電能在未來(lái)交通運(yùn)輸中的應(yīng)用

郭屹安

（石家莊市第一中學(xué)，河北 石家莊 050011）

0 引言

人們的生活離不開(kāi)交通運(yùn)輸，交通運(yùn)輸行業(yè)也是一個(gè)國(guó)家的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。交通運(yùn)輸?shù)哪康氖菍?shí)現(xiàn)人或物的空間位置轉(zhuǎn)移，在這個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程中，需要消耗能量以克服摩擦阻力、空氣阻力以及物質(zhì)慣性。在人類(lèi)文明發(fā)展之初，人們能利用的能量主要為人力和畜力，甚至這兩種動(dòng)力直到今天還在使用，如人力車(chē)、狗拉雪橇。后來(lái)隨著人們對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的深入，逐漸掌握了利用一些自然現(xiàn)象中蘊(yùn)含的能量來(lái)完成交通運(yùn)輸，如帆船。在第一次工業(yè)革命中，人們掌握了蒸汽機(jī)這種動(dòng)力，于是在1825年誕生了火車(chē)。到19世紀(jì)后期，電力技術(shù)催生了第二次工業(yè)革命，電氣化鐵路在1879年應(yīng)運(yùn)而生。而今，人類(lèi)的主要交通工具或者依靠以石油及其衍生物為代表的化石能源作為動(dòng)力，或者依靠電力能源作為動(dòng)力。

面向未來(lái)，人們對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨笾粫?huì)越來(lái)越大，人類(lèi)社會(huì)的生活品質(zhì)也會(huì)更加的依賴(lài)交通運(yùn)輸行業(yè)。同時(shí)，交通運(yùn)輸行業(yè)的能量消耗勢(shì)必逐步增大。在能源越來(lái)越緊缺的今天，我們有必要探討今后交通運(yùn)輸應(yīng)該發(fā)展哪種動(dòng)力形式，哪種能源是未來(lái)交通運(yùn)輸可持續(xù)依賴(lài)的能源。

1 電能在今后的優(yōu)勢(shì)地位

當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展對(duì)能源的依賴(lài)程度不斷增加，生態(tài)環(huán)境對(duì)能源的約束力越來(lái)越強(qiáng)，能源問(wèn)題在全世界范圍內(nèi)受到廣泛的關(guān)注。截至目前，雖然化石能源的剩余存儲(chǔ)量尚未對(duì)全球能源供應(yīng)造成實(shí)質(zhì)性約束，但是由于化石能源的不可再生性和全球能源區(qū)域性供應(yīng)和消費(fèi)的失衡，以及化石能源消費(fèi)帶來(lái)的溫室氣體排放，使得如何保障能源的可持續(xù)性供應(yīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)?？v觀全球能源與科技形式，新的技術(shù)革命必然是一場(chǎng)能源技術(shù)革命。

電能的巨大優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為：

（1）可以快速遠(yuǎn)距離傳輸，其使用不受地域限制。

（3）使用過(guò)程清潔無(wú)污染，不排煙排氣。

（4）使用過(guò)程中變換、控制方便靈活。

（5）產(chǎn)生形式多樣，可以綜合利用各種一次能源，無(wú)枯竭之慮。

在能源生產(chǎn)領(lǐng)域，各國(guó)正在積極探索新能源發(fā)電。風(fēng)能、太陽(yáng)能、水力、潮汐及地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹拈_(kāi)發(fā)及利用，新一代核能利用技術(shù)，將成為能源生產(chǎn)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。未來(lái)清潔能源發(fā)電量及比重如圖1所示。新一輪能源技術(shù)革命，將是一次以技術(shù)創(chuàng)新為先導(dǎo)，以電力為中心，以優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展為目標(biāo)的深刻變革。

圖1 未來(lái)清潔能源發(fā)電量及比重

2 交通運(yùn)輸中的電能應(yīng)用

2010年我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)終端能源消費(fèi)總量達(dá)到2.1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中89%為油品 （只統(tǒng)計(jì)交通運(yùn)輸部門(mén)運(yùn)營(yíng)的公共交通工具的用油量，未統(tǒng)計(jì)其他部門(mén)和私人車(chē)輛的用油量），在世界終端能源消費(fèi)中所占比重約為27.4%。在未來(lái)，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗將持續(xù)增長(zhǎng)，在交通領(lǐng)域?qū)⑼七M(jìn)以電代油，提高交通行業(yè)電氣化水平可以減少化石能源消費(fèi)，減小環(huán)境污染，構(gòu)建綠色交通體系。

以電能作為交通運(yùn)輸能源，具有功率大、噪聲低、容易實(shí)現(xiàn)精密控制等顯著優(yōu)勢(shì)，具有良好的發(fā)展前景。

2.1 電氣化鐵路

電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、速度快、環(huán)境友好、能源消耗少等諸多優(yōu)勢(shì)，在中長(zhǎng)距離、大運(yùn)量貨物運(yùn)輸方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，也是中長(zhǎng)途旅客運(yùn)輸及高密度城際旅客運(yùn)輸?shù)墓歉闪α俊?000年在非洲召開(kāi)的世界鐵路會(huì)議上，國(guó)際專(zhuān)家和學(xué)者一致認(rèn)為，在客貨運(yùn)量大、基礎(chǔ)設(shè)施比較好的國(guó)家應(yīng)大力發(fā)展電氣化鐵路，其電氣化率應(yīng)達(dá)到50%～60%以上。

SPSS21.0統(tǒng)計(jì)分析,計(jì)量資料數(shù)值用±s表示,均行正態(tài)分布檢驗(yàn),采用雙側(cè)檢驗(yàn),比較用t檢驗(yàn)。組內(nèi)治療前后采用配對(duì)t檢驗(yàn),兩組組間比較則用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料率用卡方檢驗(yàn)。P<0.05:差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

實(shí)踐證明，相較于傳統(tǒng)的內(nèi)燃牽引，電力牽引的優(yōu)越性越來(lái)越大，如電力機(jī)車(chē)的效率要比內(nèi)燃機(jī)車(chē)高54%，電力牽引運(yùn)輸成本比內(nèi)燃牽引低60%，卻實(shí)現(xiàn)了更高的運(yùn)營(yíng)速度，而且電力牽引恒功率范圍寬，電制動(dòng)功率也大，所以啟、制動(dòng)和加、減速性能也更為優(yōu)越。電力牽引這種快跑、多拉的特性能更充分地滿足鐵路運(yùn)輸對(duì)提高行車(chē)速度、增加列車(chē)重量和加大行車(chē)密度的綜合要求，可以明顯改善社會(huì)物流狀況和人們的旅行條件，并能緩解交通堵塞、減少大氣污染、節(jié)省石油及土地等有限資源。

2.2 城市軌道交通

城市軌道交通是現(xiàn)代生活中與我們息息相關(guān)的重要城市組成部分，具有運(yùn)輸量大、安全性高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，能有效地緩解城市交通擁堵的情況。常見(jiàn)的種類(lèi)主要包括地鐵、有軌電車(chē)、輕軌、磁懸浮鐵路等。城市軌道交通普遍采用電動(dòng)車(chē)組，能夠適應(yīng)頻繁啟停、加速快的需要，并且無(wú)污染。電動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行線路固定，自身不攜帶電能。大多數(shù)是在行駛過(guò)程中從牽引網(wǎng)上獲取電能，也有的（如高速磁懸浮列車(chē)）是通過(guò)對(duì)行駛的專(zhuān)用軌道逐段供電獲得動(dòng)力。從供電的角度看，無(wú)論是地鐵還是輕軌或是其他城市軌道交通形式，差異僅在于輸送電能的方式和多少有所不同。

我國(guó)城市軌道交通建設(shè)正處于快速發(fā)展時(shí)期，截至2017年末，中國(guó)內(nèi)地共34個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通線路165條，總運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到5033km，累計(jì)完成客運(yùn)周轉(zhuǎn)量1513.6億人公里，在建線路長(zhǎng)度6246km，規(guī)劃線路總長(zhǎng)7424km。運(yùn)營(yíng)規(guī)模、客運(yùn)量、在建線路長(zhǎng)度、規(guī)劃線路長(zhǎng)度均創(chuàng)歷史新高。按平均人公里能耗為0.166kWh計(jì)算，2017全年全國(guó)城市運(yùn)營(yíng)軌道交通線路總能耗達(dá)250億度電，其中，牽引與通風(fēng)空調(diào)用電占總能耗的比例分別約為50%和35%。

城市軌道交通已經(jīng)成為大型城市的重要甚至最大電能用戶，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，采取技術(shù)對(duì)策進(jìn)行節(jié)能增效勢(shì)在必行。以地鐵為例，地鐵主要是為了緩解大城市交通壓力，其站間平均距離在1km左右。由于列車(chē)站間距離短，列車(chē)需頻繁啟動(dòng)，所以車(chē)速一般在80km/h～100km/h。地鐵車(chē)輛再生制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)量可觀的電能。一般可達(dá)牽引能量的30%～40%。再生制動(dòng)就是車(chē)輛在減速制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的電能回饋到直流網(wǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)地鐵列車(chē)均采用車(chē)載制動(dòng)電阻方式進(jìn)行電氣制動(dòng)，制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)剩電能不得不消耗在車(chē)載電阻上，這會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使線路周?chē)?，特別是隧道內(nèi)空氣溫度升高，也反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步增加了車(chē)站內(nèi)和車(chē)上空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，造成城市軌道交通線路運(yùn)營(yíng)成本增加。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸涌現(xiàn)了再生制動(dòng)能量的利用方法，包括儲(chǔ)能式和逆變回饋式。逆變回饋型吸收裝置利用逆變器將直流電逆變回交流電網(wǎng)，然后供給其他設(shè)備負(fù)載使用。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置主要是蓄電池，隨著科技的不斷進(jìn)步，超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能作為新興儲(chǔ)能方式的代表，近年來(lái)得到了普遍的重視和大力發(fā)展，并且在城市軌道交通中有所應(yīng)用。例如，2007年，西武鐵道公司在阿賀野變電所安裝了超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置；2013年?yáng)|日本鐵道公司在拜島牽引變電所建成鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等。如果可以合理利用再生制動(dòng)能量，將對(duì)節(jié)能產(chǎn)生積極的影響，降低運(yùn)營(yíng)成本。

2.3 電動(dòng)汽車(chē)

汽車(chē)的應(yīng)用可以追溯到1886年，在現(xiàn)代社會(huì)生活中，汽車(chē)已成為不可缺少的代步和運(yùn)輸工具，極大地改善著人們的生活方式，擁有汽車(chē)的人口或家庭比例，也成為衡量一個(gè)國(guó)家社會(huì)發(fā)展的重要指標(biāo)。但同時(shí)，汽車(chē)的大量應(yīng)用也造成了石油消耗和環(huán)境污染等一系列嚴(yán)峻問(wèn)題。為了尋找新的發(fā)展空間，從20世紀(jì)90年代初起，世界各大汽車(chē)集團(tuán)公司相繼研制出多種電動(dòng)汽車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)概念車(chē)，如1990年通用汽車(chē)的Impact純電動(dòng)轎車(chē)，1992年福特汽車(chē)使用鈣硫電池的Ecostar，1996年豐田汽車(chē)使用鎳氫電池的RAV4LEV，1996年法國(guó)雷諾汽車(chē)的Clio。

電動(dòng)汽車(chē)除了在能源、節(jié)能環(huán)保方面展現(xiàn)巨大的競(jìng)爭(zhēng)力外，在車(chē)輛性能方面也展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。電動(dòng)汽車(chē)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，電機(jī)可進(jìn)行分散配置，易于實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和四輪轉(zhuǎn)向。隨著網(wǎng)絡(luò)、信息、線控技術(shù)等技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得智能交通系統(tǒng)和無(wú)人駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)成為可能。

電動(dòng)汽車(chē)在廣義上可分為3類(lèi)：純電動(dòng)汽車(chē)（BEV）、混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）、燃料電池汽車(chē)（FCEV）。電動(dòng)汽車(chē)依靠電池提供動(dòng)力，電池也是一直制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的主要因素。目前為止，電動(dòng)汽車(chē)用電池大致經(jīng)歷了3代發(fā)展。第一代鉛酸電池憑借高能量比、價(jià)格低和能高倍率放電得到了廣泛利用。第二代為堿性電池，主要有Ni-Cd、Li-ion、Zn/Air等，其比能量及比功率較鉛酸電池都高，但價(jià)格卻比鉛酸電池高。第三代是以燃料電池為主的電池，直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，是較為理想的汽車(chē)用電池，但目前仍處于研制階段。受電池容量和壽命的影響，BEV目前僅適用于短距離低速行駛，HEV因存在雙動(dòng)力源，因此即可以滿足正常駕駛，又降低了排放，在目前的技術(shù)水平下，實(shí)用價(jià)值較高，F(xiàn)CEV具有較大的潛力，有望在未來(lái)得到突破性進(jìn)展。

為了扶持電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，2009年開(kāi)展“十城千輛”計(jì)劃，主要在城市的公交、出租、公務(wù)市政等領(lǐng)域推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用。未來(lái)10年是中國(guó)新能源汽車(chē)發(fā)展的戰(zhàn)略機(jī)遇期，中國(guó)政府相繼出臺(tái)了一系列電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)政策，并把新能源汽車(chē)列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，提出要重點(diǎn)發(fā)展插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)技術(shù)，開(kāi)展插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)及大規(guī)模商業(yè)化示范工程。未來(lái)中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)將迎來(lái)新一輪的高速發(fā)展。

2.4 電力艦船

目前世界上大多數(shù)軍用及民用艦船主要采用機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，利用高速旋轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)（通常為柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)）通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)降速后驅(qū)動(dòng)螺旋槳以較低速度旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)艦船在水中移動(dòng)。由于現(xiàn)代艦船上離不開(kāi)電控系統(tǒng)，艦船上必須要有電源，因此使用機(jī)械式推進(jìn)系統(tǒng)的艦船一般至少配置兩套原動(dòng)機(jī)，一套用于推進(jìn)，另一套用于發(fā)電。推進(jìn)用原動(dòng)機(jī)的功率占全船總功率的3/4以上，它只能提供給艦船推進(jìn)動(dòng)力，不能提供其他需要能量。

在電力艦船上，采用發(fā)電機(jī)先將高速原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)電力傳輸線將電能輸送給推進(jìn)電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳直接連接，通過(guò)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)換為螺旋槳旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能來(lái)推進(jìn)艦船移動(dòng)。在電力艦船上，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能，除用于推進(jìn)外，也可方便地用于其他電力需求，可以將原有氣動(dòng)、液動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)的輔助機(jī)械及艦載武器裝備實(shí)現(xiàn)電氣化，構(gòu)造成全電力艦船。

采用這種新型電力推進(jìn)方式，由于取消了齒輪箱等大功率后傳動(dòng)機(jī)械裝置和長(zhǎng)軸系，可以顯著地降低運(yùn)行噪聲。此外，全電力艦船可以根據(jù)艦船的航速、載重和電力負(fù)荷變化實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，減小原動(dòng)機(jī)能源消耗，始終保持高效率運(yùn)行，通過(guò)節(jié)能實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)性。

2.5 電力飛機(jī)

按照政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)的報(bào)告，航空運(yùn)輸業(yè)目前貢獻(xiàn)了全球二氧化碳排放量的2%，隨著航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，這個(gè)貢獻(xiàn)量將來(lái)可能增加到3.5%。航空運(yùn)輸業(yè)應(yīng)對(duì)碳排放的一個(gè)有效策略是將飛機(jī)電氣化，以減少燃油消耗，有兩個(gè)技術(shù)路線：全電飛機(jī)和多電飛機(jī)。

全電飛機(jī)是由電機(jī)提供飛機(jī)的航行動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源可由燃料電池、蓄電池、太陽(yáng)能板、超級(jí)電容等供電。由于這類(lèi)新能源電源的功率密度或能量密度還較小，不能提供超大功率或容量電源，目前全電飛機(jī)都是小型飛機(jī)，如空客公司2015年展出的E-Fan 2.0，該飛機(jī)采用兩座設(shè)計(jì)，機(jī)身采用全碳纖維復(fù)合材料，總重只有半噸，在約9.4m長(zhǎng)的機(jī)翼上配備有鋰離子聚合物電池，為兩臺(tái)60kW驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源。E-Fan 2.0不排放二氧化碳，飛行時(shí)也幾乎無(wú)噪聲，最大速度可達(dá)218 km/h，可滯空1h。

多電飛機(jī)仍采用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率可以比較大，而飛機(jī)的常規(guī)四種次級(jí)功率系統(tǒng)（液壓、氣動(dòng)、電氣、機(jī)械）統(tǒng)一用電氣系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如波音公司的787飛機(jī)和空客公司的A380飛機(jī)都采用了多電技術(shù)。此外，核能作為清潔能源之一，核電飛機(jī)將重新引起關(guān)注，美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期已經(jīng)將部分戰(zhàn)略轟炸機(jī)改裝為核動(dòng)力。

2.6 真空管道交通

2013年Elon Musk提出了一個(gè)名為Superloop的超級(jí)列車(chē)計(jì)劃，采用“真空管道”和“膠囊列車(chē)”，2016年建設(shè)了試驗(yàn)段。該運(yùn)輸系統(tǒng)由真空管道、載人艙體、懸浮部件、推進(jìn)系統(tǒng)等部分組成，通過(guò)磁懸浮技術(shù)，將重達(dá)183kg、長(zhǎng)達(dá)4.87m、高約1.5m，能容納4名～6名乘客的膠囊狀艙體“漂浮”于真空管道中，再利用推進(jìn)系統(tǒng)將“膠囊”高速推向目的地。我國(guó)西南交通大學(xué)也建設(shè)了類(lèi)似的小型試驗(yàn)裝置。根據(jù)設(shè)想，真空管道交通系統(tǒng)的速度可以達(dá)到每小時(shí)2000km。

真空管道交通的磁懸浮需要電能，推進(jìn)用的直線電機(jī)也需要電能。由于管道內(nèi)接近真空，膠囊列車(chē)的空氣阻力大大降低，這能顯著減小能耗，此外，在列車(chē)即將到站需要減速時(shí)，動(dòng)能又可通過(guò)直線電機(jī)進(jìn)行能量回收和再利用。真空管道交通所需的電能可以沿線采用太陽(yáng)能發(fā)電裝置，并可配置電池儲(chǔ)能設(shè)施，以滿足運(yùn)行需要。這種真空管道交通今后有望取代飛機(jī)稱(chēng)為人類(lèi)長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ摺?/p>

結(jié)論

由于電能在未來(lái)能源結(jié)構(gòu)中的中心地位，特別是由于電能具有能夠綜合利用各種一次能源不存在枯竭危險(xiǎn)，在使用過(guò)程中清潔無(wú)污染、方便靈活可控等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的公路、鐵路、航空、水運(yùn)等主要交通運(yùn)輸方式中，都將繼續(xù)推進(jìn)以電代油，提高交通運(yùn)輸行業(yè)的電氣化水平，減少化石能源消費(fèi)，減小環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色出行。

以電能作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，常見(jiàn)的交通運(yùn)輸工具都將向著功率大、噪聲低、操控靈活、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。

總之，發(fā)展電氣化交通運(yùn)輸具有重要意義，也是人類(lèi)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然需求，我們應(yīng)該大力支持，并為之努力發(fā)展相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸能源轉(zhuǎn)型，構(gòu)建綠色綜合交通運(yùn)輸體系。