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(fā)展，未來的年耗電還將是個驚人數(shù)字。

　　如何降低城軌交通的供電能耗，是實現(xiàn)整個城軌交通系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。9月25日，北京交通大學宣布自主研發(fā)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(wǎng)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(fā)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(jié)能的主要手段。

　　什么是牽引用電?什么是再生制動能量?楊中平說，地鐵在站間運行，先經(jīng)歷牽引階段，車輛由靜止開始加速，電機消耗大功率從而產(chǎn)生牽引力，車輛加速到如70公里/小時的限速;之后進入等速巡航階段或惰行階段，電網(wǎng)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。

　　能量守恒定律告訴我們：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只會轉(zhuǎn)移或者改變形式。“經(jīng)測算，6節(jié)車廂的八通線地鐵列車一次制動，從70公里/小時降到0，產(chǎn)生的再生制動能量大約是14度電，因為無法返回公共電網(wǎng)的大池子，怎樣把這部分能量儲存起來并有效釋放利用起來?”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(tǒng)的節(jié)能減排意義有多大?要想搞明白這項研發(fā)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(diào)等附屬設(shè)備的用電量各占50%左右，地鐵運營電費的一半花在了牽引用電上!這是關(guān)系整個地鐵系統(tǒng)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　交通運輸部科學研究院專家?guī)炱溉螌＜摇⒈本┦械罔F運營有限公司原副總工程師兼設(shè)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，多余的能量會變成災害，比如，地鐵制動盤磨損嚴重，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(chǎn)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(fā)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(jié)能效果顯著。

　　本次試驗成功的混合儲能裝置，是繼2016年研發(fā)的超級電容儲能系統(tǒng)的第二代產(chǎn)品，相較第一代純超級電容儲能系統(tǒng)，平均每天可多節(jié)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(chǔ)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(shè)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里走出來，到了實地接受檢驗，到底能節(jié)約多少電?

　　研發(fā)團隊在北京八通線梨園站試驗的結(jié)果表明，夜間單車運行時，每趟節(jié)能率均能達到20%;在地鐵正常運行期間，工作日日均節(jié)能1500度電，節(jié)能率達13%;而周末日均節(jié)能900度電，節(jié)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。這意味著什么?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(jié)約1億多度電，一度工業(yè)用電按0.8元來算，折合人民幣1億元左右。

　　北京市地鐵運營有限公司技術(shù)部副部長李宇杰說，節(jié)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(yè)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，國外并非沒有軌道交通的節(jié)能技術(shù)，如超級電容、飛輪等技術(shù)，但這些都對中國引進有所限制。之前北京地鐵運營方曾經(jīng)考慮過用國外的產(chǎn)品，甚至在變電所預留了節(jié)能設(shè)備的位置，但是光一個站的超級電容設(shè)備就要600萬元，價格讓人咋舌。

　　從科研立項、理論研究、系統(tǒng)建模與仿真、軟硬件設(shè)計、樣機的研發(fā)，再到設(shè)備的安裝、掛網(wǎng)試驗，從第一代產(chǎn)品到第二代，凝聚了團隊師生無數(shù)心血。

　　當時試驗設(shè)備安裝正處在北京隆冬時節(jié)，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(shù)個凌晨。

　　從2017年研究被納入國家“十三五”重點研發(fā)計劃，到2018年方案設(shè)計、樣機研制，到2019年采購、組裝、調(diào)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(shù)不清的困難，“所幸我們帶著一茬茬的學生挺過來了”。

　　了不起的科研后備軍們

　　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(xiàn)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么乖，但是有超出他想象的爆發(fā)能力、挑戰(zhàn)困難的勇氣和決心，遇到問題能淡定解決。

　　在日本留學10年，并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(fā)展，為國內(nèi)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(wǎng)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(shù)據(jù)，他和同學們在設(shè)備前一蹲就是一天。變壓器室內(nèi)設(shè)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(huán)境里，苦苦熬著。

　　網(wǎng)壓問題、信號干擾、不明原因跳閘……面對學校電腦里永遠碰不到的難題，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(shù)不清自己接了多少根線。“就是接線，也跟實驗室不一樣，在地鐵里，要帶電操作，空間狹小，怎么接線都是學問。”

　　“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(huán)境，這些90后的科研后備軍就能擔負重任，這是我最欣慰的地方，感覺人生沒有白活一場。”楊中平說。