從紅樹林站起步,淡海輕軌通車後提供了更便捷的載客服務,也帶動了淡水的觀光。但其實,這條北台灣唯一的輕軌除了載客外,還有意想不到的節能效果。列車在下坡或停車時,剎車系統會將車輪的動能轉換成電能儲存在電池裡,再作為之後列車行進使用。

剎車回升電力只是好處之一,在其他方面,電能在軌道交通也有絕佳優勢。ABB 運動控制事業部牽引系統業務副理鄭藶辰說。

電力 2 大關鍵優勢,成大型交通載具唯一選擇

最早以前軌道交通的主要動力系統是燃煤,也就是現在大家所熟知的「火車」。不過,火車動力系統早在數十年前就從內燃機轉換為電力,台灣在 1973 年啟動鐵路電氣化政策後,現在除了極少數特定的懷舊觀光路線仍使用蒸氣車頭外,其他列車也都已全面電氣化。

鄭藶辰表示,除了鐵路外,包括穿梭在城市中的捷運、地鐵,電能是目前的唯一選擇,主要原因在於能源使用效率和衍生功能。

鄭藶辰進一步以能源使用效率說明,現在機械設備的動力來源無非是引擎和馬達,引擎的內燃機架構需要先經過燃料燃燒和層層機械結構,才能轉換成動能;相較之下,馬達直接透過電磁轉換效應直接產生動能,因此後者具有先天上的優勢

根據美國能源局的報告,電動車的能源轉換效率可達到 77%82%,而純內燃機汽車則僅有 12%30%,由此可見兩種架構的差距。

除了能源使用效率外,電力在交通載具的另一個優點,就是能量可儲存。可儲存的電力從而衍生出了多種功能,包括淡海輕軌剎車回升電力就是其一。「剎車回升電力的應用廣泛,從軌道列車到電動機車、電動公車甚至是電梯都會用到,想像空間非常大。

鄭藶辰以工地挖掘機為例,挖掘機駕駛在控制抓斗及手臂時,會不斷地在出力及煞車間切換以整角度和路徑,這些煞車所消耗的動能都可以經由回升電力機制轉換成電能儲存起來,積少成多便成為可觀的能源存量。

安全性才是交通運輸最大關鍵

「雖然有上述兩種優勢,但電力架構的效益要在軌道交通系統中順利浮現並不容易。」鄭藶辰解釋,軌道交通屬於大眾運輸工具,系統的安全性與穩定性要求非常高,且必須通過 SIL(安全完整性等級)認證。此認證對系統中各項軟硬體失效機率非常嚴格,且即便系統失效,也必須完全確保乘客的安全。

繼安全性之後,軌道交通系統的第二個重要指標是可用性。系統必須一年 365 天,每天持續 10 幾個小時運作,才能撐起城市的運輸量。因此系統不僅必須穩定可靠,還需要具備快速維修機制,讓可用性可以最大化。

不過無論是哪一種系統,安全性和可用性往往是天秤的兩端。過高的安全考量,往往會限制系統的可用空間,反之亦然,「這是兩難局面,系統建構者必須在這之間權衡取捨,而如何找到平衡點,就要靠專業與經驗。ABB 長期協助各大城市建構軌道交通動力系統,無論是專業或經驗,都是業界首屈一指。」鄭藶辰表示。

ABB 運動控制部門業務副理鄭藶辰表示,安全性與可用性是軌道交通系統兩大重要指標。

ABB 大幅提升能源效益,降低環境污染

ABB 在全球工程領域具有一定的知名度,旗下包括電氣、工業機器人、自動化和運動控制等四大產品群,在軌道交通的電力傳動早有完整的產品布局,而淡海輕軌的推進換流器、輔助電源換流器、充電機、牽引馬達、LTO儲能系統等動力產品都是由該公司提供

為因應軌道交通系統的安全、節能與可用性需求,ABB 持續投入研發,並陸續推出多款解決方案。鄭藶辰以近期推出的三階變流器 (3 level inverter) 為例,「這款產品的諧波更小,調變出的電流失真度更低,進而降低變壓器及馬達的震動,並可再節省 15~20% 的能源消耗,至今國內外已有超過 50 個以上的大型車輛專案採用。」

除了礦車外,此一產品也適用於戶外的船舶、接駁巴士之類的短程運輸工具,甚至是工程吊車、軌道系統的磨軌車,也都可藉由 ABB 的馬達與三階變流器減少噪音、降低環境污染。

台灣輕軌儲能系統更穩定、更安全

另一款軌道交通的指標性產品則是鈦酸鋰(LTO)電池。ABB 利用鈦酸鋰電池,為淡海輕軌打造出台灣唯一的輕軌儲能系統

鄭藶辰指出,一般輕軌採用超級電容,雖然可快速充電,但容量和功率密度都偏低,所以無法儲存大量電力,「ABB 所採用的鈦酸鋰(LTO)電池,有高穩定度、無法燃燒、快速充放電與長生命週期等優點。其中,不燃燒的特點對於高度需要安全性的場域是最佳的選擇,除了適合輕軌、電動巴士、工程機械車、船舶等大型運具之外,作為天然氣廠、化工廠的儲能系統也是最佳首選。

藉由三階變流器、LTO 電池等解決方案與過去佈建的產品線,ABB 已協助全球多座城市打造完善的軌道交通系統,並累積了豐富的成功經驗。

近期 ABB 也開始協助台北捷運,為運行超過 20 年的板南線系統升級ABB 來台已超過 30 年,未來也將會持續深耕台灣市場。鄭藶辰進一步強調,ABB 在協助客戶建構先進系統的同時,也積極與本地廠商合作,「我們是極少數願意將技術留在台灣的外商,希望透過我們的專業與經驗,與台灣夥伴攜手,共同嘗試電力系統在軌道交通的更多可能性,開拓商機龐大的電能藍海市場。