國(guó)家會(huì)展中心超級(jí)電容節(jié)能電梯技術(shù)應(yīng)用

高文偉，華 黎，李慶來(lái)

(1.上海東浩蘭生國(guó)際服務(wù)貿(mào)易(集團(tuán))有限公司，上海 200040；2.上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司，上海 201203)

國(guó)家會(huì)展中心(上海)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)家會(huì)展中心)中包含400多臺(tái)電梯，其中垂直電梯和扶梯各200 多臺(tái)，如圖1所示。50臺(tái)垂直電梯采用超級(jí)電容后，將成為世界規(guī)模最大的超級(jí)電容及節(jié)能電梯集中示范區(qū)；50 臺(tái)超級(jí)電容電梯中有6 臺(tái)在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了“停電不急停”的安全功能。

我國(guó)已成為世界上最大的電梯生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，電梯每年的能耗超過(guò)500 億度。傳統(tǒng)的電梯能量回收及再利用技術(shù)利用能量回饋系統(tǒng)，雖然可實(shí)現(xiàn)20%以上的節(jié)能，但回饋電能將產(chǎn)生諧波干擾、污染電網(wǎng)，因此市場(chǎng)普及率不到2%；超級(jí)電容電梯代表了最新的節(jié)能電梯技術(shù)，電梯在重負(fù)載向下、輕負(fù)載向上及減速時(shí)曳引電機(jī)所產(chǎn)生的電能，通過(guò)雙向DC/DC 儲(chǔ)存于超級(jí)電容器組中，在下一工作循環(huán)優(yōu)先使用，從而實(shí)現(xiàn)電梯節(jié)能。同時(shí)，使用超級(jí)電容技術(shù)后，還可以提高電梯的安全性能。

圖1 超級(jí)電容節(jié)能電梯布置圖

1 超級(jí)電容節(jié)能電梯簡(jiǎn)介

1.1 技術(shù)開(kāi)發(fā)背景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷高速發(fā)展，目前我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的電梯生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)和保有國(guó)，中國(guó)電梯的使用量和新增量均為世界第一，至2013年我國(guó)在用電梯數(shù)量達(dá)到了300 萬(wàn)臺(tái)，其數(shù)量還在不斷的高速增長(zhǎng)之中。我們?cè)诔浞窒硎芫蘖侩娞菟鶐?lái)的方便與快捷的同時(shí)，也不得不面對(duì)巨大能耗問(wèn)題。作為耗能大戶，我國(guó)目前電梯的每年總能耗要超過(guò)400 億kWh 以上，非?？捎^。更為嚴(yán)重的是由電梯運(yùn)行工況所決定，目前電梯所耗費(fèi)電能中大約超過(guò)1/3 是以熱的形式白白浪費(fèi)掉了，殊為可惜！考慮到目前我國(guó)的能源和環(huán)境壓力，以及可持續(xù)增長(zhǎng)的需要，開(kāi)發(fā)新型電梯節(jié)能技術(shù)勢(shì)在必行，據(jù)悉國(guó)家有關(guān)部門(mén)即將出臺(tái)電梯能耗標(biāo)志相關(guān)規(guī)定，及電梯節(jié)能檢測(cè)方法等，這必將推動(dòng)我國(guó)電梯節(jié)能技術(shù)發(fā)展。

目前電梯節(jié)能方向有2 個(gè)：一個(gè)是曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)步；另一個(gè)是開(kāi)發(fā)能量回收及再利用技術(shù)。但是僅依靠曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步無(wú)法改變超過(guò)1/3 的電能浪費(fèi)掉的事實(shí)；在能量回收及再利用技術(shù)方面目前已經(jīng)商業(yè)化的最先進(jìn)的是能量回饋系統(tǒng)技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果較高，技術(shù)成熟等，但該技術(shù)也存在著回饋電能高次諧波污染電網(wǎng)，產(chǎn)生電磁干擾，降低設(shè)備壽命，用戶付出成本卻無(wú)法直接受益等問(wèn)題，因此迫切需要開(kāi)發(fā)高性價(jià)比的新型節(jié)能電梯技術(shù)。

1.2 超級(jí)電容器性能特點(diǎn)

超級(jí)電容器是近年來(lái)一直受到人們關(guān)注的一種新型儲(chǔ)能器件。它兼具二次電池與靜電電容器的雙重特性，被認(rèn)為是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的儲(chǔ)能電源。超級(jí)電容器具有功率密度大、充電迅速、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度較高、使用溫度范圍寬、可靠性高、清潔環(huán)保等突出的優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于短時(shí)間高功率輸出以及需要快速充電的場(chǎng)合，妥善解決了儲(chǔ)能設(shè)備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾。

超級(jí)電容器在性能上填補(bǔ)了傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的性能空白點(diǎn)，因此與其它的化學(xué)電源相比，超級(jí)電容器在節(jié)能電梯、純電動(dòng)城市客車(chē)、純電動(dòng)場(chǎng)地車(chē)輛、HEV 油電混合動(dòng)力汽車(chē)、電電混合動(dòng)力汽車(chē)等電動(dòng)汽車(chē)、礦用電機(jī)車(chē)、高爾夫車(chē)、工程機(jī)械、軌道交通、太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、港口機(jī)械、電動(dòng)工具，以及部分軍事航天等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒕哂忻黠@的性能優(yōu)勢(shì)，是21 世紀(jì)理想的環(huán)保型儲(chǔ)能器件之一，在新能源和新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)中展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。

1.3 超級(jí)電容節(jié)能電梯原理

電梯工作中，在重負(fù)載向下、輕負(fù)載向上及減速等工況條件下，勢(shì)能和動(dòng)能通過(guò)曳引機(jī)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能。這部分電能要占到電梯整個(gè)耗電量的接近40%左右，目前該電能基本上是通過(guò)電梯控制器上的電阻以熱的形式耗散掉了，同時(shí)為平衡這部分熱量，電梯控制間還要裝設(shè)空調(diào)，進(jìn)一步加大了電能的消耗。

超級(jí)電容節(jié)能電梯技術(shù)利用超級(jí)電容器的快速充電特性、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高比功率、能量轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)，將超級(jí)電容器組作為儲(chǔ)能電源，電梯在重負(fù)載向下、輕負(fù)載向上及減速時(shí)曳引電機(jī)所產(chǎn)生的電能，通過(guò)雙向DC/DC 儲(chǔ)存于超級(jí)電容器組中，而在電梯的加速段、重負(fù)載向上及輕負(fù)載向下時(shí)(實(shí)際耗能過(guò)程)將超級(jí)電容器所儲(chǔ)存的電能，再通過(guò)DC/DC 返回至變頻器，優(yōu)先使用，從而達(dá)到節(jié)能的目的。具體原理如圖2所示。

超級(jí)電容節(jié)能電梯除節(jié)能外，還充分利用了超級(jí)電容器的特性，將超級(jí)電容器高電壓段用作電能的回收和再利用，而將低電壓段用作后備電源，在發(fā)生停電或故障時(shí)，可以維持電梯的照明、通風(fēng)和通訊，并實(shí)現(xiàn)電梯平層放出被困人員，從而大大提高電梯的安全性。

圖2 超級(jí)電容節(jié)能電梯原理圖

1.4 超級(jí)電容節(jié)能電梯特點(diǎn)

本課題組自2009年開(kāi)始從事超級(jí)電容節(jié)能電梯的技術(shù)開(kāi)發(fā)，目前已成功研制出多代產(chǎn)品，可靈活應(yīng)用于新電梯和舊電梯改造，已通過(guò)了權(quán)威部門(mén)檢測(cè)和型式實(shí)驗(yàn)，目前已進(jìn)入批量應(yīng)用階段。

經(jīng)檢測(cè)，超級(jí)電容節(jié)能電梯在各自行走一個(gè)周期的模擬工況下綜合節(jié)電率為24.77%(最高可達(dá)33%)。由于超級(jí)電容的蓄能作用，其啟動(dòng)電流在最大的負(fù)載條件下比未安裝超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)的小14.9%，工作電流小22.2%，因此，可以減少供電設(shè)備容量20%以上。電梯安裝超級(jí)電容節(jié)能系統(tǒng)裝置后的電能質(zhì)量測(cè)試，其電流諧波畸變率與未安裝系統(tǒng)前相同。經(jīng)鑒定，其節(jié)能技術(shù)處于國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

超級(jí)電容節(jié)能電梯主要的特點(diǎn)包括：自主技術(shù)創(chuàng)新，握有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；節(jié)能效果非常顯著；回收的電能直接用于電梯驅(qū)動(dòng)，避免了污染電網(wǎng)和電磁干擾；不影響電梯正常使用；電梯用戶直接受益，成本與3～5年節(jié)約的電費(fèi)相當(dāng)；大幅度提高電梯運(yùn)行的安全性；一體化和模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用靈活等，其市場(chǎng)前景非常廣闊。超級(jí)電容器電源系統(tǒng)接入電梯控制裝置的原理圖如圖3所示。

圖3 超級(jí)電容器電源系統(tǒng)接入電梯控制裝置的原理示意圖

2 國(guó)家會(huì)展中心應(yīng)用超級(jí)電容節(jié)能電梯

2.1 國(guó)家會(huì)展中心節(jié)能電梯超級(jí)電容系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本課題組與國(guó)家會(huì)展中心電梯中標(biāo)單位上海三菱電梯有限公司密切合作，針對(duì)國(guó)家會(huì)展中心電梯規(guī)格型號(hào)、分布、客流等情況，確定了具有代表性的50 余臺(tái)電梯采用超級(jí)電容節(jié)能電梯技術(shù)，進(jìn)行了超級(jí)電容器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

考慮到電梯的實(shí)際情況，兼顧未來(lái)的市場(chǎng)推廣，因此采用了MUCR48V196 模塊作為標(biāo)準(zhǔn)模塊，根據(jù)電梯的實(shí)際狀況每臺(tái)電梯配置2～4個(gè)模塊。MUCR48V196 模塊具有充放電電流大、內(nèi)阻小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、設(shè)計(jì)可靠等優(yōu)點(diǎn)(基本性能參數(shù)見(jiàn)表1，外形如圖4)，非常適合應(yīng)用于電梯節(jié)能。

表1 MUCR48 V 196 超級(jí)電容器模塊性能參數(shù)

圖4 MUCR48 V 196模塊外形圖

由于電梯使用非常頻繁，普通的均衡系統(tǒng)難以保證模塊的電壓均一性，本課題組針對(duì)超級(jí)電容器的大功率充放電特性和電梯實(shí)際使用工況，設(shè)計(jì)采用了專用均衡系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在超級(jí)電容器頻繁充放電的條件下，保證模塊內(nèi)電壓差＜20 mV，同時(shí)還可采集超級(jí)電容器模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)符合SAEJ1939 協(xié)議的CAN 總線與主機(jī)系統(tǒng)連接，輸出電壓、電流和溫度信號(hào)，以及故障報(bào)警信號(hào)等。經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)證明該均衡系統(tǒng)具有良好的性能和可靠性，滿足節(jié)能電梯使用要求。

2.2 國(guó)家會(huì)展中心超級(jí)電容節(jié)能電梯效果

(1)節(jié)能。超級(jí)電容節(jié)能電梯是擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新成果，不僅避免了污染電網(wǎng)和諧波干擾，還能節(jié)省電費(fèi)，僅需3～5年時(shí)間即可收回成本。經(jīng)過(guò)權(quán)威部門(mén)檢測(cè)，超級(jí)電容節(jié)能電梯在模擬工況下綜合節(jié)電率為25%，最高可達(dá)33%以上。50 多臺(tái)電梯通過(guò)采用超級(jí)電容和回饋系統(tǒng)結(jié)合的方式，年節(jié)電約60 萬(wàn)度。更重要的是，超級(jí)電容節(jié)能電梯將納入國(guó)家會(huì)展中心能源智能化管理系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理，進(jìn)一步提高能源智能化管理系統(tǒng)功能，為建設(shè)智能化的綠色國(guó)家會(huì)展中心服務(wù)。

(2)安全。國(guó)家會(huì)展中心將主要承接大型展會(huì)，社會(huì)影響巨大，確保參觀者的安全是第一位的。超級(jí)電容節(jié)能電梯具備后備電源功能，在停電和電梯故障時(shí)，維持電梯的照明、通風(fēng)和通訊，并實(shí)現(xiàn)電梯平層放人，對(duì)于確保公共安全具有重要的意義。普通的超級(jí)電容僅僅是“儲(chǔ)能器件”，若斷開(kāi)電梯供電電源，正在運(yùn)行的電梯必然急停，會(huì)給乘客帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)；而安全電梯通過(guò)超級(jí)電容與電梯控制結(jié)合，釋放超級(jí)電容的儲(chǔ)能，研發(fā)電源拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)“停電不急?！钡陌踩δ?。在停電的緊急狀態(tài)下，電梯能夠在最近層?？?、平層放人，在最惡劣情況下仍可保證運(yùn)行15 米以上，一般情況下還可以持續(xù)服務(wù)一段有限時(shí)間。安全電梯在場(chǎng)館突發(fā)停電情況下，除了能照常運(yùn)行外，緩解了市政大面積停電造成的援救難度，還能維持電梯內(nèi)的照明、通風(fēng)和通訊，給乘客提供最大的安全感。

3 結(jié)論

國(guó)家會(huì)展中心利用電梯節(jié)能技術(shù)的最新成果，批量采用了超級(jí)電容節(jié)能電梯系統(tǒng)，成為世界上集中使用超級(jí)電容節(jié)能電梯數(shù)量最多的建筑，在大幅節(jié)約電能的同時(shí)還提高了電梯運(yùn)行的安全性，社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著，開(kāi)創(chuàng)了大型公共建筑節(jié)能的新典范，具有重要的引領(lǐng)和示范作用。此外通過(guò)使用超級(jí)電容節(jié)能電梯，還可提高微電網(wǎng)供電質(zhì)量，減少設(shè)備的裝機(jī)容量等[1-3]。

[1]CONWAY B E.Electrochemical Supercapacitor Scientific Fundamentals and Technological Applications[M].US：Plenum Publishing Co.,1999.

[2]高文偉.中國(guó)2010年上海世博會(huì)世博中心綠色實(shí)踐[J].綠色建筑，2010(1)：52-59.

[3]BURKE A.Ultracapacitors：why,how,and where is the technology[J].Journal of Power Sources,2000(11)：37-50.