地鐵是名副其實的“電老虎”，北京、上海等大城市一年地鐵耗電量均已超過15億度。截至2019年底，我國已開通城軌交通線路里程達6730公里，在建新線里程超過6000公里，全國總能耗達到152.6億度。隨著城軌交通的快速發展，未來的年耗電還將是個驚人數字。
如何降低城軌交通的供電能耗，是實現整個城軌交通系統節能降耗的關鍵。9月25日，北京交通大學宣佈自主研發的世界首套城軌交通地面式超級電容/電池混合儲能裝置，在北京地鐵八通線梨園站掛網試驗成功。該裝置能回收利用列車再生制動能量，降低城軌列車能耗10%—15%。
收集利用地鐵被浪費的“能量”
這一裝置的研發團隊是北京交通大學楊&林實驗室，負責人是楊中平教授和林飛教授。他們預測，高效利用軌道交通車輛的再生能量，將成為城市軌道交通節能的主要手段。
什麼是牽引用電？什麼是再生制動能量？楊中平說，地鐵在站間運行，先經歷牽引階段，車輛由靜止開始加速，電機消耗大功率從而產生牽引力，車輛加速到如70公里/小時的限速；之後進入等速巡航階段或惰行階段，電網只需要小功率即可維持巡航；車輛快到站時，進入制動階段，車速降為0。
能量守恆定律告訴我們：能量既不會憑空產生，也不會憑空消失，只會轉移或者改變形式。“經測算，6節車廂的八通線地鐵列車一次制動，從70公里/小時降到0，產生的再生制動能量大約是14度電，因為無法返回公共電網的大池子，怎樣把這部分能量儲存起來並有效釋放利用起來？”這個問題可以簡要解釋楊&林實驗室的工作。
這對整個地鐵系統的節能減排意義有多大？要想搞明白這項研發的價值，得先弄明白一個“50%”。楊中平解釋說，列車牽引用電和其他如車站電梯、扶梯、空調等附屬設備的用電量各佔50%左右，地鐵運營電費的一半花在了牽引用電上！這是關係整個地鐵系統節能減排的關鍵技術之一。
交通運輸部科學研究院專家庫聘任專家、北京市地鐵運營有限公司原副總工程師兼設備部副部長黃旭虹十分熟悉軌道交通，“如果沒有地面吸收裝置，多餘的能量會變成災害，比如，地鐵製動盤磨損嚴重，每3個月就要換輪子，幾個月就能消耗掉幾年的成本”。她回憶起十幾年前找到楊中平時，兩人對地鐵能耗挖潛一拍即合。
最好的辦法是“自產自銷”。2007年，楊&林實驗室開始做小功率的儲能裝置，慢慢地，10千瓦、200千瓦，隨之自主研發我國首套一兆瓦的地面超級電容，2016年在八通線試驗成功。該儲能裝置已在青島、廣州等地多條地鐵線路投運，節能效果顯著。
本次試驗成功的混合儲能裝置，是繼2016年研發的超級電容儲能系統的第二代產品，相較第一代純超級電容儲能系統，平均每天可多節電150度。當列車牽引時，再將儲存的能量釋放出來，使再生能量被充分利用起來。此外，該裝置可減少列車基礎制動磨損，提高城市軌道交通運營安全性和可靠性，降低運營維護成本，延長車輛設備使用壽命。
凌晨才能進行的試驗，成果擺脫了國外限制
這套裝置從大學實驗室裡走出來，到了實地接受檢驗，到底能節約多少電？
研發團隊在北京八通線梨園站試驗的結果表明，夜間單車運行時，每趟節能率均能達到20％；在地鐵正常運行期間，工作日日均節能1500度電，節能率達13％；而週末日均節能900度電，節能率超過17%。
“可以說，我們的成果降低地鐵能耗的10％—15％是沒有問題的。”林飛說。這意味著什麼？就拿北京地鐵來說，總里程600多公里，2019年耗電量為16億度電，能節約1億多度電，一度工業用電按0.8元來算，摺合人民幣1億元左右。
北京市地鐵運營有限公司技術部副部長李宇傑說，節能是北京“智慧地鐵”的一項重要需求，楊中平和林飛的團隊面向行業需求開展研究下一代儲能裝置，效果顯著，是國際上真正的第一個兆瓦級混合型儲能裝置，有很強的推廣價值。
黃旭虹說，國外並非沒有軌道交通的節能技術，如超級電容、飛輪等技術，但這些都對中國引進有所限制。之前北京地鐵運營方曾經考慮過用國外的產品，甚至在變電所預留了節能設備的位置，但是光一個站的超級電容設備就要600萬元，價格讓人咋舌。
從科研立項、理論研究、系統建模與仿真、軟硬件設計、樣機的研發，再到設備的安裝、掛網試驗，從第一代產品到第二代，凝聚了團隊師生無數心血。
當時試驗設備安裝正處在北京隆冬時節，為了不影響八通線白天的正常運營，所有安裝和使用工作都必須在凌晨12點至3點半進行。這個晝伏夜出的團隊，見證了北京無數個凌晨。
從2017年研究被納入國家“十三五”重點研發計劃，到2018年方案設計、樣機研製，到2019年採購、組裝、調試，在北京交大長三角研究院長達幾個月的試驗，林飛說，研究碰到了數不清的困難，“所幸我們帶著一茬茬的學生挺過來了”。
了不起的科研後備軍們
7月27日，凌晨4點多，從北京八通線梨園站爬到地面的師生，在星空之下喜不自禁，因為團隊剛順利完成了單車行車試驗。這是儲能裝置第一次在地鐵現場試驗成功。
楊中平對圍攏過來的學生說：“你們是了不起的，不要瞧不起自己，世界首套！你們做成功了！”
“從工作量來說，我做了10％的工作，林老師20％，學生們做了70％。”楊中平說，這些學生平時看起來沒有那麼乖，但是有超出他想象的爆發能力、挑戰困難的勇氣和決心，遇到問題能淡定解決。
在日本留學10年，並在東京大學獲得工學博士學位的楊中平“最怕學生不如自己”。在他看來，我國軌道交通的快速發展，為國內高校學生科研提供了比國外大學生更多的工程實踐機會。
在眾多學生中，秦強強、艾明成、楊浩豐、陶孝濤、劉宇嫣、信月、蘭笠夫、劉耀文、宋美玉、趙紫薇、米佳雨等11人作為主力參與了項目。今年上半年，因為疫情影響，學生們無法回到校園居住，團隊只好在通州租了房子，方便隊員研究，從6月一直住到9月。
碩士研究生楊浩豐參與了項目的全過程。在北京地鐵梨園站掛網試驗期間，需要一直在變壓器室觀察、記錄儲能裝置的試驗數據，他和同學們在設備前一蹲就是一天。變壓器室內設備較多，噪音很大，而且北京地鐵管理嚴格，大門不能打開，他們在接近40攝氏度的燥熱環境裡，苦苦熬著。
網壓問題、信號干擾、不明原因跳閘……面對學校電腦裡永遠碰不到的難題，學生們在老師的指導下，挨個排除故障，找出方案。研二學生蘭笠夫，數不清自己接了多少根線。“就是接線，也跟實驗室不一樣，在地鐵裡，要帶電操作，空間狹小，怎麼接線都是學問。”
“一代更比一代強，他們比我讀書時的眼界寬多了。只要給他們足夠的條件和環境，這些90後的科研後備軍就能擔負重任，這是我最欣慰的地方，感覺人生沒有白活一場。”楊中平說。
《中國教育報》2020年10月12日第1版
