儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用前景分析

摘 要 針對(duì)當(dāng)前軌道交通面臨的節(jié)能重大課題，本文介紹了一種適應(yīng)于中小運(yùn)量的低成本、高效、綠色、智能的新型儲(chǔ)能式輕軌交通模式，并闡述了該系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)及核心技術(shù)。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面分析，探討儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 儲(chǔ)能式 軌道交通 高效 能耗

中圖分類號(hào)：U29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 應(yīng)用背景

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市規(guī)模迅速擴(kuò)張，城市交通擁堵成為制約城市發(fā)展的突出問題。軌道交通由于具備能耗低、污染小、時(shí)刻準(zhǔn)、速度快等諸多特點(diǎn)，已成為解決城市交通擁擠最有效的方式。

與傳統(tǒng)有軌電車相比，儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，能夠無接觸網(wǎng)運(yùn)行。以超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件的目的是實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和循環(huán)利用，在車輛制動(dòng)時(shí)可以將80%以上的制動(dòng)能量即時(shí)回收，達(dá)到綠色節(jié)能的雙重目標(biāo)。另外，地鐵因其造價(jià)高昂，需要有雄厚的財(cái)政實(shí)力做支撐，基本局限在省會(huì)城市。相比而言，儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)更適合在全國中小城市范圍內(nèi)推廣，具有更廣闊的產(chǎn)業(yè)空間。

2 儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)功能定位

按照我國城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建標(biāo)104-2008》①規(guī)定，每小時(shí)單向客流量在1～3萬人次為中運(yùn)量，適用于城市城區(qū)人口規(guī)模不低于150萬人；3萬人次以上為大運(yùn)量，適用于城市城區(qū)人口規(guī)模不低于300萬人。目前，中小運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)一般采用輕軌車輛或有軌電車。隨著超級(jí)電容技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，超級(jí)電容在城市軌道交通中的應(yīng)用越趨成熟，儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)已成為城市軌道交通未來發(fā)展的一種趨勢。它適用于中心城市中小運(yùn)量輕軌交通；可實(shí)現(xiàn)全線無供電網(wǎng)高效運(yùn)行；可實(shí)現(xiàn)能量高效、循環(huán)利用；全面改善城市景觀與交通安全。

3 儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)的特點(diǎn)和核心技術(shù)

3.1 儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)三大特點(diǎn)

3.1.1 最高效的能源利用

3.2 儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)五大核心技術(shù)

3.2.1 大容量、高比功率、高比能量超級(jí)電容器件

超級(jí)電容是與電解電容相似的電物理過程，沒有化學(xué)反應(yīng)過程，不會(huì)像電池那樣內(nèi)部產(chǎn)生氣體，更安全可靠；功率容量為電池容量的20倍，并比蓄電池具有更高的功率密度（可達(dá)18KW/kg數(shù)量級(jí)）。

3.2.3高效、低噪永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)

永磁同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以大大提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都可以保持較高的效率和功率因數(shù)。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，相比異步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率提高3～5個(gè)百分點(diǎn)，④實(shí)際使用工況下可節(jié)能10%以上。未來如采用直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)技術(shù)，可進(jìn)一步提高傳動(dòng)效率2～3個(gè)百分點(diǎn)，并能顯著降低車輛重量和減少機(jī)械維護(hù)成本，同時(shí)提高減振降噪性能。

3.2.4 機(jī)、電、磁軌式智能控制復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)

（1）常用制動(dòng)。采用電制動(dòng)優(yōu)先、電制動(dòng)不足時(shí)由機(jī)械制動(dòng)補(bǔ)足的智能控制的混合制動(dòng)方式。

（2）速度低于5km/h時(shí)，平穩(wěn)的施加機(jī)械制動(dòng)取代電制動(dòng)。

3.2.5 基于能量最優(yōu)運(yùn)營模式的自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析

4.1 初步經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1.1 建設(shè)成本低

由于取消了接觸網(wǎng)或第三軌的供電線路，且無需考慮鋼軌雜散回流電流的處理措施，可大大降低線路和供電系統(tǒng)的初期投資。目前國內(nèi)地鐵架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的初期建設(shè)成本大約在3 850萬/公里⑤以上，儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)的成本，根據(jù)列車編組的不同大約在600～1000萬元/公里之間，每公里初略測算至少可降低3 000萬元以上。線路允許彎道較?。?0 m<地鐵250 m），設(shè)計(jì)選線容易、拆遷工作量小，因此無論是地面還是高架的土建投資都會(huì)顯著降低，每公里估算可望降低數(shù)千萬元。

4.1.2 維護(hù)成本低

無論采用接觸網(wǎng)還是接觸軌，由于接觸線/接觸軌存在磨耗，每列車按2個(gè)受電弓核算30年壽命周期內(nèi)需要更換數(shù)十萬元的滑板；每列車按20個(gè)三軌受流器核算30年壽命周期內(nèi)需要更換上百萬元的滑塊。同時(shí)，還需要定期維護(hù)受電弓和三軌受流器，對(duì)供電網(wǎng)實(shí)施定期維護(hù)、調(diào)整和保養(yǎng)。而儲(chǔ)能式輕軌供電系統(tǒng)由于車輛進(jìn)站停車時(shí)受電，基本無集電器電磨耗和機(jī)械磨耗，理論上可以做到全壽命周期免維護(hù)。

4.1.3 運(yùn)營成本低

儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車是以儲(chǔ)能電源為主動(dòng)力源，并設(shè)計(jì)有制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，采用“制動(dòng)即充電”模式，使得車輛一次能夠回收80%以上的制動(dòng)減速能量，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用和高效利用，節(jié)能效果非常明顯。與既有城軌車輛相比，牽引能耗有望降低30%左右。

4.2 初步社會(huì)效益分析

4.2.1 完善我國城市軌道交通運(yùn)輸方式

傳統(tǒng)的輪軌交通運(yùn)量大、速度快，已經(jīng)成為城市公共軌道交通的主要模式。但在環(huán)境要求高的地方，需建設(shè)隔音墻降低對(duì)周邊居民的噪音，使傳統(tǒng)輪軌交通方式受到一定限制。

儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車采用彈性輪，有效降低車輛運(yùn)行的噪音。可作為獨(dú)立交通系統(tǒng)，適用于中小客流城市和城郊的大眾交通線、大城市中心城區(qū)對(duì)噪音和選線具有特殊要求的交通線以及風(fēng)景名勝區(qū)的旅游交通線。

4.2.2 提升我國在國際合作計(jì)劃項(xiàng)目中的競爭力

近年，我國軌道交通的建設(shè)，用短短數(shù)年的時(shí)間，走過了發(fā)達(dá)國家?guī)资甑牡缆?，形成了巨大的影響（下轉(zhuǎn)第204頁）（上接第179頁）力。同樣，我國軌道交通裝備制造業(yè)也得到了世界認(rèn)可。

儲(chǔ)能現(xiàn)代有軌電車技術(shù)建立在已有軌道交通裝備基礎(chǔ)上并加入個(gè)性專有化技術(shù)，因此，若在其個(gè)性專有化技術(shù)上取得完全突破，無疑可提升我國在該行業(yè)的整體實(shí)力，進(jìn)一步增強(qiáng)國際影響。

4.2.3 促進(jìn)我國節(jié)能減排及和諧社會(huì)的建設(shè)

與傳統(tǒng)軌道交通方式不同，儲(chǔ)能現(xiàn)代有軌電車具有環(huán)境友好、適用性強(qiáng)、安全可靠、可維護(hù)性和可用性高、成本低等優(yōu)勢。因此，儲(chǔ)能現(xiàn)代有軌電車對(duì)促進(jìn)我國節(jié)能減排及和諧社會(huì)的建設(shè)具有非凡意義。

綜上所述，由于儲(chǔ)能式輕軌交通系統(tǒng)投資成本較低，初步測算每公里僅為1～2億元，建設(shè)周期短（2～3年），環(huán)境友好，運(yùn)營成本低，較適合中小運(yùn)量的城市和郊區(qū)運(yùn)營。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，我國人口在100～300萬之間的中小城市近百個(gè)，推廣應(yīng)用前景將非常廣泛，將成為建設(shè)兩型社會(huì)的主流交通模式之一。

注釋

① 沈景炎，秦國棟等.建標(biāo)104-2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

② 楊穎，陳中杰.儲(chǔ)能式電力牽引輕軌交通的研發(fā)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2012（5）.

③ 桂長清.新型貯能元件超級(jí)電容器[J].船電技術(shù)，2003（1）.

④ 馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)的發(fā)展概況及應(yīng)用挑戰(zhàn)[J].大功率變流技術(shù)，2012（3）.

⑤ 陳進(jìn)杰，陳鋒等.城市軌道交通全壽命周期成本分析[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010（2）.