飛輪儲能軌道交通系統(tǒng)技術(shù)融合發(fā)展現(xiàn)狀

文 / 鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 孟朧

飛輪儲能技術(shù)原理與其他儲能裝置對比

飛輪儲能分為飛輪裝置和儲能設(shè)備兩部分，由飛輪、真空室、安全防護外殼、機械輔助軸承、徑向電磁軸承、電機構(gòu)成，具體飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在實際運行中，飛輪儲能系統(tǒng)分為儲能過程和釋放過程兩部分，飛輪裝置持續(xù)旋轉(zhuǎn)，儲存機械能，當(dāng)機械能達到釋放標(biāo)準(zhǔn)后，通過牽引電機將機械能釋放，以此實現(xiàn)對電力電子設(shè)備的電能輸出，具體飛輪儲能系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)原理圖

飛輪儲能系統(tǒng)相比于其他儲能裝置具有機械控制、使用壽命較長、無污染、對工作溫度要求低、儲能密度大、維護周期長等優(yōu)勢，能夠更好地實現(xiàn)與軌道交通系統(tǒng)耦合，將飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)，可以實現(xiàn)將列車制動時產(chǎn)生的大量制動能量進行儲存，在列車啟動、運行時將儲存的能量進行釋放，實現(xiàn)列車對能量的重復(fù)使用和最大化開發(fā)，同時可以實現(xiàn)節(jié)能減排、減少列車運行成本，符合可持續(xù)性發(fā)展的觀念。

飛輪儲能在軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

飛輪儲能在城市軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著城市化的深入建設(shè)，人們對城市的便利性、舒適性要求越來越高。為滿足社會需求，在城市規(guī)劃設(shè)計中，城市軌道交通系統(tǒng)是城市交通網(wǎng)絡(luò)布置的重要部分。城市軌道交通在運行過程中制動和啟動頻次較高，所產(chǎn)生的制動能量較大，正適合應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)，早在2000年，英國倫敦地鐵首次裝載飛輪儲能系統(tǒng)，后在美國、法國、日本等多個國家普及應(yīng)用，我國最早使用飛輪儲能系統(tǒng)的是北京地鐵房山線，經(jīng)過實際應(yīng)用證明，飛輪儲能系統(tǒng)能夠減少電壓波動、穩(wěn)定牽引電網(wǎng)、增強城市軌道交通運行穩(wěn)定性、減少城市軌道交通運行能源，不僅提高了地鐵、輕軌、單軌等交通工具的運行可靠性，還提升了城市軌道交通公司的整體經(jīng)濟效益。

飛輪儲能在高速鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國高速鐵路建設(shè)規(guī)模和高速列車運行速度處于世界前列，實現(xiàn)高速鐵路系統(tǒng)運行規(guī)模廣、速度快等優(yōu)勢的同時，對高速鐵路列車牽引負荷、電能質(zhì)量、電網(wǎng)穩(wěn)定程度造成壓力。將飛輪儲能技術(shù)應(yīng)用在高速鐵路系統(tǒng)中，能夠利用飛輪儲能將高速鐵路列車的制動能量轉(zhuǎn)化為輔助電能，在高速鐵路列車啟動時進行釋放，減輕牽引負荷、增強電能質(zhì)量、進一步穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)。應(yīng)用飛輪儲能技術(shù)可以在保證較高利用率和安全性的同時，實現(xiàn)再生能量的靈活分配，并已經(jīng)在日本京濱高速鐵路、西班牙馬德里地區(qū)高速鐵路等多條線路中得到證明。

飛輪儲能與軌道交通系統(tǒng)的融合發(fā)展分析

潛在的技術(shù)方向研究

飛輪儲能是現(xiàn)代先進的儲能技術(shù)，與軌道交通系統(tǒng)的深入融合需要相關(guān)專家學(xué)者進一步研究探索。基于當(dāng)前的研究可以分析出飛輪儲能與軌道交通系統(tǒng)的潛在研究方向主要分為兩種，具體是：1.飛輪儲能系統(tǒng)具有放電速度較快的特點，與動車組相結(jié)合，可以進一步增強動車組混合能量供給能力、提升動車組啟動、運行速度、增強動車組用電設(shè)備的反應(yīng)速度。2.根據(jù)我國經(jīng)濟、地形等因素進行鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計，我國鐵路分布東部較密集、中西部較分散，在應(yīng)用飛輪儲能技術(shù)時應(yīng)結(jié)合實際鐵路情況，針對性的與軌道交通系統(tǒng)展開融合。

潛在應(yīng)用模式融合場景

總結(jié)飛輪儲能與軌道交通系統(tǒng)融合應(yīng)用模式后，可以通過牽引方式、儲能單元位置、列車密度總結(jié)潛在應(yīng)用模式的融合場景。其中牽引方式分配電氣化和非電氣化；儲能單元位置分為車載和軌道旁；列車密度分為高密度和低密度。

可以總結(jié)出飛輪儲能技術(shù)在具體軌道交通系統(tǒng)融合場景中實現(xiàn)的功能和運行需求，為未來飛輪儲能在軌道交通領(lǐng)域的融合發(fā)展提供應(yīng)用場景及指導(dǎo)。

1.牽引方式與儲能單元位置融合場景

牽引方式與儲能單元位置融合場景可分為電氣化+軌道旁、電氣化+車載、非電氣化+軌道旁、非電氣化+車載四個場景，具體融合場景和飛輪儲能功能分析如表1所示。

表1 牽引方式與儲能單元位置融合場景和飛輪儲能功能分析

2.儲能單元位置與列車密度融合場景

儲能單元位置與列車密度融合場景可分為軌道旁+高頻次、軌道旁+低頻次、車載+高頻次、車載+低頻次四個場景，具體融合場景和飛輪儲能運行需求分析如表2所示。

表2 儲能單元位置與列車密度融合場景和飛輪儲能功能分析

結(jié)語

綜上所述，飛輪儲能技術(shù)能夠秉持可持續(xù)發(fā)展理念，實現(xiàn)對軌道交通車輛運行能源的重復(fù)利用、保護運行安全、較少用電成本，對軌道交通系統(tǒng)具有巨大的幫助。目前我國飛輪儲能與軌道交通系統(tǒng)的融合還有待進一步開發(fā)，本文針對目前實際應(yīng)用和理論研究，提出當(dāng)前飛輪儲能應(yīng)用情況和潛在的研究融合方向，希望能為飛輪儲能的加速應(yīng)用進行賦能，促進軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展。