采用超級(jí)電容作為主動(dòng)力，融合了無電網(wǎng)運(yùn)行、制動(dòng)即充電等多種創(chuàng)新成果的儲(chǔ)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(yùn)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(jī)車有限公司（下稱南車株機(jī)）成功簽約。
“儲(chǔ)能式輕軌”在如此短的時(shí)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(bào)》記者近日前往株洲，專訪了該型車的總設(shè)計(jì)師、南車株機(jī)專家委員會(huì)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(yùn)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(dòng)軌道交通發(fā)展的空間，絕不是無限的，而應(yīng)有一個(gè)最佳值。
眾所周知，鐵路是耗能大戶，高速時(shí)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(yùn)行總電費(fèi)高達(dá)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(yùn)行過程中，有大量的能量被完全浪費(fèi)。任何一輛列車在減速停車時(shí)，都有大量的動(dòng)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(rèn)為，現(xiàn)代軌道交通借助于高速和重載技術(shù)的進(jìn)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(jī)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(chǔ)能式輕軌正是在這樣的理念下應(yīng)運(yùn)而生。“我們研發(fā)儲(chǔ)能式軌道交通的目的，就是力爭實(shí)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(jìn)化論”。在他看來，技術(shù)進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力，首先來自于自然和社會(huì)的需求，其次得有相應(yīng)的技術(shù)條件和平臺(tái)。而儲(chǔ)能器件的發(fā)展，正為新一輪的技術(shù)進(jìn)化創(chuàng)造了條件。
列車儲(chǔ)能技術(shù)“進(jìn)化論”
“儲(chǔ)能式輕軌”這個(gè)詞是劉友梅發(fā)明的。之所以叫“儲(chǔ)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(chǔ)于列車自身。
劉友梅介紹，已有的儲(chǔ)能技術(shù)有三種：一種是以飛輪為主的機(jī)械儲(chǔ)能；一種是以蓄電池為主的化學(xué)儲(chǔ)能；另一種則是以超級(jí)電容為代表的物理儲(chǔ)能。
實(shí)際上，儲(chǔ)能技術(shù)及其代表的綠色理念運(yùn)用于軌道交通并非自超級(jí)電容始。“從蒸汽牽引、內(nèi)燃牽引，到電力牽引，由于避免了對(duì)一次能源的直接消耗，可稱作第一次進(jìn)化。從機(jī)械制動(dòng)到電氣制動(dòng)，則是第二次進(jìn)化。”劉友梅說。
在電力牽引時(shí)代，盡管能源已經(jīng)可以二次使用，但采用傳統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)方式并不能減少能量的浪費(fèi)。電氣制動(dòng)在一定程度上解決了這個(gè)問題：利用電力牽引的優(yōu)勢，將制動(dòng)時(shí)消耗的動(dòng)能用來發(fā)電，送到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)。盡管如此，仍然存在大量的能量消耗。
“對(duì)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(dòng)時(shí)回收的電能只能在回收瞬間進(jìn)行利用，無法真正儲(chǔ)存，還是得利用機(jī)械制動(dòng)作補(bǔ)充，“60%左右的制動(dòng)動(dòng)能被白白浪費(fèi)掉了”。
至于化學(xué)儲(chǔ)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(dòng)時(shí)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(jí)電容儲(chǔ)能器件的問世為儲(chǔ)能技術(shù)的第三次進(jìn)化帶來了曙光，其最大的特點(diǎn)是功率密度大，充放電不是按分鐘計(jì)，而是按秒計(jì)，甚至可以吸收毫秒級(jí)的瞬間能量。
“過去提高能量回收效率，能提高一兩個(gè)百分點(diǎn)已很不容易?，F(xiàn)在不只是一兩個(gè)百分點(diǎn)的問題了。根據(jù)我們目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，已經(jīng)可以收回85%以上的動(dòng)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(jí)電容這種新儲(chǔ)能器件的出現(xiàn)，現(xiàn)在才有條件開創(chuàng)儲(chǔ)能式輕軌這種全新的交通方式。
將超級(jí)電容運(yùn)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(shí)，這位外籍專家正向中方介紹超級(jí)電容儲(chǔ)能在港口起重機(jī)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(shí)消耗的勢能可以轉(zhuǎn)存儲(chǔ)化，列車制動(dòng)時(shí)消耗的動(dòng)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(jí)電容儲(chǔ)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(jìn)行能量補(bǔ)給。比如遇到?jīng)_鋒時(shí)，光靠柴油機(jī)的功率遠(yuǎn)不夠供應(yīng)突發(fā)式前進(jìn)的能量，但如果將超級(jí)電容日常儲(chǔ)備的能量加上，坦克就能在沖鋒瞬間蹭地一下沖上去。
超級(jí)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(jìn)站停靠時(shí)的30秒鐘內(nèi)充完電，制動(dòng)時(shí)的充電速度更可達(dá)毫秒級(jí)在南車株機(jī)2012年8月研制出的原型車上，這一要求已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。
不過，劉友梅并不認(rèn)為儲(chǔ)能技術(shù)可以擴(kuò)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(chǔ)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(yùn)量的鐵路干線上也不現(xiàn)實(shí)。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(rèn)為，這種有站點(diǎn)、有規(guī)律、站間距不太遠(yuǎn)的城際輕軌，是目前最適宜儲(chǔ)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(dòng)脈的同時(shí)，如何解決各區(qū)域城市圈的交通難題？儲(chǔ)能式輕軌可謂正當(dāng)其時(shí)。
“我相信，儲(chǔ)能技術(shù)還會(huì)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(chǔ)能式軌道交通在未來的應(yīng)用領(lǐng)域也許有可能進(jìn)一步擴(kuò)大，但“綠色”的理念和趨勢是不會(huì)變的。
“儲(chǔ)能技術(shù)演化的根本目標(biāo)，一定是促進(jìn)能量的循環(huán)和高效利用。”他再次強(qiáng)調(diào)。
