城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的原理分析與綠色設(shè)計研究

王紹洪

昆明地鐵運營有限公司 云南昆明 650000

1 綠色設(shè)計的定義

綠色設(shè)計是由綠色產(chǎn)品的誕生而發(fā)展起來的一種設(shè)計方法，是以“3R”，即Reduce（減少）、Recycle（回收）、Reuse（重復(fù)使用）為核心概念，以節(jié)約資源、保護環(huán)境為宗旨的設(shè)計方法和過程[1]。

綠色設(shè)計在綠色產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品應(yīng)符合節(jié)約自然資源、減少環(huán)境影響的要求，并將可拆卸性、可回收性、可重復(fù)利用性等要素融入到產(chǎn)品設(shè)計的各個環(huán)節(jié)中去。同時還要將產(chǎn)品的基本技術(shù)屬性和環(huán)境資源屬性緊密結(jié)合在一起，在進行設(shè)計決策時，除滿足產(chǎn)品本身的物理目標外，還必須滿足環(huán)境目標，以達到真正綠色設(shè)計的要求。

2 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的綠色設(shè)計研究

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化進程在不斷加快及工業(yè)化的不斷深入，人口的劇增和資源的消耗，給交通造成擁堵問題的同時，隨之引起資源枯竭、環(huán)境惡化，廢氣、噪聲、粉塵等污染問題極為嚴重，使生態(tài)環(huán)境遭到了前所未有的破壞。日益嚴重的交通擁堵問題和環(huán)境污染問題，不僅制約了我國城市的可持續(xù)發(fā)展，而且還威脅著人類的健康和生存。社會進步、經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的關(guān)系是彼此依托、互相推動的。一個企業(yè)，為了促進社會的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，以及出于我們?nèi)祟愖陨斫】祮栴}和生存問題的著想，應(yīng)該提高環(huán)保意識，探索符合環(huán)保要求的節(jié)能、降耗、少污染的綠色產(chǎn)品的設(shè)計與制造模式，以適應(yīng)社會發(fā)展的要求是相當有必要的。

處于快速發(fā)展并作為城市公共交通骨干交通工具的城市軌道交通，要實現(xiàn)的是運量大、安全、快捷、準點、經(jīng)濟、環(huán)保等作用。針對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)存在的不足，必須把綠色設(shè)計研究應(yīng)用其中，在制動系統(tǒng)的使用全過程中，從符合節(jié)能環(huán)保、可拆卸性、可回收性、可重復(fù)利用性等方面考慮。把制動系統(tǒng)的基本屬性和環(huán)境屬性緊密結(jié)合在一起，在進行設(shè)計決策時，除滿足產(chǎn)品本身的物理目標外，還應(yīng)滿足環(huán)境目標，以達到綠色設(shè)計的要求。最終讓城市軌道交通真正成為人們“節(jié)能減排、綠色出行”的綠色公共交通工具，并作為帶動城市發(fā)展的綠色發(fā)展之路。

3 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)的綠色設(shè)計

3.1 電池儲能

由于化學(xué)電池儲能的充放電循環(huán)壽命有限，在城市軌道交通頻繁啟動、制動的場合，基于電池的儲能系統(tǒng)的使用壽命不夠長，大容量儲能還會引起電池質(zhì)量增加，導(dǎo)致車輛自重增加，另外大量使用電池會對環(huán)境造成嚴重污染，因此電池儲能的使用受到很多限制[2]。

3.2 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)依靠飛輪的動能來儲存能量，在儲存能量時，飛輪的速度得到增加，而釋放能量時，飛輪的速度被減少。與電池儲能相比，飛輪儲能器使用壽命長，設(shè)計使用周期在20年以上，并且使用期間免維護，可以快速深度放電和充電。但是飛輪工作時損耗相對較大，能量不能長時間儲存，因此與電池儲能相比，飛輪儲能更適合在短時間大功率場合使用。

3.3 超導(dǎo)儲能

超導(dǎo)磁儲能采用超導(dǎo)材料制成線圈，利用其低損耗儲存磁場能量，通過電力電子變流器與電力系統(tǒng)連接，構(gòu)成既能快速儲存能量，也能快速釋放能量的快速響應(yīng)器件，從而達到大容量儲存電能、改善供電質(zhì)量、提供系統(tǒng)穩(wěn)定性等目的。與其它儲能系統(tǒng)相比，可長期無損耗儲存能量，其儲存和釋放過程中效率可達95%以上。另外，超導(dǎo)儲能裝置調(diào)節(jié)容易，維護方便，并且無污染，是比較理想的儲能裝置，最適合短時大功率場合應(yīng)用。但是，超導(dǎo)儲能裝置的單位體積儲存的能量與飛輪儲能和電池儲能相比要低，因此通常與電池儲能配合使用。在城市軌道交通系統(tǒng)中，若只考慮吸收再生制動能量而不考慮提供能量備份，則對功率密度的要求要高于能量密度，采用超導(dǎo)儲能夠吸收再生制動能量，動態(tài)速度快，可最大程度減小直流電壓脈動，而且體積重量相對要小。

3.4 超級電容儲能

為了使再生制動實現(xiàn)最大限度的能量回收利用，并對環(huán)境不構(gòu)成影響，能量的儲存以及儲存方式的選擇是特別關(guān)鍵的，應(yīng)綜合考慮，根據(jù)實際需求選擇合理的儲存方式。然后把能饋與儲能結(jié)合起來構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)，在車輛啟動時，供電變流器輸出主要供電功率，儲能系統(tǒng)釋放能量，為下一次制動時吸收能量做準備；在車輛制動時，可以使大部分能量通過可逆牽引變流器回饋電網(wǎng)，而儲能系統(tǒng)只用來吸收多余的少部分制動能量，因此可逆牽引變流器可以按最大整流功率設(shè)計而不按最大能饋功率設(shè)計，降低了牽引供電變流器的配置容量，從而提高變流器的容量利用率。由于儲能系統(tǒng)的參與，可以減小回饋的再生制動能量對電網(wǎng)的沖擊，改善入網(wǎng)電能質(zhì)量。另外由于儲能系統(tǒng)只是用來吸收少部分能量，因此體積和成本都可大大降低[3]。

4 結(jié)語

為適應(yīng)社會發(fā)展的需求，我國城市軌道交通制動系統(tǒng)的技術(shù)在不斷的發(fā)展，技術(shù)逐漸趨向成熟，制動系統(tǒng)的性能不斷得到完善，但有些地方還需要改進。因此，將綠色設(shè)計應(yīng)用于城市軌道交通車輛的制動系統(tǒng)，得不到足夠的重視，也沒有形成一定研究理論體系。無論是在技術(shù)上還是相關(guān)理論的研究上，與國外發(fā)達的國家相比，更是相差甚遠。但是針對城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)綠色設(shè)計研究存在的問題，給我們帶來不僅是嚴峻的挑戰(zhàn)，同樣也是一種發(fā)展機遇。