太阳能轨道车辆应用前景
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摘要：介绍太阳能发电的技术特点，并引入了当前的太阳能汽车产业作为类比研究。重点对太阳能轨道车辆的当前国内外研究现状及应用可行性进行了分析研究，并对其应用前景进行了展望，为科学研究及工程实践提供了必要的理论依据。
关键词：轨道车辆；太阳能；光伏发电；太阳能电池；城市轨道交通；铁路运输；新能源
1太阳能发电的技术特点
1.1太阳能发电
太阳能每秒钟发出的能量大约是3.88×1023kW，其中到达地球的只有22亿万分之一，1年内到达地球表面的太阳能总量约为21万亿kW，开发1%也有210亿kW，是目前世界上主要能源探明储量的1万倍，远大于生物能1亿kW，水电3.78亿kW，风电3.78亿kW。太阳能转换效率高，晶体硅转换效率为15%~20%，是食用生物转换效率的10~30倍，是通过玉米生产乙醇转换效率的50~100倍，是新建电站建设运行投入产出的15~20倍。太阳能可就地取用，无输送成本，是无税能源[1]。同时，太阳能是一类清洁能源，其在开发利用时几乎不产生任何污染和废料。3kW太阳能发电系统相当于减排放CO2：540kg/a，石油：729L/a，换算森林面积：5544m2。太阳能光伏发电1kW的碳排放量为0，风电为6g，水电为20g，天然气为181g，油为204g，煤为304g。因此，太阳能是一类清洁能源，有着显著的减排的效果。
1.2国内太阳能发电产业概况及相关政策
虽然太阳能在转换运用过程中较为清洁，但制造太阳能电池也需要消耗能量。有资料介绍，太阳能电池2.2年的发电量即可收回制造太阳能电池时使用的电力。近30年来，太阳能技术在研究开发利用、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展。我国大量生产出口外销，在国外装机使用，以节能减排，而我国高价引进技术和设备生产虽能获得一定的附加效益，但起到总体效果并不大。因此，必须掌握和研发太阳能材料和电池生产的核心高端技术和太阳能装机应用技术，扩大太阳能发电和应用产业，以开发国内太阳能材料和电池市场，提高装机和应用量，达到节能减排的效果[2]。加强高端科技的研究开发和扩大太阳能发电及应用产业领域，这应该是我国发展太阳能的重中之重。特别是近几年由于欧、美、日经济不景气，我国太阳能材料和电池出口市场大受影响，使太阳能电池生产过剩，这更需要加强太阳能发电和应用的推广。需要国家出台政策，推动内需，以此对太阳能实现应用和推广。
1.3太阳能发电存在的主要技术问题
太阳能发电的主要技术问题是需在晴天才可进行有效发电，而太阳能资源自身的分布亦存在较大的不均衡性，这就需与储能设备——蓄电池相协调配合，把晴天发电时所剩余的电能储存起来，而在夜晚和阴雨天使用。同时只需配备足够容量的蓄电池，亦可弥补太阳能资源的不足。
2太阳能汽车与节能减排政策
目前，我国正大力发展新能源汽车以实现节能减排，但实际上更多采用的是通过电池充电的电动车，需通过市电电网充电。而早已普及的电力机车和电力动车组，也需自建输配电系统由市电电网供电，虽在使用中不会直接燃用煤、油、气等传统化石燃料，部分实现了节能减排，但由于我国发电是以火电为主，水电为辅，核电、风电所占比例较小，太阳能发电更少，因此，从全国范围而言，节能减排的效果依然并不显著。交通运输耗能较高，而且交通发展速度很快，耗能的速度也在相应加快，化石资源亦是日趋枯竭。太阳能是一类取之不尽、用之不竭的零排放的新能源。因此，发展太阳能电动运输设备是节能减排的重要途径。我国现在正在大力发展电动汽车，目前还鲜有太阳能汽车问世。太阳能汽车是一种靠太阳能来驱动的汽车。相比传统内燃机驱动汽车或蓄电池驱动的电动汽车，太阳能汽车可达到真正的零排放[3]。正因为其环保的特点，太阳能汽车被诸多国家所提倡，太阳能汽车产业的发展也日益蓬勃。
3太阳能轨道车辆
3.1轨道车辆的技术特征
轨道车辆所载定员、列车质量和运行速度所需功率比汽车更大，所以其推广过程比太阳能汽车更难。以目前通用的硅太阳能电池和最好的锂离子蓄电池很难实现，如要即刻应用到轨道车辆领域难度较大，用于高速列车则更为困难。仅当太阳能电池的单位面积输出功率和蓄电池的储电容量和质量大幅提升，车体质量大幅减轻，车体结构运行阻力大幅减少，而且运行速度不高时方才有可能实现。但轨道车辆与汽车相比，其有利的条件是弯道弧度小、坡度小，地面运行摩擦阻力小。如果是磁悬浮列车，地面运行摩擦阻力基本为0。
3.2轨道车辆采用超级电容电池发展的可行性
超级电容电池城市客车在上海已有数年的运行历史，其运行成本约为常规燃油城市客车的1/3，维护成本仅为1/10。目前存在的主要技术问题是蓄电池自身的容量。超级电容电池由于无污染，无过热和爆炸风险之虞，可有效满足轨道车辆的技术需求。如与锂离子电池混合使用，即可充分发挥2种电池的优势[4]，另外可见自身重量较大的电池和牵引电机布设于车底，以此有效降低整车重心，并相应增加车体稳定性，从而有着较好的应用前景。
3.3采用风光互补发电系统
近年来较为热门的风光互补发电系统，如用在轨道车辆上则可进一步提升动力性能，并延长可再生能源使用时间。因为风能有较好的利用价值，特别是近年来得以发展的立轴式磁悬浮微风发电机，可在微风状态下实现启动和运行，以此增加发电时间和输出功率，并且在车辆运行状态下即可产生风能，一般情况下白天有太阳时风力较小，夜间无太阳时风力较大，阴雨天无太阳风力也较大，有着较好的互补性。另外，利用风光互补的综合能源为蓄电池（运行和驻车时）不停地充电，可大幅增加轨道车辆续航里程并优化蓄电池使用寿命。
3.4国内外太阳能轨道车辆的研究现状
目前世界范围内针对相关领域的研究依然较少。早在2005年10月，意大利即已试运行了在车厢顶部安装太阳能电池板的轨道车辆。2010年，法国对轨道车辆车载光伏—柴油动力系统进行了试验。2015年，瑞士对太阳能应用于轨道车辆的可行性进行了研究。2017年7月14日，印度方面正式投入运行了太阳能列车[5]。2017年7月18日，澳大利亚拜伦湾也运行了由太阳能提供动力来源的轨道车辆。国内方面，以中车青岛四方机车车辆股份有限公司与中车唐山机车车辆有限公司为代表的科研院所也在开展相关研究[6-8]。目前国内针对该领域主流的发展趋势为：（1）轨道车辆车载光伏电池的选型、配装与发电方式研究；（2）轨道车辆车载新能源混合动力微网控制策略研究。
4太阳能轨道车辆应用前景展望
4.1发展太阳能轨道车辆的必要性
我国铁路运输领域最早采用的牵引动力是蒸汽机车，在20世纪50年代后期即开始大力发展内燃机车，后来内燃机车又逐步被电力机车所取代，这些大耗能设备为节能减排做出了显著贡献[9-11]。尽管太阳能具有较好的节能环保效益，但当前的发电方式还是以煤、油、气等传统化石燃料作为主要能量来源，太阳能电能通常仅占总装机容量的0.7%。我国大型太阳能发电站的建设和并网应用依然尚需时日。但考虑到日益恶化的气候环境，采用太阳能轨道车辆以实现有效的节能减排目标同样势在必行。
4.2太阳能轨道车辆的未来技术发展
根据目前太阳能电池、锂离子电池和超级电容电池的最新发展，为太阳能超级电容电池轨道车辆车辆发展创造了条件。在超级电容电池轨道车辆发展的基础上只要有高能量密度的太阳能电池，发展太阳能超级电容电池轨道车辆即可谓如鱼得水。在当前的技术条件下，利用太阳能作为辅助能源是较为可行的。太阳能汽车、太阳能轨道车辆即相应成为最节能环保的陆用载运工具。同时发展集中式的并网太阳能电站，为太阳能汽车及太阳能轨道车辆提升了续航能力，铁路电力系统在进行建设时无须配置接触网系统，虽然在高速列车上还难以满足要求，但在高速发展的城市及城郊中低速轨道交通上仍有很大发展前途。与高速公路交通运输领域相比，太阳能轨道车辆占地少甚至可以架单柱高架桥双轨运行，速度在100km/h左右时功率需求比高速列车明显更低，同时由于是轨道运行，比公路坡道弯道小，地面摩擦小（磁悬浮车无地面摩擦阻力），与同样载重的电动汽车相比功率需求更小，采用太阳能或磁悬浮风电互补系统配备超级电容电池就比较容易达到其功率需求。另外，不需建设输配电系统，使用期间不消耗不可再生能源，无须电费，噪声小，无污染物排放。风电互补可加大能源供应总量和供电时间，充分发挥风光供电时间的互补作用。综上所述，考虑到当前的技术水平，太阳能应用于轨道车辆动力装置，通常不会采用单一的太阳能光伏电池，而更多是与其他类型的发电方式（如风能）或其他类型的电源实现联合运作，方可体现最优技术价值。
5结语
太阳能轨道车辆在国内的研发进程目前依然处于起步阶段。由于考虑到成本问题及其受自然气候等不可抗力因素影响的特性，如要将其即刻应用于长距离大运量的铁路运输领域，仍存在一定的技术难关，目前其更适用于城市轨道交通运输范畴。即便如此，其技术水平仍有进一步发展的空间，尚无法做到即刻投入大规模商业化推广。虽然难关重重，但考虑到其对国内节能环保领域所起到的总体改善优化效果，依然值得期待。
作者:伍赛特 单位:上海汽车集团股份有限公司
