城市轨道交通列车储能技术研究

李鹏

摘 要 随着经济的发展，我国各个主要城市都在大力推行城市轨道交通建设。城市轨道交通大大方便居民的出行，缩短居民的出行时间，缓解城市的拥堵，达到节能减排的效果。与普通铁路相比较，城市轨道交通列车两站点之间的距离短，需要停靠的次数频繁，在列车进站停车时大量的动能会被浪费掉，出站启动的时又需要消耗电能来启动列车。如何将制动产生的能量储存起来再重新利用，达到节能减排的目的成为焦点问题。本研究主要是讨论目前技术下各个储能方案的优缺点，来为后续的研究工作提供理论支撑。

关键词 城市轨道;列车;储能

1飞轮储能

1.1 飞轮储能

飞轮，也成为飞轮蓄电池，主要部件一共包括：轴承、真空罩、电机、飞轮（储能部分）、电力电子变换装置等五个主要部分[1]。分为三个工作模式：

（1）充电模式：此模式是在列车进站减速时，将能量储存到飞轮当中。

（2）保持模式：此模式是飞轮储能状态，既不充电，也不放电。

（3）放电模式：此模式应用于列车启动时，飞轮放电，将动能转换成电能，联合接触网一起向列车供电。

飞轮储能的原理是将能量储存在高速旋转的飞轮当中，将列车释放的能量转换成动能储存起来。城轨列车进站减速时，会释放大量的动能，将释放的动能通过电力电子装置转等一系列的转换驱动飞轮旋转，完成动能-电能-动能的转换储存过程。在此过程当中，飞轮转速的大小和列车停车释放的能量成正比例关系。

1.2 飞轮储能的发展状况

目前，国外的技术研究已经非常成熟，已有正式的产品投入到市场中并且被与运用起来，在国内，相应的成品也已经被科研工作者研发出来，但是，由于国内飞轮储能电池的研发相比于国外的起步较晚，很多原创性的技术专利都不在我国，因此缺乏必要的科研经费支持。飞轮储能具有体积小、质量轻、充电速度快，尤其是对环境无污染的特点，备受市场青睐[2]。但是飞轮储能也具有其不足之处，主要表现在：能量密度不够高，并且还具有自行放电的特点，如果想保持一个高的转速，需要持续供电，一旦停止充电，能量在几到十个小时内就会被耗尽。列车进站和出站时间较短，采用飞轮储能，飞轮的旋转速度可以在短时间急剧提高和降低，故飞轮储能在城轨列车储能中的应用在理论上具有可行性。

2蓄电池储能

2.1 蓄电池储能原理

目前，商业应用最多的是铅酸蓄电池，故以铅酸蓄电池为例来进行分析，电池总反应：

充电时将电能转变成化学能贮存起来，放电时将化学能转变成电能释放出来。放电时正负极极活性物质变成硫酸铅（PbSO4），使电池内硫酸（H2SO4）含量减少;充电时正负极极又分别转化成二氧化铅（PbO2）和海绵状含层铅（pb），释放出硫酸（H2SO4）使电池内硫酸含量增加。

蓄电池储能已经被应用到工业领域的各个方面，和我们的生活息息相关，其技术最为完善，相比较于飞轮储能来说，具有非常低的自放电特点，充满电后能量不容易被耗尽。其工作原理就是将电能转化成化学能存储起来，使用时再通过化学能转换成为电能，通过电能-化学能-电能过程，完成电能的储存和释放。常见的蓄电池有：铅酸蓄电池和磷酸铁锂蓄电池等。其中，铅酸蓄电池广泛被应用于城市轨道交通等诸多科技领域，目前我国的蓄电池技术研究已经走在世界的前列。由于列车进站和出站时间较短，采用蓄电池储能，势必会缩短蓄电池的充放电时间，采用大电流充放电，对蓄电池装置的使用寿命产生影响。

2.2 蓄电池储能发展状况

目前，无论国内还是国外对蓄电池的研究与应用都已经非常成熟，从公共汽车到城市轨道交通，都可以看到蓄电池的身影。与飞轮储能相比较，无论在技术还是在商用价格上相比较，都要优于飞轮储能。但是蓄电池储能也具有其不足之处，主要表现在：一是能量比低，导致了储存同样的能量，蓄电池的体积和质量太大，另外充电时间太长，相比于飞轮储能，蓄电池的充电时间大大超过飞轮储能，虽然增大充电电流会减少蓄电池的充电时间，但是，长时间对蓄电池进行大电流充电会对蓄电池本身的结构造成不可逆的破坏，缩短其使用寿命，另外蓄电池在生产和回收再利用的过程当中，也会产生大量的工业污染[3]。随着我们国家对环境越来越重视，蓄电池的生产和回收问题也愈发变成一个棘手的问题，这就在一定程度上限制了蓄电池的生产和利用。

3超级电容储能

超级电容是从20世纪80年代发展起来一种新型电化学元件，又称为法拉电容、黄金电容或者双电层电容器。与蓄电池储能不同的地方在于，超级电容在重放电的过程当中，其内部不会产生化学变化，理论上来其使用寿命要远远大于蓄电池。

3.1 超级电容储能原理

与传统的电容结构相类似，超级电容也是由正极、负极和电解液三部分组成。不同的地方在于，超级电容的正负极是由活性炭作为电极材料，活性炭是具有高比表面积的物质，由于表面积增加，故超级电容的整体储能容量也大大增加，可以达到法拉级单位，单体容量要远远大于普通电容。在充电时，电荷的定向移动使超级电容形成了双层电容，达到能量的储存效果，在储能的过程当中，电解液始终呈现中性[4]。当外部电源断开后由于空气近似于绝缘体，双层电荷几乎不通过空气进行放电，在自放电方面，超级电容的自放电效果要优于蓄电池储能和飞轮储能。

3.2 超级电容储能特点

在超级电容的研究方面，美国和日本处于领先地位，我国的超级电容应用于研究暂时还落后于欧美发达国家。由于电荷的移动是一种快速的物理过程，所以超级电容具有高功率、高循环寿命、长贮藏寿命等特点。在充放电和能量比方面与蓄电池储能和飞轮储能相比，超级电容具有非常强大的优势，因此，具有非常广泛的应用领域。超级电容具有大电流的充放电特性，理论上来说，适合城轨列车储能应用。

4结束语

通过分析可以得出，和飞轮储能和蓄电池储能相比较，超级电容在功率密度和寿命方面具有非常高的优势，但是在能量密度方面则处于这三种储能方式当中具有最小值;飞轮储能具有非常高的功率密度，适合快速的储存和释放能量，但是转换效率却比较低;蓄电池各方面的指标处于三者之间，但是功率密度和使用寿命制约著蓄电池的发展和应用。

参考文献

[1] 张维煜，朱熀秋.飞轮储能关键技术及其发展现状[J].电工技术学报，2011，（7）：145-150.

[2] 张建成.飞轮储能系统及其运行控制技术研究[D].北京：华北电力大学，2001.

[3] 张商州.蓄电池储能效率的测试与分析[D].西安：陕西科技大学，2014.

[4] 赵秀雅，王培红.超级电容储能技术在可再生能源发电中的应用[C].第八届长三角能源论坛.第八届长三角能源论坛--新形势下长三角能源面临的新挑战和新对策论文集.上海：上海市科协，上海市能源学会，2012：168-171.