城市軌道交通列車(chē)儲(chǔ)能技術(shù)研究

李鵬

摘 要 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)各個(gè)主要城市都在大力推行城市軌道交通建設(shè)。城市軌道交通大大方便居民的出行，縮短居民的出行時(shí)間，緩解城市的擁堵，達(dá)到節(jié)能減排的效果。與普通鐵路相比較，城市軌道交通列車(chē)兩站點(diǎn)之間的距離短，需要停靠的次數(shù)頻繁，在列車(chē)進(jìn)站停車(chē)時(shí)大量的動(dòng)能會(huì)被浪費(fèi)掉，出站啟動(dòng)的時(shí)又需要消耗電能來(lái)啟動(dòng)列車(chē)。如何將制動(dòng)產(chǎn)生的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)再重新利用，達(dá)到節(jié)能減排的目的成為焦點(diǎn)問(wèn)題。本研究主要是討論目前技術(shù)下各個(gè)儲(chǔ)能方案的優(yōu)缺點(diǎn)，來(lái)為后續(xù)的研究工作提供理論支撐。

關(guān)鍵詞 城市軌道;列車(chē);儲(chǔ)能

1飛輪儲(chǔ)能

1.1 飛輪儲(chǔ)能

飛輪，也成為飛輪蓄電池，主要部件一共包括：軸承、真空罩、電機(jī)、飛輪（儲(chǔ)能部分）、電力電子變換裝置等五個(gè)主要部分[1]。分為三個(gè)工作模式：

（1）充電模式：此模式是在列車(chē)進(jìn)站減速時(shí)，將能量?jī)?chǔ)存到飛輪當(dāng)中。

（2）保持模式：此模式是飛輪儲(chǔ)能狀態(tài)，既不充電，也不放電。

（3）放電模式：此模式應(yīng)用于列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，飛輪放電，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，聯(lián)合接觸網(wǎng)一起向列車(chē)供電。

飛輪儲(chǔ)能的原理是將能量?jī)?chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪當(dāng)中，將列車(chē)釋放的能量轉(zhuǎn)換成動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)。城軌列車(chē)進(jìn)站減速時(shí)，會(huì)釋放大量的動(dòng)能，將釋放的動(dòng)能通過(guò)電力電子裝置轉(zhuǎn)等一系列的轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，完成動(dòng)能-電能-動(dòng)能的轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存過(guò)程。在此過(guò)程當(dāng)中，飛輪轉(zhuǎn)速的大小和列車(chē)停車(chē)釋放的能量成正比例關(guān)系。

1.2 飛輪儲(chǔ)能的發(fā)展?fàn)顩r

目前，國(guó)外的技術(shù)研究已經(jīng)非常成熟，已有正式的產(chǎn)品投入到市場(chǎng)中并且被與運(yùn)用起來(lái)，在國(guó)內(nèi)，相應(yīng)的成品也已經(jīng)被科研工作者研發(fā)出來(lái)，但是，由于國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能電池的研發(fā)相比于國(guó)外的起步較晚，很多原創(chuàng)性的技術(shù)專(zhuān)利都不在我國(guó)，因此缺乏必要的科研經(jīng)費(fèi)支持。飛輪儲(chǔ)能具有體積小、質(zhì)量輕、充電速度快，尤其是對(duì)環(huán)境無(wú)污染的特點(diǎn)，備受市場(chǎng)青睞[2]。但是飛輪儲(chǔ)能也具有其不足之處，主要表現(xiàn)在：能量密度不夠高，并且還具有自行放電的特點(diǎn)，如果想保持一個(gè)高的轉(zhuǎn)速，需要持續(xù)供電，一旦停止充電，能量在幾到十個(gè)小時(shí)內(nèi)就會(huì)被耗盡。列車(chē)進(jìn)站和出站時(shí)間較短，采用飛輪儲(chǔ)能，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度可以在短時(shí)間急劇提高和降低，故飛輪儲(chǔ)能在城軌列車(chē)儲(chǔ)能中的應(yīng)用在理論上具有可行性。

2蓄電池儲(chǔ)能

2.1 蓄電池儲(chǔ)能原理

目前，商業(yè)應(yīng)用最多的是鉛酸蓄電池，故以鉛酸蓄電池為例來(lái)進(jìn)行分析，電池總反應(yīng)：

充電時(shí)將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能貯存起來(lái)，放電時(shí)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能釋放出來(lái)。放電時(shí)正負(fù)極極活性物質(zhì)變成硫酸鉛（PbSO4），使電池內(nèi)硫酸（H2SO4）含量減少;充電時(shí)正負(fù)極極又分別轉(zhuǎn)化成二氧化鉛（PbO2）和海綿狀含層鉛（pb），釋放出硫酸（H2SO4）使電池內(nèi)硫酸含量增加。

蓄電池儲(chǔ)能已經(jīng)被應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)方面，和我們的生活息息相關(guān)，其技術(shù)最為完善，相比較于飛輪儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，具有非常低的自放電特點(diǎn)，充滿(mǎn)電后能量不容易被耗盡。其工作原理就是將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)起來(lái)，使用時(shí)再通過(guò)化學(xué)能轉(zhuǎn)換成為電能，通過(guò)電能-化學(xué)能-電能過(guò)程，完成電能的儲(chǔ)存和釋放。常見(jiàn)的蓄電池有：鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰蓄電池等。其中，鉛酸蓄電池廣泛被應(yīng)用于城市軌道交通等諸多科技領(lǐng)域，目前我國(guó)的蓄電池技術(shù)研究已經(jīng)走在世界的前列。由于列車(chē)進(jìn)站和出站時(shí)間較短，采用蓄電池儲(chǔ)能，勢(shì)必會(huì)縮短蓄電池的充放電時(shí)間，采用大電流充放電，對(duì)蓄電池裝置的使用壽命產(chǎn)生影響。

2.2 蓄電池儲(chǔ)能發(fā)展?fàn)顩r

目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外對(duì)蓄電池的研究與應(yīng)用都已經(jīng)非常成熟，從公共汽車(chē)到城市軌道交通，都可以看到蓄電池的身影。與飛輪儲(chǔ)能相比較，無(wú)論在技術(shù)還是在商用價(jià)格上相比較，都要優(yōu)于飛輪儲(chǔ)能。但是蓄電池儲(chǔ)能也具有其不足之處，主要表現(xiàn)在：一是能量比低，導(dǎo)致了儲(chǔ)存同樣的能量，蓄電池的體積和質(zhì)量太大，另外充電時(shí)間太長(zhǎng)，相比于飛輪儲(chǔ)能，蓄電池的充電時(shí)間大大超過(guò)飛輪儲(chǔ)能，雖然增大充電電流會(huì)減少蓄電池的充電時(shí)間，但是，長(zhǎng)時(shí)間對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流充電會(huì)對(duì)蓄電池本身的結(jié)構(gòu)造成不可逆的破壞，縮短其使用壽命，另外蓄電池在生產(chǎn)和回收再利用的過(guò)程當(dāng)中，也會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)污染[3]。隨著我們國(guó)家對(duì)環(huán)境越來(lái)越重視，蓄電池的生產(chǎn)和回收問(wèn)題也愈發(fā)變成一個(gè)棘手的問(wèn)題，這就在一定程度上限制了蓄電池的生產(chǎn)和利用。

3超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容是從20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)一種新型電化學(xué)元件，又稱(chēng)為法拉電容、黃金電容或者雙電層電容器。與蓄電池儲(chǔ)能不同的地方在于，超級(jí)電容在重放電的過(guò)程當(dāng)中，其內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)變化，理論上來(lái)其使用壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池。

3.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能原理

與傳統(tǒng)的電容結(jié)構(gòu)相類(lèi)似，超級(jí)電容也是由正極、負(fù)極和電解液三部分組成。不同的地方在于，超級(jí)電容的正負(fù)極是由活性炭作為電極材料，活性炭是具有高比表面積的物質(zhì)，由于表面積增加，故超級(jí)電容的整體儲(chǔ)能容量也大大增加，可以達(dá)到法拉級(jí)單位，單體容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通電容。在充電時(shí)，電荷的定向移動(dòng)使超級(jí)電容形成了雙層電容，達(dá)到能量的儲(chǔ)存效果，在儲(chǔ)能的過(guò)程當(dāng)中，電解液始終呈現(xiàn)中性[4]。當(dāng)外部電源斷開(kāi)后由于空氣近似于絕緣體，雙層電荷幾乎不通過(guò)空氣進(jìn)行放電，在自放電方面，超級(jí)電容的自放電效果要優(yōu)于蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。

3.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能特點(diǎn)

在超級(jí)電容的研究方面，美國(guó)和日本處于領(lǐng)先地位，我國(guó)的超級(jí)電容應(yīng)用于研究暫時(shí)還落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。由于電荷的移動(dòng)是一種快速的物理過(guò)程，所以超級(jí)電容具有高功率、高循環(huán)壽命、長(zhǎng)貯藏壽命等特點(diǎn)。在充放電和能量比方面與蓄電池儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能相比，超級(jí)電容具有非常強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，因此，具有非常廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。超級(jí)電容具有大電流的充放電特性，理論上來(lái)說(shuō)，適合城軌列車(chē)儲(chǔ)能應(yīng)用。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析可以得出，和飛輪儲(chǔ)能和蓄電池儲(chǔ)能相比較，超級(jí)電容在功率密度和壽命方面具有非常高的優(yōu)勢(shì)，但是在能量密度方面則處于這三種儲(chǔ)能方式當(dāng)中具有最小值;飛輪儲(chǔ)能具有非常高的功率密度，適合快速的儲(chǔ)存和釋放能量，但是轉(zhuǎn)換效率卻比較低;蓄電池各方面的指標(biāo)處于三者之間，但是功率密度和使用壽命制約著蓄電池的發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 張維煜，朱熀秋.飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，（7）：145-150.

[2] 張建成.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其運(yùn)行控制技術(shù)研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2001.

[3] 張商州.蓄電池儲(chǔ)能效率的測(cè)試與分析[D].西安：陜西科技大學(xué)，2014.

[4] 趙秀雅，王培紅.超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)在可再生能源發(fā)電中的應(yīng)用[C].第八屆長(zhǎng)三角能源論壇.第八屆長(zhǎng)三角能源論壇--新形勢(shì)下長(zhǎng)三角能源面臨的新挑戰(zhàn)和新對(duì)策論文集.上海：上海市科協(xié)，上海市能源學(xué)會(huì)，2012：168-171.