日本的電車長(zhǎng)期以來都受到能源消耗問題的困擾。通過利用剎車時(shí)產(chǎn)生的再生電力，以及改進(jìn)列車電機(jī)技術(shù)，在減少列車電力能耗方面逐步有了進(jìn)展。本身在技術(shù)上領(lǐng)先全球的日本鐵路，這次在節(jié)能技術(shù)上又取得了新突破。
作為重要交通工具的列車，行駛一千米所排放的二氧化碳僅相當(dāng)于家用汽車的1/9，一直被視為交通部門中的環(huán)保“優(yōu)等生”。然而，在2013年，日本鐵路的用電總量共計(jì)173億kWh，占大宗用電行業(yè)內(nèi)用電總量的6.4%，不得不說電車耗電量巨大。
日本非常希望鐵路方面能夠出現(xiàn)新的節(jié)能對(duì)策，并呼吁全社會(huì)共同提高節(jié)能意識(shí)。國(guó)土交通省在2013年啟動(dòng)了“環(huán)保鐵路項(xiàng)目”，為發(fā)展節(jié)能鐵路提供了有力支撐。通過采用節(jié)能設(shè)備以及利用可再生能源，日本鐵路方面的目標(biāo)是，在2030年鐵路的用電量和二氧化碳排放量爭(zhēng)取比2010年減少兩成。
利用新型電機(jī) 可減少30%耗電
日本各大鐵道公司目前正在引進(jìn)的節(jié)能技術(shù)之一就是利用再生能源。這里的再生能源是指在列車剎車時(shí)，將電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作所產(chǎn)生的電力。在容納150名乘客的10節(jié)車廂以時(shí)速90km運(yùn)行時(shí)，從剎車到列車停止的30秒內(nèi)大約能夠產(chǎn)生1500kW的再生電量。產(chǎn)生的再生電力通過專門架設(shè)的電線輸送給其他列車。其他列車以這些再生電量為動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了列車的節(jié)能運(yùn)行。
鐵路所引進(jìn)的另一個(gè)節(jié)能技術(shù)是采用了“可變電壓可變頻率（VVVF）變壓控制裝置”以更有效地制動(dòng)。這一裝置可將上述供電線路中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，根據(jù)電車的加速度和速度的變化調(diào)整電壓和頻率，從而使得電機(jī)更有效運(yùn)轉(zhuǎn)。其最大優(yōu)點(diǎn)就是比過去的列車減少了約30%的耗電量。
京王電鐵公司 最早引進(jìn)節(jié)能技術(shù)
最早引進(jìn)這兩項(xiàng)技術(shù)的是京王電鐵公司。同時(shí)采用再生電力裝置與VVVF變壓控制裝置后，一節(jié)列車運(yùn)行1千米所消耗的必要電量比過去減少了約45%。
京王電鐵公司在2000年就出臺(tái)了環(huán)保基本方針，很早就致力于環(huán)保問題的對(duì)策研究。目前公司在京王線與井之頭線全線皆完成了再生能源利用設(shè)備的安裝，2012年9月已在全部列車上安裝了VVVF變壓控制裝置。大手鐵道公司約有50%的列車安裝了VVVF變壓控制裝置。目前，只有京王電鐵公司運(yùn)營(yíng)的全部線路上都采用了節(jié)能技術(shù)。
東京地鐵公司計(jì)劃在2015年投入運(yùn)行的銀座線列車上安裝永磁同步電機(jī)，力求更加節(jié)能。電車上的主流電機(jī)目前都是利用電樞線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而采用了永磁同步電機(jī)后，永久磁鐵代替了電樞線圈，從而不再需要為其供電，有效控制了電量損耗。該公司目前同時(shí)采用了永磁同步電機(jī)與VVVF變壓控制設(shè)備，預(yù)計(jì)能耗將比過去的列車減少約37%，一組列車每天能夠節(jié)約920kWh的用電。
再生電力可不通過變電站直接輸送
隨著電機(jī)技術(shù)每年不斷革新進(jìn)步，所產(chǎn)生的再生電力總量也在不斷增加。然而，再生電力無法得到充分利用的問題也逐漸顯現(xiàn)。
電車在發(fā)車時(shí)用電最多，因此產(chǎn)生再生電力后必須有其他電車發(fā)車，這樣才能得到有效利用。一旦時(shí)機(jī)不對(duì)，再生電力就會(huì)被浪費(fèi)。鑒于此問題，京王電鐵公司打造了不通過變電站便可直接輸送再生電力的系統(tǒng)。該設(shè)備以最短的線路輸送再生電力，使產(chǎn)生的再生電力盡可能多地得到利用。
東京地鐵則在2014年6月開始投入使用“車站輔助電源設(shè)備”，可使多余的再生電力用于車站內(nèi)的照明和空調(diào)用電。該設(shè)備能夠通過監(jiān)視線路電壓的變化，來判斷電車是否即將進(jìn)站。如附近沒有進(jìn)站列車，那么再生電力將通過該裝置為車站內(nèi)的電力設(shè)備提供電源。
減小設(shè)備體積 縮小占地面積
地鐵因每站之間間隔較短，且轉(zhuǎn)彎較多，所以列車剎車的頻率更高。雖然產(chǎn)生了更多的再生電力，但不能充分利用的情況時(shí)有發(fā)生。與此同時(shí)，地鐵因?yàn)槌Ｄ晷枰_啟照明和空調(diào)等設(shè)備，導(dǎo)致耗電量巨大，因此如何將這些浪費(fèi)的再生電力投入站內(nèi)設(shè)備使用，成為目前要解決的難題。
在相對(duì)狹窄的地鐵隧道空間內(nèi)安裝設(shè)備，最大的問題是如何將設(shè)備做小。這一設(shè)備由三菱電機(jī)制造，采用碳化硅來替代普通的硅作為半導(dǎo)體材料，減少了半導(dǎo)體的發(fā)熱，簡(jiǎn)化了冷卻裝置。而整個(gè)設(shè)備的線路空隙等方面都盡可能做到了小型化。
該設(shè)備首先在日本東西線的妙典站投入使用，試驗(yàn)結(jié)果顯示，一天節(jié)省下的電量約為600kWh，相當(dāng)于60戶家庭一整天的耗電量。東京地鐵公司車輛部設(shè)計(jì)科負(fù)責(zé)人大橋聰表示，這種小型的設(shè)備尤其適合在地鐵站內(nèi)使用。他透露，這一設(shè)備預(yù)計(jì)很快將在另外7個(gè)車站投放使用。
蓄電池也同樣被用于節(jié)能發(fā)電措施中，利用蓄電池儲(chǔ)存再生電力，在需要時(shí)提供給電車，從而達(dá)到高效利用的目的。
東日本旅客鐵路公司（JR東日本公司）從2013年2月開始，在青梅線的拜島變電站安裝了容量為76.12kWh的鋰電池，該蓄電池放置在距離首都圈50km左右的地方，儲(chǔ)存的再生電力將為列車提供動(dòng)力。該裝置在一年內(nèi)為列車運(yùn)行提供了約40萬kWh的再生電力，相當(dāng)于減少了拜島變電站4%～5%的能耗。
當(dāng)下難題是電力輸送與控制成本
然而，采用鋰電池蓄電的成本高達(dá)數(shù)億日元。由于短期內(nèi)無法看到投資收益，因此公司目前正在努力拓展該蓄電池技術(shù)的使用范圍，甚至考慮將其應(yīng)用于災(zāi)害時(shí)應(yīng)急使用等。
JR東日本公司同時(shí)也在對(duì)可再生能源進(jìn)行開發(fā)利用。如在車站內(nèi)采用太陽(yáng)能發(fā)電為主的環(huán)保技術(shù)，并且已經(jīng)計(jì)劃將在今后逐步推廣這種“環(huán)保站點(diǎn)”。
大型太陽(yáng)能發(fā)電站同樣被用于節(jié)能措施中，2014年2月，公司在京葉線的車輛段的地基建設(shè)中，引進(jìn)了輸出功率達(dá)1050kW的太陽(yáng)能發(fā)電站。太陽(yáng)能發(fā)電將用于車輛段內(nèi)的使用，其余的經(jīng)由變電站為電車運(yùn)行提供能源。該發(fā)電站建成之后，每年約可以節(jié)省100萬kWh的電量，減少500噸的二氧化碳排放量。公司還計(jì)劃在未來繼續(xù)建設(shè)5個(gè)這種大型太陽(yáng)能發(fā)電站。
在利用再生能源方面，如何讓發(fā)電電力得到有效利用，以及如何降低成本，成為今后需要解決的課題。隨著太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備建設(shè)的逐步增多，解決儲(chǔ)存電力以及輸送電力問題的必要性也在逐步凸顯。
該公司計(jì)劃在未來和機(jī)電制造企業(yè)一道，共同推進(jìn)可將太陽(yáng)能發(fā)電輸送至遠(yuǎn)距離車站的變壓器的研發(fā)。公司鐵道事業(yè)總部電網(wǎng)部門電力技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人稱，為了加快技術(shù)研發(fā)，公司增加了投資，力求將太陽(yáng)能發(fā)電站的電力實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。
將來，該技術(shù)有望與ICT技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成集發(fā)電、送電和用電為一體的綜合電力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“鐵路智能電網(wǎng)”的目標(biāo)。
作為重要交通工具的列車，行駛一千米所排放的二氧化碳僅相當(dāng)于家用汽車的1/9，一直被視為交通部門中的環(huán)保“優(yōu)等生”。然而，在2013年，日本鐵路的用電總量共計(jì)173億kWh，占大宗用電行業(yè)內(nèi)用電總量的6.4%，不得不說電車耗電量巨大。
日本非常希望鐵路方面能夠出現(xiàn)新的節(jié)能對(duì)策，并呼吁全社會(huì)共同提高節(jié)能意識(shí)。國(guó)土交通省在2013年啟動(dòng)了“環(huán)保鐵路項(xiàng)目”，為發(fā)展節(jié)能鐵路提供了有力支撐。通過采用節(jié)能設(shè)備以及利用可再生能源，日本鐵路方面的目標(biāo)是，在2030年鐵路的用電量和二氧化碳排放量爭(zhēng)取比2010年減少兩成。
利用新型電機(jī) 可減少30%耗電
日本各大鐵道公司目前正在引進(jìn)的節(jié)能技術(shù)之一就是利用再生能源。這里的再生能源是指在列車剎車時(shí)，將電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作所產(chǎn)生的電力。在容納150名乘客的10節(jié)車廂以時(shí)速90km運(yùn)行時(shí)，從剎車到列車停止的30秒內(nèi)大約能夠產(chǎn)生1500kW的再生電量。產(chǎn)生的再生電力通過專門架設(shè)的電線輸送給其他列車。其他列車以這些再生電量為動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)了列車的節(jié)能運(yùn)行。
鐵路所引進(jìn)的另一個(gè)節(jié)能技術(shù)是采用了“可變電壓可變頻率（VVVF）變壓控制裝置”以更有效地制動(dòng)。這一裝置可將上述供電線路中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，根據(jù)電車的加速度和速度的變化調(diào)整電壓和頻率，從而使得電機(jī)更有效運(yùn)轉(zhuǎn)。其最大優(yōu)點(diǎn)就是比過去的列車減少了約30%的耗電量。
京王電鐵公司 最早引進(jìn)節(jié)能技術(shù)
最早引進(jìn)這兩項(xiàng)技術(shù)的是京王電鐵公司。同時(shí)采用再生電力裝置與VVVF變壓控制裝置后，一節(jié)列車運(yùn)行1千米所消耗的必要電量比過去減少了約45%。
京王電鐵公司在2000年就出臺(tái)了環(huán)保基本方針，很早就致力于環(huán)保問題的對(duì)策研究。目前公司在京王線與井之頭線全線皆完成了再生能源利用設(shè)備的安裝，2012年9月已在全部列車上安裝了VVVF變壓控制裝置。大手鐵道公司約有50%的列車安裝了VVVF變壓控制裝置。目前，只有京王電鐵公司運(yùn)營(yíng)的全部線路上都采用了節(jié)能技術(shù)。
東京地鐵公司計(jì)劃在2015年投入運(yùn)行的銀座線列車上安裝永磁同步電機(jī)，力求更加節(jié)能。電車上的主流電機(jī)目前都是利用電樞線圈產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而采用了永磁同步電機(jī)后，永久磁鐵代替了電樞線圈，從而不再需要為其供電，有效控制了電量損耗。該公司目前同時(shí)采用了永磁同步電機(jī)與VVVF變壓控制設(shè)備，預(yù)計(jì)能耗將比過去的列車減少約37%，一組列車每天能夠節(jié)約920kWh的用電。
再生電力可不通過變電站直接輸送
隨著電機(jī)技術(shù)每年不斷革新進(jìn)步，所產(chǎn)生的再生電力總量也在不斷增加。然而，再生電力無法得到充分利用的問題也逐漸顯現(xiàn)。
電車在發(fā)車時(shí)用電最多，因此產(chǎn)生再生電力后必須有其他電車發(fā)車，這樣才能得到有效利用。一旦時(shí)機(jī)不對(duì)，再生電力就會(huì)被浪費(fèi)。鑒于此問題，京王電鐵公司打造了不通過變電站便可直接輸送再生電力的系統(tǒng)。該設(shè)備以最短的線路輸送再生電力，使產(chǎn)生的再生電力盡可能多地得到利用。
東京地鐵則在2014年6月開始投入使用“車站輔助電源設(shè)備”，可使多余的再生電力用于車站內(nèi)的照明和空調(diào)用電。該設(shè)備能夠通過監(jiān)視線路電壓的變化，來判斷電車是否即將進(jìn)站。如附近沒有進(jìn)站列車，那么再生電力將通過該裝置為車站內(nèi)的電力設(shè)備提供電源。
減小設(shè)備體積 縮小占地面積
地鐵因每站之間間隔較短，且轉(zhuǎn)彎較多，所以列車剎車的頻率更高。雖然產(chǎn)生了更多的再生電力，但不能充分利用的情況時(shí)有發(fā)生。與此同時(shí)，地鐵因?yàn)槌Ｄ晷枰_啟照明和空調(diào)等設(shè)備，導(dǎo)致耗電量巨大，因此如何將這些浪費(fèi)的再生電力投入站內(nèi)設(shè)備使用，成為目前要解決的難題。
在相對(duì)狹窄的地鐵隧道空間內(nèi)安裝設(shè)備，最大的問題是如何將設(shè)備做小。這一設(shè)備由三菱電機(jī)制造，采用碳化硅來替代普通的硅作為半導(dǎo)體材料，減少了半導(dǎo)體的發(fā)熱，簡(jiǎn)化了冷卻裝置。而整個(gè)設(shè)備的線路空隙等方面都盡可能做到了小型化。
該設(shè)備首先在日本東西線的妙典站投入使用，試驗(yàn)結(jié)果顯示，一天節(jié)省下的電量約為600kWh，相當(dāng)于60戶家庭一整天的耗電量。東京地鐵公司車輛部設(shè)計(jì)科負(fù)責(zé)人大橋聰表示，這種小型的設(shè)備尤其適合在地鐵站內(nèi)使用。他透露，這一設(shè)備預(yù)計(jì)很快將在另外7個(gè)車站投放使用。
蓄電池也同樣被用于節(jié)能發(fā)電措施中，利用蓄電池儲(chǔ)存再生電力，在需要時(shí)提供給電車，從而達(dá)到高效利用的目的。
東日本旅客鐵路公司（JR東日本公司）從2013年2月開始，在青梅線的拜島變電站安裝了容量為76.12kWh的鋰電池，該蓄電池放置在距離首都圈50km左右的地方，儲(chǔ)存的再生電力將為列車提供動(dòng)力。該裝置在一年內(nèi)為列車運(yùn)行提供了約40萬kWh的再生電力，相當(dāng)于減少了拜島變電站4%～5%的能耗。
當(dāng)下難題是電力輸送與控制成本
然而，采用鋰電池蓄電的成本高達(dá)數(shù)億日元。由于短期內(nèi)無法看到投資收益，因此公司目前正在努力拓展該蓄電池技術(shù)的使用范圍，甚至考慮將其應(yīng)用于災(zāi)害時(shí)應(yīng)急使用等。
JR東日本公司同時(shí)也在對(duì)可再生能源進(jìn)行開發(fā)利用。如在車站內(nèi)采用太陽(yáng)能發(fā)電為主的環(huán)保技術(shù)，并且已經(jīng)計(jì)劃將在今后逐步推廣這種“環(huán)保站點(diǎn)”。
大型太陽(yáng)能發(fā)電站同樣被用于節(jié)能措施中，2014年2月，公司在京葉線的車輛段的地基建設(shè)中，引進(jìn)了輸出功率達(dá)1050kW的太陽(yáng)能發(fā)電站。太陽(yáng)能發(fā)電將用于車輛段內(nèi)的使用，其余的經(jīng)由變電站為電車運(yùn)行提供能源。該發(fā)電站建成之后，每年約可以節(jié)省100萬kWh的電量，減少500噸的二氧化碳排放量。公司還計(jì)劃在未來繼續(xù)建設(shè)5個(gè)這種大型太陽(yáng)能發(fā)電站。
在利用再生能源方面，如何讓發(fā)電電力得到有效利用，以及如何降低成本，成為今后需要解決的課題。隨著太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備建設(shè)的逐步增多，解決儲(chǔ)存電力以及輸送電力問題的必要性也在逐步凸顯。
該公司計(jì)劃在未來和機(jī)電制造企業(yè)一道，共同推進(jìn)可將太陽(yáng)能發(fā)電輸送至遠(yuǎn)距離車站的變壓器的研發(fā)。公司鐵道事業(yè)總部電網(wǎng)部門電力技術(shù)小組的負(fù)責(zé)人稱，為了加快技術(shù)研發(fā)，公司增加了投資，力求將太陽(yáng)能發(fā)電站的電力實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸送。
將來，該技術(shù)有望與ICT技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成集發(fā)電、送電和用電為一體的綜合電力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“鐵路智能電網(wǎng)”的目標(biāo)。
