日本鐵路致力于高效節(jié)能 采用LED SiC新型半導(dǎo)體

受東日本大地震和少子老齡化等影響，日本鐵路行業(yè)的業(yè)務(wù)環(huán)境正在發(fā)生巨變。本站將分兩次介紹鐵路技術(shù)第一線的情況。首先是為實(shí)現(xiàn)節(jié)能而采取的舉措。

日本的鐵路行業(yè)如今處在劇烈的環(huán)境變化之中。對(duì)節(jié)能要求嚴(yán)格是重大變化之一。

日本鐵路企業(yè)很早以前就開(kāi)始致力于節(jié)能。與其他交通工具相比，鐵路的人均運(yùn)輸能耗原本就比較低。例如，新干線的人均運(yùn)輸能耗只有飛機(jī)的25分之1。

但是，受到近期電力供求變化的影響，鐵路已經(jīng)不能再高枕無(wú)憂。東日本大地震發(fā)生后，核電站停運(yùn)造成的全國(guó)性電力短缺對(duì)鐵路造成了巨大的影響。地震剛剛過(guò)后，日本東部地區(qū)的鐵路企業(yè)就開(kāi)始全面開(kāi)展節(jié)能運(yùn)動(dòng)，隨著核電站停運(yùn)，西部地區(qū)的鐵路企業(yè)也同樣開(kāi)始了行動(dòng)。

鐵路領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)一直在進(jìn)步。以新干線為例，現(xiàn)在的“N700系”與第一代“0系”相比，行駛時(shí)速為220km時(shí)，耗電量減少了約一半，與上一代的“700系”相比，耗電量也減少了約20%。但在今后，要想進(jìn)一步提高能源效率，就必須采用新技術(shù)。普通鐵路的情況也同樣如此。

地鐵采用LED和新型半導(dǎo)體

于2012年4月投入運(yùn)行的東京地鐵(東京Metro)銀座線新“1000系”車(chē)輛，其外觀令人聯(lián)想起老“1000系”——1927年開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)的亞洲最早的地鐵所使用的地鐵車(chē)輛，但內(nèi)部卻大不相同，采取了大量改善措施以提高性能。

例如，為了提高乘客的乘坐舒適度，車(chē)內(nèi)加大空調(diào)的輸出功率，強(qiáng)化了空調(diào)的功能;把車(chē)內(nèi)顯示器改換為17英寸的寬屏液晶顯示器，提高了視認(rèn)性。但強(qiáng)化這些功能后，車(chē)輛的耗電量趨于增加。為此，新1000系采用了削減耗電量的技術(shù)。其中具代表性的是前部標(biāo)識(shí)燈(前燈)和車(chē)廂燈采用的LED照明。東京Metro稱(chēng)，地鐵前燈采用LED“尚屬首次”。

雖然主燈只有32瓦，輔燈只有16瓦，但亮度卻與過(guò)去的150瓦級(jí)前燈相當(dāng)。車(chē)廂燈也在確保亮度等于或大于過(guò)去熒光燈的同時(shí)，削減了約40%的耗電量。車(chē)廂燈的LED照明壽命約為4萬(wàn)個(gè)小時(shí)，大約是熒光燈的3.5倍。

不只是照明，馬達(dá)也實(shí)現(xiàn)了高效率化。采用的是比普通感應(yīng)馬達(dá)效率更高的永磁同步馬達(dá)。除此之外，為了減輕曲線行駛時(shí)的振動(dòng)和噪聲，車(chē)輛還配備了能夠沿曲線平穩(wěn)行駛的“徑向轉(zhuǎn)向架”。使原本固定在轉(zhuǎn)向架上的車(chē)軸的朝向能夠沿軌道的曲線活動(dòng)。東京Metro稱(chēng)，這種方式應(yīng)用于地鐵也是日本“國(guó)內(nèi)首次”。

并且，同屬銀座線的其他客運(yùn)車(chē)輛采用了使用新材料SiC(碳化硅)的功率半導(dǎo)體。半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)此寄予了厚望，認(rèn)為這一技術(shù)“應(yīng)用于鐵路，將會(huì)大大地加速普及”。功率半導(dǎo)體的作用是在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，或是為電池充電時(shí)控制或供給電力。與使用Si(硅)的現(xiàn)行功率半導(dǎo)體相比，使用SiC的功率半導(dǎo)體能夠大幅降低電力損耗，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。

最先著手采用的是三菱電機(jī)公司。2011年10月，該公司發(fā)布了配備SiC功率半導(dǎo)體的逆變器?，F(xiàn)在，銀座線“01系”的部分車(chē)輛已經(jīng)配備了這種逆變器。

緊隨三菱電機(jī)之后的是東芝公司。該公司于2011年12月發(fā)布了使用SiC功率半導(dǎo)體的逆變器。三菱電機(jī)與東芝的逆變器是用于接觸網(wǎng)供應(yīng)的電壓為直流600伏或750伏的鐵路。之后，日立制作所又在2012年4月發(fā)布了為1500伏直流接觸網(wǎng)開(kāi)發(fā)的使用SiC功率半導(dǎo)體的逆變器。

附屬設(shè)備的節(jié)能也是當(dāng)務(wù)之急

在車(chē)輛之外的領(lǐng)域，車(chē)站等附屬設(shè)備的耗電量也是一個(gè)重大課題。

現(xiàn)在，日本的鐵路運(yùn)營(yíng)商為了應(yīng)對(duì)少子老齡化造成的減收，在經(jīng)營(yíng)運(yùn)輸業(yè)務(wù)的同時(shí)，還在擴(kuò)大非運(yùn)輸業(yè)務(wù)。正在開(kāi)展的措施包括增設(shè)站內(nèi)店鋪、經(jīng)營(yíng)商業(yè)設(shè)施、擴(kuò)大數(shù)字標(biāo)牌(電子標(biāo)牌)及完善高速通信網(wǎng)等。這些設(shè)施的耗電量占據(jù)的比例越來(lái)越大。某鐵路人士稱(chēng)：“耗電量之大已經(jīng)到了不能稱(chēng)之為‘附屬’的地步?！?/P>

例如，在東日本旅客鐵路公司(JR東日本)2010年度的總銷(xiāo)售額中，非運(yùn)輸業(yè)的比例超過(guò)了3成。與之相呼應(yīng)，該公司鐵路運(yùn)行以外的能耗也擴(kuò)大到了整體的約3成。

車(chē)站耗電量占鐵路運(yùn)營(yíng)商用電量的約20%，并呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。為了阻止這種趨勢(shì)，鐵路運(yùn)營(yíng)商開(kāi)始在車(chē)站采用光伏發(fā)電系統(tǒng)和LED照明等。

JR東日本推行的“環(huán)保車(chē)站”就是一個(gè)很好的例子。2012年春季，東京四谷站成為了第一座環(huán)保車(chē)站。車(chē)站與相鄰商業(yè)設(shè)施的屋頂設(shè)置了光伏發(fā)電系統(tǒng)，僅車(chē)站就具備50千瓦(kW)的輸出功率。

站臺(tái)和大堂的照明采用LED。顯示站名等信息的電子顯示器、乘務(wù)員所用監(jiān)視器的背照燈也采用LED。除了設(shè)置采光天窗，以便白天能夠關(guān)燈之外，車(chē)站業(yè)務(wù)設(shè)施中還設(shè)置了家用燃料電池。

JR東日本的目標(biāo)是，通過(guò)以上舉措，與2008年度相比，將四谷站的二氧化碳排放量減少約40%。該公司預(yù)定今后逐漸增加環(huán)保車(chē)站的數(shù)量。

使用LED替代熒光燈和白熾燈泡能夠減少耗電量，而根據(jù)情況控制LED照明還可以進(jìn)一步省電。出于這一目的，東京急行電鐵公司的自由丘站嘗試采用了松下的LED照明及其控制系統(tǒng)。

照明控制系統(tǒng)利用設(shè)置在車(chē)站各處的人感傳感器，根據(jù)乘客的數(shù)量自動(dòng)調(diào)整LED照明的照度。比方說(shuō)在人流量小時(shí)調(diào)暗。而且，車(chē)站的站臺(tái)還配置了與人感傳感器合為一體的照度傳感器。能夠在晴朗的白天將LED照明調(diào)暗，在陰雨的白天調(diào)亮。

大堂的LED照明還能根據(jù)時(shí)段調(diào)整色調(diào)。在清晨的通勤時(shí)段采用振奮精神的“日光色”，在傍晚采用“白色～暖白色”。夜晚則改用柔和的“白熾燈色”。

除了LED照明之外，自由丘站還采用了有機(jī)EL(電致發(fā)光)照明。松下稱(chēng)，其效果是整座車(chē)站的照明耗電量“最多減少了約37%，平均減幅約為30%，具體數(shù)字取決于使用情況”。而且，通過(guò)采用照明控制系統(tǒng)，耗電量預(yù)計(jì)將減少約50%。照明在整座車(chē)站耗電量中所占的比例約為50%，由此計(jì)算，整體耗電量大約可減少25%。

海外出口賦予日本商機(jī)

此外，在節(jié)能對(duì)策方面，很值得關(guān)注的是大型鐵路運(yùn)營(yíng)商自身?yè)碛兴Πl(fā)電和火力發(fā)電等大規(guī)模發(fā)電設(shè)備。

JR東日本擁有利用水力的信濃川發(fā)電站(最大功率44.9萬(wàn)kW)和利用火力的川崎發(fā)電站(最大功率65.5萬(wàn)kW)等獨(dú)立發(fā)電設(shè)備。鐵路運(yùn)營(yíng)商在車(chē)站和商業(yè)設(shè)施等場(chǎng)所設(shè)置光伏發(fā)電、燃料電池系統(tǒng)等分散電源時(shí)，如何構(gòu)筑使分散電源與大規(guī)模發(fā)電設(shè)備實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)的系統(tǒng)，這一點(diǎn)備受關(guān)注。

這是因?yàn)?，鐵路運(yùn)營(yíng)商對(duì)于設(shè)置分散電源，能夠根據(jù)其是否具有節(jié)能效果、是否有助于提高沿線價(jià)值進(jìn)行綜合判斷，按照自己的意志進(jìn)行設(shè)置。而且，站在參與車(chē)站周邊再開(kāi)發(fā)的立場(chǎng)上，鐵路運(yùn)營(yíng)商還能夠發(fā)揮系統(tǒng)集成商的作用，使用于提升沿線魅力的服務(wù)與鐵路基礎(chǔ)設(shè)施、能源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。[!--empirenews.page--]

現(xiàn)在，為了把鐵路基礎(chǔ)設(shè)施打造成出口產(chǎn)業(yè)，日本已經(jīng)展開(kāi)了行動(dòng)，面對(duì)歐洲、中國(guó)及韓國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)，如今只有取勝一個(gè)選擇。但單憑鐵路基礎(chǔ)設(shè)施很難決出勝負(fù)。正因?yàn)槿绱?，鐵路運(yùn)營(yíng)商提出的能夠使能源系統(tǒng)與各項(xiàng)服務(wù)聯(lián)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)綜合性沿線開(kāi)發(fā)的方案，才具有其他國(guó)家不具備的吸引力。為此，由JR東日本、西日本旅客鐵路(JR西日本)、東京Metro等10家公司出資，于2011年11月成立了旨在強(qiáng)化海外鐵路市場(chǎng)開(kāi)拓的咨詢(xún)企業(yè)日本Consultants公司(Japan International Consultants for Transportation)。

編輯：李杰