太陽(yáng)能軌道車(chē)輛應(yīng)用前景

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摘要：介紹太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)，并引入了當(dāng)前的太陽(yáng)能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為類(lèi)比研究。重點(diǎn)對(duì)太陽(yáng)能軌道車(chē)輛的當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及應(yīng)用可行性進(jìn)行了分析研究，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望，為科學(xué)研究及工程實(shí)踐提供了必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：軌道車(chē)輛；太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；太陽(yáng)能電池；城市軌道交通；鐵路運(yùn)輸；新能源

1太陽(yáng)能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)

1.1太陽(yáng)能發(fā)電

太陽(yáng)能每秒鐘發(fā)出的能量大約是3.88×1023kW，其中到達(dá)地球的只有22億萬(wàn)分之一，1年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量約為21萬(wàn)億kW，開(kāi)發(fā)1%也有210億kW，是目前世界上主要能源探明儲(chǔ)量的1萬(wàn)倍，遠(yuǎn)大于生物能1億kW，水電3.78億kW，風(fēng)電3.78億kW。太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率高，晶體硅轉(zhuǎn)換效率為15%~20%，是食用生物轉(zhuǎn)換效率的10~30倍，是通過(guò)玉米生產(chǎn)乙醇轉(zhuǎn)換效率的50~100倍，是新建電站建設(shè)運(yùn)行投入產(chǎn)出的15~20倍。太陽(yáng)能可就地取用，無(wú)輸送成本，是無(wú)稅能源[1]。同時(shí)，太陽(yáng)能是一類(lèi)清潔能源，其在開(kāi)發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染和廢料。3kW太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)相當(dāng)于減排放CO2：540kg/a，石油：729L/a，換算森林面積：5544m2。太陽(yáng)能光伏發(fā)電1kW的碳排放量為0，風(fēng)電為6g，水電為20g，天然氣為181g，油為204g，煤為304g。因此，太陽(yáng)能是一類(lèi)清潔能源，有著顯著的減排的效果。

1.2國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)概況及相關(guān)政策

雖然太陽(yáng)能在轉(zhuǎn)換運(yùn)用過(guò)程中較為清潔，但制造太陽(yáng)能電池也需要消耗能量。有資料介紹，太陽(yáng)能電池2.2年的發(fā)電量即可收回制造太陽(yáng)能電池時(shí)使用的電力。近30年來(lái)，太陽(yáng)能技術(shù)在研究開(kāi)發(fā)利用、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開(kāi)拓方面都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。我國(guó)大量生產(chǎn)出口外銷(xiāo)，在國(guó)外裝機(jī)使用，以節(jié)能減排，而我國(guó)高價(jià)引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)雖能獲得一定的附加效益，但起到總體效果并不大。因此，必須掌握和研發(fā)太陽(yáng)能材料和電池生產(chǎn)的核心高端技術(shù)和太陽(yáng)能裝機(jī)應(yīng)用技術(shù)，擴(kuò)大太陽(yáng)能發(fā)電和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，以開(kāi)發(fā)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能材料和電池市場(chǎng)，提高裝機(jī)和應(yīng)用量，達(dá)到節(jié)能減排的效果[2]。加強(qiáng)高端科技的研究開(kāi)發(fā)和擴(kuò)大太陽(yáng)能發(fā)電及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這應(yīng)該是我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能的重中之重。特別是近幾年由于歐、美、日經(jīng)濟(jì)不景氣，我國(guó)太陽(yáng)能材料和電池出口市場(chǎng)大受影響，使太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)剩，這更需要加強(qiáng)太陽(yáng)能發(fā)電和應(yīng)用的推廣。需要國(guó)家出臺(tái)政策，推動(dòng)內(nèi)需，以此對(duì)太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和推廣。

1.3太陽(yáng)能發(fā)電存在的主要技術(shù)問(wèn)題

太陽(yáng)能發(fā)電的主要技術(shù)問(wèn)題是需在晴天才可進(jìn)行有效發(fā)電，而太陽(yáng)能資源自身的分布亦存在較大的不均衡性，這就需與儲(chǔ)能設(shè)備——蓄電池相協(xié)調(diào)配合，把晴天發(fā)電時(shí)所剩余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，而在夜晚和陰雨天使用。同時(shí)只需配備足夠容量的蓄電池，亦可彌補(bǔ)太陽(yáng)能資源的不足。

2太陽(yáng)能汽車(chē)與節(jié)能減排政策

目前，我國(guó)正大力發(fā)展新能源汽車(chē)以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，但實(shí)際上更多采用的是通過(guò)電池充電的電動(dòng)車(chē)，需通過(guò)市電電網(wǎng)充電。而早已普及的電力機(jī)車(chē)和電力動(dòng)車(chē)組，也需自建輸配電系統(tǒng)由市電電網(wǎng)供電，雖在使用中不會(huì)直接燃用煤、油、氣等傳統(tǒng)化石燃料，部分實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排，但由于我國(guó)發(fā)電是以火電為主，水電為輔，核電、風(fēng)電所占比例較小，太陽(yáng)能發(fā)電更少，因此，從全國(guó)范圍而言，節(jié)能減排的效果依然并不顯著。交通運(yùn)輸耗能較高，而且交通發(fā)展速度很快，耗能的速度也在相應(yīng)加快，化石資源亦是日趨枯竭。太陽(yáng)能是一類(lèi)取之不盡、用之不竭的零排放的新能源。因此，發(fā)展太陽(yáng)能電動(dòng)運(yùn)輸設(shè)備是節(jié)能減排的重要途徑。我國(guó)現(xiàn)在正在大力發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，目前還鮮有太陽(yáng)能汽車(chē)問(wèn)世。太陽(yáng)能汽車(chē)是一種靠太陽(yáng)能來(lái)驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)。相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)或蓄電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)，太陽(yáng)能汽車(chē)可達(dá)到真正的零排放[3]。正因?yàn)槠洵h(huán)保的特點(diǎn)，太陽(yáng)能汽車(chē)被諸多國(guó)家所提倡，太陽(yáng)能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也日益蓬勃。

3太陽(yáng)能軌道車(chē)輛

3.1軌道車(chē)輛的技術(shù)特征

軌道車(chē)輛所載定員、列車(chē)質(zhì)量和運(yùn)行速度所需功率比汽車(chē)更大，所以其推廣過(guò)程比太陽(yáng)能汽車(chē)更難。以目前通用的硅太陽(yáng)能電池和最好的鋰離子蓄電池很難實(shí)現(xiàn)，如要即刻應(yīng)用到軌道車(chē)輛領(lǐng)域難度較大，用于高速列車(chē)則更為困難。僅當(dāng)太陽(yáng)能電池的單位面積輸出功率和蓄電池的儲(chǔ)電容量和質(zhì)量大幅提升，車(chē)體質(zhì)量大幅減輕，車(chē)體結(jié)構(gòu)運(yùn)行阻力大幅減少，而且運(yùn)行速度不高時(shí)方才有可能實(shí)現(xiàn)。但軌道車(chē)輛與汽車(chē)相比，其有利的條件是彎道弧度小、坡度小，地面運(yùn)行摩擦阻力小。如果是磁懸浮列車(chē)，地面運(yùn)行摩擦阻力基本為0。

3.2軌道車(chē)輛采用超級(jí)電容電池發(fā)展的可行性

超級(jí)電容電池城市客車(chē)在上海已有數(shù)年的運(yùn)行歷史，其運(yùn)行成本約為常規(guī)燃油城市客車(chē)的1/3，維護(hù)成本僅為1/10。目前存在的主要技術(shù)問(wèn)題是蓄電池自身的容量。超級(jí)電容電池由于無(wú)污染，無(wú)過(guò)熱和爆炸風(fēng)險(xiǎn)之虞，可有效滿足軌道車(chē)輛的技術(shù)需求。如與鋰離子電池混合使用，即可充分發(fā)揮2種電池的優(yōu)勢(shì)[4]，另外可見(jiàn)自身重量較大的電池和牽引電機(jī)布設(shè)于車(chē)底，以此有效降低整車(chē)重心，并相應(yīng)增加車(chē)體穩(wěn)定性，從而有著較好的應(yīng)用前景。

3.3采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

近年來(lái)較為熱門(mén)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，如用在軌道車(chē)輛上則可進(jìn)一步提升動(dòng)力性能，并延長(zhǎng)可再生能源使用時(shí)間。因?yàn)轱L(fēng)能有較好的利用價(jià)值，特別是近年來(lái)得以發(fā)展的立軸式磁懸浮微風(fēng)發(fā)電機(jī)，可在微風(fēng)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和運(yùn)行，以此增加發(fā)電時(shí)間和輸出功率，并且在車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)下即可產(chǎn)生風(fēng)能，一般情況下白天有太陽(yáng)時(shí)風(fēng)力較小，夜間無(wú)太陽(yáng)時(shí)風(fēng)力較大，陰雨天無(wú)太陽(yáng)風(fēng)力也較大，有著較好的互補(bǔ)性。另外，利用風(fēng)光互補(bǔ)的綜合能源為蓄電池（運(yùn)行和駐車(chē)時(shí)）不停地充電，可大幅增加軌道車(chē)輛續(xù)航里程并優(yōu)化蓄電池使用壽命。

3.4國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能軌道車(chē)輛的研究現(xiàn)狀

目前世界范圍內(nèi)針對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究依然較少。早在2005年10月，意大利即已試運(yùn)行了在車(chē)廂頂部安裝太陽(yáng)能電池板的軌道車(chē)輛。2010年，法國(guó)對(duì)軌道車(chē)輛車(chē)載光伏—柴油動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。2015年，瑞士對(duì)太陽(yáng)能應(yīng)用于軌道車(chē)輛的可行性進(jìn)行了研究。2017年7月14日，印度方面正式投入運(yùn)行了太陽(yáng)能列車(chē)[5]。2017年7月18日，澳大利亞拜倫灣也運(yùn)行了由太陽(yáng)能提供動(dòng)力來(lái)源的軌道車(chē)輛。國(guó)內(nèi)方面，以中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司與中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司為代表的科研院所也在開(kāi)展相關(guān)研究[6-8]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)該領(lǐng)域主流的發(fā)展趨勢(shì)為：（1）軌道車(chē)輛車(chē)載光伏電池的選型、配裝與發(fā)電方式研究；（2）軌道車(chē)輛車(chē)載新能源混合動(dòng)力微網(wǎng)控制策略研究。

4太陽(yáng)能軌道車(chē)輛應(yīng)用前景展望

4.1發(fā)展太陽(yáng)能軌道車(chē)輛的必要性

我國(guó)鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域最早采用的牽引動(dòng)力是蒸汽機(jī)車(chē)，在20世紀(jì)50年代后期即開(kāi)始大力發(fā)展內(nèi)燃機(jī)車(chē)，后來(lái)內(nèi)燃機(jī)車(chē)又逐步被電力機(jī)車(chē)所取代，這些大耗能設(shè)備為節(jié)能減排做出了顯著貢獻(xiàn)[9-11]。盡管太陽(yáng)能具有較好的節(jié)能環(huán)保效益，但當(dāng)前的發(fā)電方式還是以煤、油、氣等傳統(tǒng)化石燃料作為主要能量來(lái)源，太陽(yáng)能電能通常僅占總裝機(jī)容量的0.7%。我國(guó)大型太陽(yáng)能發(fā)電站的建設(shè)和并網(wǎng)應(yīng)用依然尚需時(shí)日。但考慮到日益惡化的氣候環(huán)境，采用太陽(yáng)能軌道車(chē)輛以實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排目標(biāo)同樣勢(shì)在必行。

4.2太陽(yáng)能軌道車(chē)輛的未來(lái)技術(shù)發(fā)展

根據(jù)目前太陽(yáng)能電池、鋰離子電池和超級(jí)電容電池的最新發(fā)展，為太陽(yáng)能超級(jí)電容電池軌道車(chē)輛車(chē)輛發(fā)展創(chuàng)造了條件。在超級(jí)電容電池軌道車(chē)輛發(fā)展的基礎(chǔ)上只要有高能量密度的太陽(yáng)能電池，發(fā)展太陽(yáng)能超級(jí)電容電池軌道車(chē)輛即可謂如魚(yú)得水。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，利用太陽(yáng)能作為輔助能源是較為可行的。太陽(yáng)能汽車(chē)、太陽(yáng)能軌道車(chē)輛即相應(yīng)成為最節(jié)能環(huán)保的陸用載運(yùn)工具。同時(shí)發(fā)展集中式的并網(wǎng)太陽(yáng)能電站，為太陽(yáng)能汽車(chē)及太陽(yáng)能軌道車(chē)輛提升了續(xù)航能力，鐵路電力系統(tǒng)在進(jìn)行建設(shè)時(shí)無(wú)須配置接觸網(wǎng)系統(tǒng)，雖然在高速列車(chē)上還難以滿足要求，但在高速發(fā)展的城市及城郊中低速軌道交通上仍有很大發(fā)展前途。與高速公路交通運(yùn)輸領(lǐng)域相比，太陽(yáng)能軌道車(chē)輛占地少甚至可以架單柱高架橋雙軌運(yùn)行，速度在100km/h左右時(shí)功率需求比高速列車(chē)明顯更低，同時(shí)由于是軌道運(yùn)行，比公路坡道彎道小，地面摩擦?。ù艖腋≤?chē)無(wú)地面摩擦阻力），與同樣載重的電動(dòng)汽車(chē)相比功率需求更小，采用太陽(yáng)能或磁懸浮風(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)配備超級(jí)電容電池就比較容易達(dá)到其功率需求。另外，不需建設(shè)輸配電系統(tǒng)，使用期間不消耗不可再生能源，無(wú)須電費(fèi)，噪聲小，無(wú)污染物排放。風(fēng)電互補(bǔ)可加大能源供應(yīng)總量和供電時(shí)間，充分發(fā)揮風(fēng)光供電時(shí)間的互補(bǔ)作用。綜上所述，考慮到當(dāng)前的技術(shù)水平，太陽(yáng)能應(yīng)用于軌道車(chē)輛動(dòng)力裝置，通常不會(huì)采用單一的太陽(yáng)能光伏電池，而更多是與其他類(lèi)型的發(fā)電方式（如風(fēng)能）或其他類(lèi)型的電源實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)作，方可體現(xiàn)最優(yōu)技術(shù)價(jià)值。

5結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能軌道車(chē)輛在國(guó)內(nèi)的研發(fā)進(jìn)程目前依然處于起步階段。由于考慮到成本問(wèn)題及其受自然氣候等不可抗力因素影響的特性，如要將其即刻應(yīng)用于長(zhǎng)距離大運(yùn)量的鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域，仍存在一定的技術(shù)難關(guān)，目前其更適用于城市軌道交通運(yùn)輸范疇。即便如此，其技術(shù)水平仍有進(jìn)一步發(fā)展的空間，尚無(wú)法做到即刻投入大規(guī)模商業(yè)化推廣。雖然難關(guān)重重，但考慮到其對(duì)國(guó)內(nèi)節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域所起到的總體改善優(yōu)化效果，依然值得期待。

作者:伍賽特 單位:上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司