日本大力发展铁路节能技术利用再生电力节能耗

    日本的电车长期以来都受到节能技术的困扰。通过利用刹车时产生的再生电力，以及改进列车电机技术，列车在减少电力能耗方面逐步有了进展。本身在技术上领先全球的日本铁路，这次在节能技术上又取得了新突破。

　　作为重要交通工具的列车，行驶一千米所排放的二氧化碳仅相当于家用汽车的九分之一，一直被视为交通部门中的环保“优等生”。然而，在2013年，日本铁路的用电总量共计173亿kWh，占大宗用电行业内用电总量的6.4%，不得不说电车耗电量巨大。

　　日本非常希望铁路方面能够出现新的节能对策，并呼吁全社会共同提高节能意识。国土交通省在2013年启动了“环保铁路项目”，为发展节能铁路提供了有力支撑。通过采用节能设备以及利用可再生能源，日本铁路方面的目标是，在2030年铁路的用电量和二氧化碳排放量争取比2010年减少两成。

　　利用新型电机可减少30%耗电

　　日本各大铁道公司目前正在引进的节能技术之一就是利用再生能源。这里的再生能源是指在列车刹车时，将电机作为发电机工作所产生的电力。在容纳150名乘客的10节车厢以时速90km运行时，从刹车到列车停止的30秒内大约能够产生1500kW的再生电量。产生的再生电力通过专门架设的电线输送给其它列车。其它列车以这些再生电量为动力，从而实现了列车的节能运行。

　　铁路所引进的另一个节能技术是采用了“可变电压可变频率（VVVF）变压控制装置”以更有效地制动。这一装置可将上述供电线路中的直流电转换为交流电，根据电车的加速度和速度的变化调整电压和频率，从而使得电机更有效运转。其最大优点就是比过去的列车减少了约30%的耗电量。

　　京王电铁公司最早引进节能技术

　　最早引进这两项技术的是京王电铁公司。同时采用再生电力装置与VVVF变压控制装置后，一节列车走行1千米所消耗的必要电量比过去减少了约45%。

　　图1为京王电铁公司已经完成全部列车的节能技术改装

　　京王电铁公司在2000年就出台了环保基本方针，很早就致力于环保问题的对策研究。目前公司在京王线与井之头线全线皆完成了再生能源利用设备的安装，2012年9月已在全部列车上安装了VVVF变压控制装置。大手铁道公司约有50%的列车安装了VVVF变压控制装置。目前，只有京王电铁公司运营的全部线路上都采用了节能技术。

　　东京地铁公司计划在2015年投入运行的银座线列车上安装永磁同步电机，力求更加节能。电车上的主流电机目前都是利用电枢线圈产生驱动转矩，而采用了永磁同步电机后，永久磁铁代替了电枢线圈，从而不再需要为其供电，有效控制了电量损耗。该公司目前同时采用了永磁同步电机与VVVF变压控制设备，预计能耗将比过去的列车减少约37%，一组列车平均每天能够节920kWh的用电。

　　再生电力可不通过变电站直接输送

　　随着电机技术每年不断革新进步，所产生的再生电力总量也在不断增加。然而，再生电力无法得到充分利用的问题也逐渐显现。

　　电车在发车时用电最多，因此产生再生电力后必须有其他电车发车，这样才能得到有效利用。一旦时机不对，再生电力就会被浪费。鉴于此问题，京王电铁公司打造了不通过变电站便可直接输送再生电力的系统。该设备以最短的线路输送再生电力，以使产生的再生电力尽可能多地得到利用。

　　东京地铁则在2014年6月开始投入使用“车站辅助电源设备”，可使多余的再生电力用于车站内的照明和空调用电。该设备能够通过监视线路电压的变化，来判断电车是否即将进站，如附近没有进站列车，那么再生电力将通过该装置为车站内的电力设备提供电源。

　　图2为车站内利用再生电力示意图

　　减小设备体积以缩小占地

　　地铁因每站之间间隔较短，且转弯较多，所以列车刹车的频率更高。虽然产生了更多的再生电力，但不能充分利用的情况时有发生。与此同时，地铁因为常年需要开启照明和空调等设备，导致耗电量巨大，因此如何将这些浪费的再生电力投入到站内设备使用中，成为目前要解决的难题。

　　在相对狭窄的地铁隧道空间内安装设备，最大的问题是如何将设备做小。这一设备由三菱电机制造，采用了碳化硅来替代普通的硅作为半导体材料，从而减少了半导体的发热，简化了冷却装置。而整个设备的线路空隙等方面都尽可能地做到了小型化。

　　该设备首先在日本东西线的妙典站投入使用，试验结果显示一天节省下的电量约为600kWh，相当于60户家庭一整天的耗电量。东京地铁公司车辆部设计科负责人大桥聪表示，这种小型的设备尤其适合在地铁站内使用。在2014年内，这一设备预计将在另外7个车站投放使用。

　　蓄电池也同样被用于节能发电措施中，利用蓄电池储存再生电力，在需要时提供给电车，从而达到高效利用的目的。

　　东日本旅客铁路公司（JR东日本）在2013年2月开始，在青梅线的拜岛变电站（东京昭岛市）安装了容量为76.12kWh的锂电池,该蓄电池放置在距离首都圈50km左右的地方，储存的再生电力将为几分钟一班的列车提供动力。该装置在一年内为列车运行提供了约40万kWh的再生电力，相当于减少了拜岛变电站4-5%的能耗。

　　当下难题是电力输送与控制成本

　　然而，采用锂电池蓄电的成本高达数亿日元。由于短期内无法看到投资收益，因此公司目前正在努力拓展该蓄电池技术的使用范围，甚至考虑将其应用于灾害时应急使用等。

　　JR东日本公司同时也在对可再生能源进行开发利用。如在车站内采用太阳能发电为主的环保技术，并且已经计划将在今后逐步推广这种“环保站点”。

　　大型太阳能发电站（Mega Solar）同样被用于节能措施中，2014年2月，公司在京叶线的车辆段的地基建设中，引进了输出功率达1050kW的太阳能发电站。太阳能发电将用于车辆段内的使用，其余的经由变电站为电车运行提供能源。该发电站建成之后，每年约可以节省100万kWh的电量，减少500t的二氧化碳排放量。公司还计划在未来继续建设5个这种大型太阳能发电站。

　　图3为JR东日本公司京叶线车辆段地基内正在建设中的大型太阳能发电站

　　在利用再生能源方面，如何让发电电力得到有效利用，以及如何降低成本成为今后需要解决的课题。随着太阳能发电设备建设的逐步增多，解决储存电力以及输送电力问题的必要性也在逐步凸显。

　　该公司计划在未来和机电制造企业一道，共同推进可将太阳能发电输送至远距离车站的变压器的研发。公司铁道事业总部电网部门电力技术小组的负责人称，为了加快技术研发，公司增加了100万日元左右的投资，力求将太阳能发电站的电力实现远距离输送。

　　在不久的将来，这项技术有望与ICT（信息通信技术）相结合，构成集发电、送电和用电为一体的综合电力控制系统，实现“铁路智能电网”的目标。

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