劉友梅院士：軌道交通“高速”之后是“綠色”

　　全長7.7公里、正在建設中的廣州市海珠環島（萬勝圍——廣州塔段）是世界上首條擬投入商業運營的儲能式輕軌線，計劃于2014年全線運行。而2012年8月在湖南株洲成功下線的世界首列儲能式輕軌原型列車，將成為這條輕軌線的運營列車。

　　采用超級電容作為主動力，融合了無電網運行、制動即充電等多種創新成果的儲能式輕軌原型列車成功下線的消息一經傳出，便吸引了國內眾多城市運營者的關注，最終由廣州市政府拔得頭籌，并于去年年底與中國南車株洲電力機車有限公司（下稱南車株機）成功簽約。

　　“儲能式輕軌”在如此短的時間內何以一炮而紅？其理念和技術的發展究竟有何淵源，切合了何種需求？未來又有多大的發展空間？《中國科學報》記者近日前往株洲，專訪了該型車的總設計師、南車株機專家委員會主任、中國工程院院士劉友梅。

　　軌道交通迎來綠色挑戰

　　在現代軌道交通發展史上，“高速”和“重載”已成為反映當今技術的兩大標志，無論是運行速度還是載重量的提升，均取得了巨大成功。但是，問題也隨之而來。

　　“首先，如果速度再往上提高，很可能出現新的安全隱患；其次，必然產生大量的能耗和噪聲污染。”劉友梅表示，借助高速、重載技術拉動軌道交通發展的空間，絕不是無限的，而應有一個最佳值。

　　眾所周知，鐵路是耗能大戶，高速時代更是如此。據估算武廣高鐵的人均單程耗電量約為45度電，全年運行總電費高達5億元，相當于5公里高鐵線路的建設投資。

　　此外，在列車運行過程中，有大量的能量被完全浪費。任何一輛列車在減速停車時，都有大量的動能轉化為熱能直接消耗掉——這部分能量如能有效收集起來，其利用潛力無疑將相當可觀。

　　劉友梅認為，現代軌道交通借助于高速和重載技術的進步，已完成自身這一輪的技術演化。在新的歷史條件下，全球面臨能源危機和可持續發展的挑戰，未來的發展趨勢一是“綠色”，二是“智能”。

　　儲能式輕軌正是在這樣的理念下應運而生。“我們研發儲能式軌道交通的目的，就是力爭實現能量循環利用、高效利用的雙重目標。”劉友梅告訴記者。

　　作為一位工程專家，劉友梅篤信技術和工程的“進化論”。在他看來，技術進化的驅動力，首先來自于自然和社會的需求，其次得有相應的技術條件和平臺。而儲能器件的發展，正為新一輪的技術進化創造了條件。

　　列車儲能技術“進化論”

　　“儲能式輕軌”這個詞是劉友梅發明的。之所以叫“儲能式”，是為了區別于傳統的“受電式”，即能量不再主要依賴外部電網，而是存儲于列車自身。

　　劉友梅介紹，已有的儲能技術有三種：一種是以飛輪為主的機械儲能；一種是以蓄電池為主的化學儲能；另一種則是以超級電容為代表的物理儲能。

　　實際上，儲能技術及其代表的綠色理念運用于軌道交通并非自超級電容始。“從蒸汽牽引、內燃牽引，到電力牽引，由于避免了對一次能源的直接消耗，可稱作第一次進化。從機械制動到電氣制動，則是第二次進化。”劉友梅說。

　　在電力牽引時代，盡管能源已經可以二次使用，但采用傳統的機械制動方式并不能減少能量的浪費。電氣制動在一定程度上解決了這個問題：利用電力牽引的優勢，將制動時消耗的動能用來發電，送到電網，從而實現再生制動。盡管如此，仍然存在大量的能量消耗。

　　“對于返回的能量，現有電網是有條件接受的，最多只能回收40%左右的能量。”劉友梅解釋，由于制動時回收的電能只能在回收瞬間進行利用，無法真正儲存，還是得利用機械制動作補充，“60%左右的制動動能被白白浪費掉了”。

　　至于化學儲能，因其功率密度小、能量密度大，屬慢充慢放型，難以吸收列車制動時在瞬間產生的巨大能量，通常只能用于汽車和摩托車。

　　超級電容儲能器件的問世為儲能技術的第三次進化帶來了曙光，其最大的特點是功率密度大，充放電不是按分鐘計，而是按秒計，甚至可以吸收毫秒級的瞬間能量。

　　“過去提高能量回收效率，能提高一兩個百分點已很不容易。現在不只是一兩個百分點的問題了。根據我們目前的實驗結果，已經可以收回85%以上的動能。”劉友梅表示。

　　城際軌道交通新工具

　　技術的發展往往與器件有關。在劉友梅看來，正是由于超級電容這種新儲能器件的出現，現在才有條件開創儲能式輕軌這種全新的交通方式。

　　將超級電容運用于列車的大膽想法，最早來自于劉友梅和某華裔外籍專家在一次交談中迸發的靈感。當時，這位外籍專家正向中方介紹超級電容儲能在港口起重機上的應用案例。劉友梅很快聯想到他的本行，“既然吊裝集裝箱時消耗的勢能可以轉存儲化，列車制動時消耗的動能為什么不可以？”

　　經過一番調查，劉友梅了解到，大功率超級電容儲能技術在國外某些特定領域已有應用，比如賽車和坦克。但并非用于能量回收，而是用于在特定條件下進行能量補給。比如遇到沖鋒時，光靠柴油機的功率遠不夠供應突發式前進的能量，但如果將超級電容日常儲備的能量加上，坦克就能在沖鋒瞬間蹭地一下沖上去。

　　超級電容的這一優勢剛好可以滿足城際軌道交通的需求——不僅可使列車在進站停靠時的30秒鐘內充完電，制動時的充電速度更可達毫秒級——在南車株機2012年8月研制出的原型車上，這一要求已經實現。

　　不過，劉友梅并不認為儲能技術可以擴大到所有軌道交通領域。他向記者表示，以當前的技術條件，儲能式交通的應用須滿足三種情形：一是中小型列車，二是輕軌車和電車，三是城市軌道交通。

　　“比如汽車，充電后只跑上幾公里肯定不行，用在長途大運量的鐵路干線上也不現實。以目前的技術條件，用于城市、近郊、衛星城和城市群之間的軌道交通則完全可以。”劉友梅認為，這種有站點、有規律、站間距不太遠的城際輕軌，是目前最適宜儲能式軌道交通發展的領域——在高速鐵路逐漸支撐起干線大動脈的同時，如何解決各區域城市圈的交通難題？儲能式輕軌可謂正當其時。

　　“我相信，儲能技術還會繼續發展。”劉友梅表示，隨著相應工程技術的演化，儲能式軌道交通在未來的應用領域也許有可能進一步擴大，但“綠色”的理念和趨勢是不會變的。

　　“儲能技術演化的根本目標，一定是促進能量的循環和高效利用。”他再次強調。