列车驶入北京地铁昌平线沙河高教园站。新华社记者 张晨霖摄

【身边的科学】

随着我国轨道交通运营总里程的快速增长，城市轨道交通系统用电量也逐年上升，2019年已占到全国总用电量的2.1‰。如何降低地铁的供电能耗？

近日，北京交通大学自主研发的地面式超级电容/电池混合储能装置在北京地铁八通线梨园站进行挂网试验。试验结果表明，这套装置不但可以回收利用列车再生制动能量，还可以在供电系统突发故障时，利用储能装置将列车紧急牵引至地铁站。夜间单车试验时，每趟节能率均能达到20％；在地铁正常运行期间，工作日日均节能1500度电，节能率达13％；而周末日均节能900度电，节能率超过17%。北京市地铁运营有限公司技术部副部长李宇杰表示，目前，北京市地铁系统一年的耗电量超过12亿度。如果全面使用该技术，即使按照节能率10%计算，一年也能节约用电超过1亿度，节省电费几千万元。

“这次试验成功的混合储能装置，是继2016年研发的超级电容储能系统的第二代产品，相较第一代纯超级电容储能系统，平均每天可多节电150度。”北京交大实验室负责人杨中平教授一直专注于研究轨道交通超级电容储能和再生制动能量的吸收和利用。他介绍，这次团队利用超级电容和钛酸锂电池的储能特性，将列车制动能再生的电能，同时储存在超级电容和钛酸锂电池中。当列车牵引时，再将储存的能量释放出来，使再生能量被充分利用起来。

“这是关系整个地铁系统节能减排的关键技术之一。”杨中平解释，列车牵引用电和其他如车站电梯、扶梯、空调等附属设备的用电量各占50%左右，地铁运营电费的一半花在了牵引用电上。“地铁节能的方式有很多，比如减轻车体总重量、合理安排地铁发车时间等，还有一种更加重要的节能手段，即回收、利用列车在制动时所产生的能量。”杨中平说，采用此方法，在一节列车从时速70公里减速至静止的过程中，可以产生大约14度的电能。杨中平预测，高效利用轨道交通车辆的再生能，将成为城市轨道交通节能的主要手段。

交通运输部科学研究院专家库聘任专家、北京市地铁运营有限公司原副总工程师兼设备部副部长黄旭虹表示，国外虽然也有轨道交通的节能技术，但对中国引进有所限制。之前，北京地铁运营方曾考虑过用国外产品，但光一个站的超级电容设备就要600万元。“我们的项目从立项开始就受到了国内外多家科研机构和高校的关注，接连收到了许多合作意向，他们认为此次试验的成功，将推动我国轨道交通领域节能技术的进一步提高，推动我国储能技术应用进一步发展。”杨中平说。

从科研立项、理论研究、系统建模与仿真、软硬件设计、样机的研发，再到设备的安装、挂网试验，都有团队学生深度参与的身影，从立项开始，他们就放弃了寒暑假、国庆等节假日，积极投入其中。“通过亲身参与、实践，使我各方面的能力都得到了提升。这个项目给我们提供了一个践行‘知行’校训、不断思考解决问题的机会。”博士研究生刘宇嫣表示。

伴随项目进行，同学们也经历了严冬和盛夏的考验。当实验设备安装正处在北京的隆冬时节，为了不影响八通线白天的正常运营，所有安装和使用工作都必须在深夜12点至3点半进行。而行车和挂网试验又赶上盛夏，地铁站配电室内没有空调和电扇，老师和同学们身上的衣服往往湿透多次。硕士研究生杨浩丰参与了该项目的全过程。在北京地铁梨园站挂网试验期间，需要一直在变压器室观察、记录储能装置的实验数据。变压器室内设备较多，并且噪音很大，他和同学们在设备前一蹲就是一天。

老师们也是如此，项目组林飞、孙湖、方晓春老师一直驻守在试验现场。挂网试验要在每天地铁运行的早中晚高峰进行，于是他每天凌晨3点从家出发，开车近1个小时到达现场后，就投入到紧张的筹备工作中，准备迎接地铁运营早高峰的试验。再利用早中晚高峰中间的间隙，进行实验数据分析，整个暑假都没有休息。课堂上，杨中平经常这样告诉学生：作为一名交通领域的科研人，一定要热爱轨道交通事业，在实践中发现问题，并将研究做深入，解决更多实际应用问题，这样的研究也才有意义。