太陽能軌道車輛應用前景

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摘要：介紹太陽能發電的技術特點，并引入了當前的太陽能汽車產業作為類比研究。重點對太陽能軌道車輛的當前國內外研究現狀及應用可行性進行了分析研究，并對其應用前景進行了展望，為科學研究及工程實踐提供了必要的理論依據。

關鍵詞：軌道車輛；太陽能；光伏發電；太陽能電池；城市軌道交通；鐵路運輸；新能源

1太陽能發電的技術特點

1.1太陽能發電

太陽能每秒鐘發出的能量大約是3.88×1023kW，其中到達地球的只有22億萬分之一，1年內到達地球表面的太陽能總量約為21萬億kW，開發1%也有210億kW，是目前世界上主要能源探明儲量的1萬倍，遠大于生物能1億kW，水電3.78億kW，風電3.78億kW。太陽能轉換效率高，晶體硅轉換效率為15%~20%，是食用生物轉換效率的10~30倍，是通過玉米生產乙醇轉換效率的50~100倍，是新建電站建設運行投入產出的15~20倍。太陽能可就地取用，無輸送成本，是無稅能源[1]。同時，太陽能是一類清潔能源，其在開發利用時幾乎不產生任何污染和廢料。3kW太陽能發電系統相當于減排放CO2：540kg/a，石油：729L/a，換算森林面積：5544m2。太陽能光伏發電1kW的碳排放量為0，風電為6g，水電為20g，天然氣為181g，油為204g，煤為304g。因此，太陽能是一類清潔能源，有著顯著的減排的效果。

1.2國內太陽能發電產業概況及相關政策

雖然太陽能在轉換運用過程中較為清潔，但制造太陽能電池也需要消耗能量。有資料介紹，太陽能電池2.2年的發電量即可收回制造太陽能電池時使用的電力。近30年來，太陽能技術在研究開發利用、商業化生產、市場開拓方面都獲得了長足發展。我國大量生產出口外銷，在國外裝機使用，以節能減排，而我國高價引進技術和設備生產雖能獲得一定的附加效益，但起到總體效果并不大。因此，必須掌握和研發太陽能材料和電池生產的核心高端技術和太陽能裝機應用技術，擴大太陽能發電和應用產業，以開發國內太陽能材料和電池市場，提高裝機和應用量，達到節能減排的效果[2]。加強高端科技的研究開發和擴大太陽能發電及應用產業領域，這應該是我國發展太陽能的重中之重。特別是近幾年由于歐、美、日經濟不景氣，我國太陽能材料和電池出口市場大受影響，使太陽能電池生產過剩，這更需要加強太陽能發電和應用的推廣。需要國家出臺政策，推動內需，以此對太陽能實現應用和推廣。

1.3太陽能發電存在的主要技術問題

太陽能發電的主要技術問題是需在晴天才可進行有效發電，而太陽能資源自身的分布亦存在較大的不均衡性，這就需與儲能設備——蓄電池相協調配合，把晴天發電時所剩余的電能儲存起來，而在夜晚和陰雨天使用。同時只需配備足夠容量的蓄電池，亦可彌補太陽能資源的不足。

2太陽能汽車與節能減排政策

目前，我國正大力發展新能源汽車以實現節能減排，但實際上更多采用的是通過電池充電的電動車，需通過市電電網充電。而早已普及的電力機車和電力動車組，也需自建輸配電系統由市電電網供電，雖在使用中不會直接燃用煤、油、氣等傳統化石燃料，部分實現了節能減排，但由于我國發電是以火電為主，水電為輔，核電、風電所占比例較小，太陽能發電更少，因此，從全國范圍而言，節能減排的效果依然并不顯著。交通運輸耗能較高，而且交通發展速度很快，耗能的速度也在相應加快，化石資源亦是日趨枯竭。太陽能是一類取之不盡、用之不竭的零排放的新能源。因此，發展太陽能電動運輸設備是節能減排的重要途徑。我國現在正在大力發展電動汽車，目前還鮮有太陽能汽車問世。太陽能汽車是一種靠太陽能來驅動的汽車。相比傳統內燃機驅動汽車或蓄電池驅動的電動汽車，太陽能汽車可達到真正的零排放[3]。正因為其環保的特點，太陽能汽車被諸多國家所提倡，太陽能汽車產業的發展也日益蓬勃。

3太陽能軌道車輛

3.1軌道車輛的技術特征

軌道車輛所載定員、列車質量和運行速度所需功率比汽車更大，所以其推廣過程比太陽能汽車更難。以目前通用的硅太陽能電池和最好的鋰離子蓄電池很難實現，如要即刻應用到軌道車輛領域難度較大，用于高速列車則更為困難。僅當太陽能電池的單位面積輸出功率和蓄電池的儲電容量和質量大幅提升，車體質量大幅減輕，車體結構運行阻力大幅減少，而且運行速度不高時方才有可能實現。但軌道車輛與汽車相比，其有利的條件是彎道弧度小、坡度小，地面運行摩擦阻力小。如果是磁懸浮列車，地面運行摩擦阻力基本為0。

3.2軌道車輛采用超級電容電池發展的可行性

超級電容電池城市客車在上海已有數年的運行歷史，其運行成本約為常規燃油城市客車的1/3，維護成本僅為1/10。目前存在的主要技術問題是蓄電池自身的容量。超級電容電池由于無污染，無過熱和爆炸風險之虞，可有效滿足軌道車輛的技術需求。如與鋰離子電池混合使用，即可充分發揮2種電池的優勢[4]，另外可見自身重量較大的電池和牽引電機布設于車底，以此有效降低整車重心，并相應增加車體穩定性，從而有著較好的應用前景。

3.3采用風光互補發電系統

近年來較為熱門的風光互補發電系統，如用在軌道車輛上則可進一步提升動力性能，并延長可再生能源使用時間。因為風能有較好的利用價值，特別是近年來得以發展的立軸式磁懸浮微風發電機，可在微風狀態下實現啟動和運行，以此增加發電時間和輸出功率，并且在車輛運行狀態下即可產生風能，一般情況下白天有太陽時風力較小，夜間無太陽時風力較大，陰雨天無太陽風力也較大，有著較好的互補性。另外，利用風光互補的綜合能源為蓄電池（運行和駐車時）不停地充電，可大幅增加軌道車輛續航里程并優化蓄電池使用壽命。

3.4國內外太陽能軌道車輛的研究現狀

目前世界范圍內針對相關領域的研究依然較少。早在2005年10月，意大利即已試運行了在車廂頂部安裝太陽能電池板的軌道車輛。2010年，法國對軌道車輛車載光伏—柴油動力系統進行了試驗。2015年，瑞士對太陽能應用于軌道車輛的可行性進行了研究。2017年7月14日，印度方面正式投入運行了太陽能列車[5]。2017年7月18日，澳大利亞拜倫灣也運行了由太陽能提供動力來源的軌道車輛。國內方面，以中車青島四方機車車輛股份有限公司與中車唐山機車車輛有限公司為代表的科研院所也在開展相關研究[6-8]。目前國內針對該領域主流的發展趨勢為：（1）軌道車輛車載光伏電池的選型、配裝與發電方式研究；（2）軌道車輛車載新能源混合動力微網控制策略研究。

4太陽能軌道車輛應用前景展望

4.1發展太陽能軌道車輛的必要性

我國鐵路運輸領域最早采用的牽引動力是蒸汽機車，在20世紀50年代后期即開始大力發展內燃機車，后來內燃機車又逐步被電力機車所取代，這些大耗能設備為節能減排做出了顯著貢獻[9-11]。盡管太陽能具有較好的節能環保效益，但當前的發電方式還是以煤、油、氣等傳統化石燃料作為主要能量來源，太陽能電能通常僅占總裝機容量的0.7%。我國大型太陽能發電站的建設和并網應用依然尚需時日。但考慮到日益惡化的氣候環境，采用太陽能軌道車輛以實現有效的節能減排目標同樣勢在必行。

4.2太陽能軌道車輛的未來技術發展

根據目前太陽能電池、鋰離子電池和超級電容電池的最新發展，為太陽能超級電容電池軌道車輛車輛發展創造了條件。在超級電容電池軌道車輛發展的基礎上只要有高能量密度的太陽能電池，發展太陽能超級電容電池軌道車輛即可謂如魚得水。在當前的技術條件下，利用太陽能作為輔助能源是較為可行的。太陽能汽車、太陽能軌道車輛即相應成為最節能環保的陸用載運工具。同時發展集中式的并網太陽能電站，為太陽能汽車及太陽能軌道車輛提升了續航能力，鐵路電力系統在進行建設時無須配置接觸網系統，雖然在高速列車上還難以滿足要求，但在高速發展的城市及城郊中低速軌道交通上仍有很大發展前途。與高速公路交通運輸領域相比，太陽能軌道車輛占地少甚至可以架單柱高架橋雙軌運行，速度在100km/h左右時功率需求比高速列車明顯更低，同時由于是軌道運行，比公路坡道彎道小，地面摩擦小（磁懸浮車無地面摩擦阻力），與同樣載重的電動汽車相比功率需求更小，采用太陽能或磁懸浮風電互補系統配備超級電容電池就比較容易達到其功率需求。另外，不需建設輸配電系統，使用期間不消耗不可再生能源，無須電費，噪聲小，無污染物排放。風電互補可加大能源供應總量和供電時間，充分發揮風光供電時間的互補作用。綜上所述，考慮到當前的技術水平，太陽能應用于軌道車輛動力裝置，通常不會采用單一的太陽能光伏電池，而更多是與其他類型的發電方式（如風能）或其他類型的電源實現聯合運作，方可體現最優技術價值。

5結語

太陽能軌道車輛在國內的研發進程目前依然處于起步階段。由于考慮到成本問題及其受自然氣候等不可抗力因素影響的特性，如要將其即刻應用于長距離大運量的鐵路運輸領域，仍存在一定的技術難關，目前其更適用于城市軌道交通運輸范疇。即便如此，其技術水平仍有進一步發展的空間，尚無法做到即刻投入大規模商業化推廣。雖然難關重重，但考慮到其對國內節能環保領域所起到的總體改善優化效果，依然值得期待。

作者:伍賽特 單位:上海汽車集團股份有限公司