的機械制動方式并不能減少能量的浪費。電氣制動在一定程度上解決了這個問題：利用電力牽引的優(yōu)勢，將制動時消耗的動能用來發(fā)電，送到電網(wǎng)，從而實現(xiàn)再生制動。盡管如此，仍然存在大量的能量消耗。
“對于返回的能量，現(xiàn)有電網(wǎng)是有條件接受的，最多只能回收40%左右的能量。”劉友梅解釋，由于制動時回收的電能只能在回收瞬間進行利用，無法真正儲存，還是得利用機械制動作補充，“60%左右的制動動能被白白浪費掉了”。
至于化學(xué)儲能，因其功率密度小、能量密度大，屬慢充慢放型，難以吸收列車制動時在瞬間產(chǎn)生的巨大能量，通常只能用于汽車和摩托車。
超級電容儲能器件的問世為儲能技術(shù)的第三次進化帶來了曙光，其最大的特點是功率密度大，充放電不是按分鐘計，而是按秒計，甚至可以吸收毫秒級的瞬間能量。
“過去提高能量回收效率，能提高一兩個百分點已很不容易?，F(xiàn)在不只是一兩個百分點的問題了。根據(jù)我們目前的實驗結(jié)果，已經(jīng)可以收回85%以上的動能。”劉友梅表示。
城際軌道交通新工具
技術(shù)的發(fā)展往往與器件有關(guān)。在劉友梅看來，正是由于超級電容這種新儲能器件的出現(xiàn)，現(xiàn)在才有條件開創(chuàng)儲能式輕軌這種全新的交通方式。
將超級電容運用于列車的大膽想法，最早來自于劉友梅和某華裔外籍專家在一次交談中迸發(fā)的靈感。當(dāng)時，這位外籍專家正向中方介紹超級電容儲能在港口起重機上的應(yīng)用案例。劉友梅很快聯(lián)想到他的本行，“既然吊裝集裝箱時消耗的勢能可以轉(zhuǎn)存儲化，列車制動時消耗的動能為什么不可以？”
經(jīng)過一番調(diào)查，劉友梅了解到，大功率超級電容儲能技術(shù)在國外某些特定領(lǐng)域已有應(yīng)用，比如賽車和坦克。但并非用于能量回收，而是用于在特定條件下進行能量補給。比如遇到?jīng)_鋒時，光靠柴油機的功率遠不夠供應(yīng)突發(fā)式前進的能量，但如果將超級電容日常儲備的能量加上，坦克就能在沖鋒瞬間蹭地一下沖上去。
超級電容的這一優(yōu)勢剛好可以滿足城際軌道交通的需求不僅可使列車在進站停靠時的30秒鐘內(nèi)充完電，制動時的充電速度更可達毫秒級在南車株機2012年8月研制出的原型車上，這一要求已經(jīng)實現(xiàn)。
不過，劉友梅并不認為儲能技術(shù)可以擴大到所有軌道交通領(lǐng)域。他向記者表示，以當(dāng)前的技術(shù)條件，儲能式交通的應(yīng)用須滿足三種情形：一是中小型列車，二是輕軌車和電車，三是城市軌道交通。
“比如汽車，充電后只跑上幾公里肯定不行，用在長途大運量的鐵路干線上也不現(xiàn)實。以目前的技術(shù)條件，用于城市、近郊、衛(wèi)星城和城市群之間的軌道交通則完全可以。”劉友梅認為，這種有站點、有規(guī)律、站間距不太遠的城際輕軌，是目前最適宜儲能式軌道交通發(fā)展的領(lǐng)域在高速鐵路逐漸支撐起干線大動脈的同時，如何解決各區(qū)域城市圈的交通難題？儲能式輕軌可謂正當(dāng)其時。
“我相信，儲能技術(shù)還會繼續(xù)發(fā)展。”劉友梅表示，隨著相應(yīng)工程技術(shù)的演化，儲能式軌道交通在未來的應(yīng)用領(lǐng)域也許有可能進一步擴大，但“綠色”的理念和趨勢是不會變的。
“儲能技術(shù)演化的根本目標(biāo)，一定是促進能量的循環(huán)和高效利用。”他再次強調(diào)。
