文章來源:新材料產(chǎn)業(yè) 微信公眾號
目前，軌道車輛主要以電力作為能量來源。我國超過80%的電能來自火力發(fā)電，同時“富煤、貧油、少氣”的能源特點，使得我國近50%煤炭用于發(fā)電。隨著社會的發(fā)展，對能源的需求量日益增多，石化燃料的過度開采造成能源危機的突出。與此同時，大量一次能源的使用促進大氣中二氧化碳體積分數(shù)增加，導致全球氣候變暖；排放的有毒氣體，如碳氫化合物、氮氧化物等在光照的作用下生成光化學煙霧，嚴重危害人類健康；石化燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物導致霧霾頻發(fā)。城市軌道交通能夠有效緩解交通擁堵，且不直接產(chǎn)生有害排放，其若能擺脫傳統(tǒng)電網(wǎng)束縛、采用清潔可再生能源為動力，則能更充分地發(fā)揮方便人民出行、改善城市環(huán)境的作用。
目前，軌道車輛主要以電力作為能量來源。我國超過80%的電能來自火力發(fā)電，同時“富煤、貧油、少氣”的能源特點，使得我國近50%煤炭用于發(fā)電。隨著社會的發(fā)展，對能源的需求量日益增多，石化燃料的過度開采造成能源危機的突出。與此同時，大量一次能源的使用促進大氣中二氧化碳體積分數(shù)增加，導致全球氣候變暖；排放的有毒氣體，如碳氫化合物、氮氧化物等在光照的作用下生成光化學煙霧，嚴重危害人類健康；石化燃料燃燒產(chǎn)生的顆粒物導致霧霾頻發(fā)。城市軌道交通能夠有效緩解交通擁堵，且不直接產(chǎn)生有害排放，其若能擺脫傳統(tǒng)電網(wǎng)束縛、采用清潔可再生能源為動力，則能更充分地發(fā)揮方便人民出行、改善城市環(huán)境的作用。
城市軌道交通采用的新能源混合動力系統(tǒng)一般以燃料電池為主能源，輔以動力電池或超級電容。燃料電池將燃料的化學能不經(jīng)燃燒直接轉(zhuǎn)化為電能，具有轉(zhuǎn)化效率高、無污染等特點；動力電池具有較高的能量密度，超級電容具有較高的功率密度，其與燃料電池一起構(gòu)成的混合動力系統(tǒng)能夠充分利用各能量源的優(yōu)點，滿足車輛運行的功率需求。太陽能發(fā)電是一種最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源發(fā)電技術(shù)，其在新能源城軌車輛上的應用，可進一步提高能量利用率、發(fā)揮節(jié)能減排的特性，并給車輛帶來自放電補償、隔熱降溫等附加益處。此外，太陽能電池和燃料電池、超級電容、動力電池一起構(gòu)成的車載新能源混合動力微電網(wǎng)，從微網(wǎng)的角度對系統(tǒng)能量管理控制策略進行研究，能進一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，促進系統(tǒng)配置，使得能量管理達到最優(yōu)狀態(tài)。
一、太陽能電池研究現(xiàn)狀
1. 太陽能電池發(fā)電原理
各種類型的太陽能電池工作過程不盡相同，但工作原理類似，主要是利用半導體P - N節(jié)的光生伏特效應，如圖1所示。P - N節(jié)由P型半導體和N型半導體結(jié)合而成，P型半導體是在本征半導體中加入最外層為3個電子的硼、鋁、鎵、銦等元素形成的多空穴的雜質(zhì)半導體；N型半導體是在本征半導體中加入最外層為5個電子的磷、砷、銻等元素形成的多電子的雜質(zhì)半導體；兩者結(jié)合后N型半導體中的電子和P型中的空穴相互中和（存在電子濃度差，實際上是N型中的電子流向P型中的空穴），由于電子的流動，使得N型半導體呈正電性，P型半導體呈負電性，從而在接觸面附近形成內(nèi)電場。內(nèi)電場阻礙電子的移動，最終達到平衡狀態(tài)。當光線照到P - N節(jié)上并在界面層被吸收時，光子將界面2側(cè)的P型和N型硅中的共價鍵激發(fā)，打破原來的狀態(tài)，產(chǎn)生電子-空穴對，而內(nèi)電場的作用使得電子-空穴對中的電子向N極移動，空穴向P極移動，削弱內(nèi)電場。這種光子激發(fā)作用除了削弱內(nèi)電場外，還會進一步形成和內(nèi)電場方向相反的光電廠，使得P極呈高電位，N極呈低電位，接上外電路即可供電。
2. 太陽能電池分類
當前主要的太陽能電池及其分類如圖2所示：按照襯底材料的不同，太陽能電池可以分為傳統(tǒng)晶硅類電池和柔性薄膜太陽能電池。以玻璃硬性材料為襯底的單晶硅與多晶硅太陽能電池占生產(chǎn)量的絕大多數(shù)，其特點是生產(chǎn)技術(shù)成熟且光電轉(zhuǎn)化效率高。但是由于其本身制造過程的高能耗與高真空條件使這類電池的發(fā)電成本較高，而且其容易破碎、不可彎曲等特點限制了某些應用場合。
從各種類型太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率發(fā)展歷程可知，在發(fā)展的早期，晶硅類電池在發(fā)電效率方面比薄膜電池高很多，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，薄膜電池光電轉(zhuǎn)化效率提高很快，目前兩者在發(fā)電效率方面基本持平，但薄膜電池在重量、成本方面有獨特的優(yōu)勢，逐漸成為光伏電池發(fā)展的主要方向。
3. 柔性薄膜太陽能電池
太陽能電池開發(fā)和制備過程中需要關(guān)注的2個問題，一是降低成本，二是提高光電轉(zhuǎn)化效率，其中，薄膜化是降低成本的重要途徑。柔性薄膜太陽能電池是在柔性材料上制作而成的薄膜太陽能電池，要求襯底材料應具有足夠的強度、良好的熱穩(wěn)定性、與P - N結(jié)光電轉(zhuǎn)化材料相匹配的熱膨脹系數(shù)和良好的透光性等。常用的柔性薄膜太陽能電池的襯底材料可分為金屬及其合金、聚合物2大類。金屬及其合金襯底主要指不銹鋼，具有耐高溫、耐腐蝕、導電性能優(yōu)越、延展性好及成本低廉等優(yōu)點，它可以使用較高的襯底溫度沉積電池薄膜材料，有利于實現(xiàn)柔性電池卷對卷的生產(chǎn)工藝，對電池的大面積連續(xù)生產(chǎn)更具有經(jīng)濟價值；聚合物類襯底材料大多具有密度小、可彎曲、耐沖擊和易攜帶等特點，利用連續(xù)卷對卷印刷工藝生產(chǎn)能提高產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本。聚合物襯底主要有：聚對苯二甲酸二乙酯（PET）、聚萘二酸乙二醇酯（PEN）、聚酰亞胺（PI）等聚合物，甚至紙張也可以作為襯底材料。盡管柔性有機材料完全可以取代玻璃作為襯底，但其不耐高溫，因此要求較低的成膜溫度，使得目前薄膜與基體之間的附著力較差，效率普遍偏低。相對玻璃襯底而言，有機柔性襯底由于其柔韌性釋放應變，在薄膜制備過程中呈現(xiàn)小的應變。
由圖2可知，目前主要的柔性薄膜太陽能電池包括硅基薄膜電池、化合物太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機太陽能電池和新型納米材料太陽能電池。其中，染料敏化太陽能電池是通過模仿綠色高等植物的光合作用制備的，其主要問題在于電子在主鏈傳輸?shù)倪^程中會在半導體薄膜上發(fā)生傳輸中的電子與激發(fā)態(tài)染料或I3-復合等現(xiàn)象，從而影響太陽能電池的效率；有機太陽能電池的研究近年來雖然取得了重大的進步，但仍將處于實驗室研發(fā)的狀態(tài)，制約其規(guī)模生產(chǎn)和使用的因素主要有價格、壽命、光電轉(zhuǎn)換效率等，其中最重要的是使用壽命難以提高。
目前有望大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種：非晶硅(a-Si)、碲化鎘(CdTe)和銅銦(鎵)硒[CI(G)S]，其光電轉(zhuǎn)化效率分別為5%～10%、8%～11%、7%～11%。非晶硅電池與其它2種電池相比，效率最低，但是技術(shù)較成熟，占據(jù)了主要的薄膜電池市場。CdTe電池由于生產(chǎn)成本低，在工業(yè)生產(chǎn)上也得到了很大發(fā)展，但由于Cd元素有毒，對環(huán)境有害，所以是其推廣的一個主要阻力。銅銦(鎵)硒太陽能電池由于轉(zhuǎn)化效率是薄膜太陽能電池中最高的，而且有帶隙可調(diào)、抗輻射性能好、生產(chǎn)過程環(huán)保、對元素含量偏離化學計量比容忍度高等優(yōu)點，其成本約為砷化鎵（一種效率更高的薄膜電池）電池的1/100。
在新能源有軌電車上，光伏電池主要布置在車頂、側(cè)墻或是玻璃上（太陽能發(fā)電玻璃），綜合考慮發(fā)電效率、質(zhì)量、安裝便利性和成本等多個因素，銅銦(鎵)硒太陽能電池是當前階段的首選。
二、太陽能光伏電池在軌道交通應用研究
軌道交通用電負荷可分為：車輛牽引供電負荷、運營動力負荷（車站及區(qū)間內(nèi)為保證地鐵正常、安全運營而所需的一些機電設(shè)備、通信信號設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等）、道交通運營照明負荷（各類正常照明、應急照明、指示照明、廣告照明等）。其中，牽引負荷、通信信號、消防通風、消防監(jiān)控、應急照明等是與行車及消防相關(guān)的可靠性要求極高的特別重要的一級負荷。
目前太陽能光伏電池一般是用作車站內(nèi)三級負荷、正常照明和一般的機電負荷供電，很少用作車輛牽引的動力供電。在新能源城軌車輛上，由于增加了超級電容和動力電池，太陽能電池發(fā)出的電能除為車輛和動力系統(tǒng)輔助設(shè)備供電外，經(jīng)DC/DC變流器后可為動力電池或超級電容充電，從而間接實現(xiàn)電動供電。
1. 國外太陽能電池在軌道交通應用情況
2005年10月，意大利展示了歐洲第1輛使用太陽能的火車，這種火車在車廂頂部安裝了太陽能板，用于為車上的空氣控制設(shè)備、照明系統(tǒng)和安全系統(tǒng)提供能源；在2010年，法國的TER-SCNF國有鐵路公司測試了光伏-柴油混合動力系統(tǒng)，其車頂安裝了990Wp光伏發(fā)電系統(tǒng)，用于DMU系統(tǒng)中電氣照明；2011年，印度鐵路公司在車頂安裝了一個1kW p的光伏發(fā)電系統(tǒng)，能為電氣負載提供了420W的功率；2011年6月6日，比利時的太陽能火車投入運營，該車運行所需電力全部由16 000塊設(shè)置在高速鐵路隧道頂板的太陽能電池提供，而非車載太陽能電池；2013年，伊朗進行的一個相似研究顯示車載光伏發(fā)電系統(tǒng)可以在光照條件較好的季節(jié)提供74%的車廂耗能，在光照較差的季節(jié)提供25%的耗能，車載光伏系統(tǒng)最大可以輸出63.7kWh的能量，相當于每年減少37t二氧化碳排放；2015年，瑞士鐵路運營商Swiss South Eastern Railway AG對太陽能進行可行性研究；2017年7月14日，印度太陽能火車﹝圖3（a）﹞正式投入使用，該車共有6節(jié)車廂，鋪設(shè)16塊太陽能電池板，每塊電池板的發(fā)電能力可達到300W，此外還安裝了電池組，多余電能將被儲存在電池組，共同為列車照明、廣播、開關(guān)門操作等供電；2017年7月18日，世界首輛以太陽能為動力的火車﹝圖4（b）﹞在澳大利亞著名景點位于新南威爾士州北海岸的拜倫灣運行，首次運行載客近100名。
2. 國內(nèi)太陽能電池在軌道交通應用情況
在國內(nèi)，軌道交通中應用太陽能的主要方式是將太陽能電池板安裝在高架車站（最多）、車輛段停車場（其次）、高架區(qū)間、地下站出入口集散地等，為車站提供照明和一般機電負荷供電，如上海虹橋火車站、天津西站、南京南站等已經(jīng)建立了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。
目前，國內(nèi)將光伏電池用在軌道車輛上研究相對較少。中車青島四方機車車輛股份有限公司的侯霄等人基于電力機車主變壓器集中供電的普通客車及動車組客車，對太陽能電池在軌道車輛上應用的經(jīng)濟性進行評估，其探討的光伏發(fā)電技術(shù)主要針對車用DC110V、DC48V、DC24V以及充電機、蓄電池組等的用電，系統(tǒng)供電情況如圖4所示。
車體長度按照19m（扣除兩端空調(diào)、水箱等設(shè)備）計算，太陽能電池選擇無錫尚德的多晶硅電池，尺寸為156m m ×156mm，單片電壓0.5 V，功率4.4W。光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓范圍最終確定為100 ～135 V，總發(fā)電功率按照6000W計算，多晶硅光伏電池價格約為5元/W，則1輛客車光伏電池的成本投入為47 520元；按每年有效晴天數(shù)為250天計算，則1輛客車每年節(jié)約電能10 500 kWh；光伏電池壽命為25 ～30年，則每輛客車在30年的設(shè)計周期內(nèi)可節(jié)約用電315 000 kWh；考慮光伏電池壽命終結(jié)時還可再回收利用，由此算出每輛客車因增設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)而增加的成本約8萬元，而其使用期可節(jié)約的電費將近20萬元。
中車唐山機車車輛有限公司（以下簡稱“中車唐山”）開展太陽能光伏發(fā)電在新能源軌道車輛上應用的研究。與傳統(tǒng)有軌電車不同，新能源有軌電池采用燃料電池作為主動力源，動力電池和超級電容作為輔助電源，起到滿足車輛啟動時大功率輸出需求、提高車輛動力響應特性、保證燃料工況穩(wěn)定、吸收制動能量等作用。該系統(tǒng)中動力電池、超級電容的電能也來自燃料電池，因此能源消耗只有氫氣。
在該系統(tǒng)中引入光伏電池有以下3個作用：①為燃料電池提供輔機功率：能夠與儲能模塊構(gòu)成光伏儲能系統(tǒng)，為燃料電池輔機系統(tǒng)（空壓機、散熱器、循環(huán)泵、閥門、控制器等）供電，同時提供燃料電池保溫系統(tǒng)戶外供電。②為列車輔助系統(tǒng)提供功率：光伏儲能系統(tǒng)為照明、門控、列控等系統(tǒng)供電；轉(zhuǎn)換為380/220V交流為空調(diào)風機、電熱玻璃等設(shè)施供電。③為車載動力儲能提供自放電補償功率：太陽能光伏陣列經(jīng)直流升壓模塊輸出750V直流，與車載儲能模塊相連，以解決車載儲能模塊因自放電導致的過放問題，從而實現(xiàn)車載儲能的免維護存放。為充分利用車輛運行時光伏電池發(fā)出的電能，中車唐山開發(fā)了基于車輛和運行線路的光伏發(fā)電仿真計算軟件，軟件功能如圖5所示。
該軟件主要作用是根據(jù)太陽能電池板的安裝方式，太陽能電池廠家提供的參數(shù)和車輛線路參數(shù)，模型計算定線路條件下太陽能電池功率輸出曲線，為光伏電能的充分利用提供參考，也是車輛光伏電池安裝角度、安裝面積優(yōu)化的一種手段。目前，中車唐山搭載光伏發(fā)電系統(tǒng)的新能源城軌車輛正在開發(fā)中，預計2019年投入使用。
3. 車載新能源混合動力微網(wǎng)研究現(xiàn)狀
微網(wǎng)是將分布式電源、電力電子裝置、儲能裝置與負荷組成的一個整體，通過隔離開關(guān)與大電網(wǎng)相連，可運行在并網(wǎng)和孤島2種模式下。在圖6所示的新能源混合動力城軌車輛上，燃料電池和太陽能屬于分布式電源，動力電池和超級電容屬于儲能裝置，這兩類裝置結(jié)合在一起實際上構(gòu)成了一個車載微網(wǎng)，且該微網(wǎng)始終運行在孤島模式下。由于微網(wǎng)中使用較多的電力電子裝置作為接口，使得微網(wǎng)內(nèi)的分布式電源相對于傳統(tǒng)大發(fā)電機慣性很小或無慣性。對新能源混合動力系統(tǒng)而言，超級電容和蓄電池作為儲能裝置維持微網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。從微網(wǎng)的角度對新能源混東動力系統(tǒng)的控制策略進行研究，有助于系統(tǒng)配置和結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化。微網(wǎng)的控制策略也是新能源混合動力微網(wǎng)研究的重點工作，對分布式電源來說，其接口逆變器的控制方法有恒功率控制、下垂控制、恒壓恒頻控制；對整個微網(wǎng)系統(tǒng)來說，一般有2種控制策略：主從控制和對等控制，如圖7所示。
主從控制的特點是以分布式電源為主單元時需要強通訊，且從控制器服從主控制器。主從控制按照是否以某一分布式電源作為主單元可分為以分布式電源作為主控制單元的主從控制和以上層中心控制器作為主控制單元的主從控制2大類。對等控制策略的特點是能讓微網(wǎng)具有“即插即用”的功能，分為利用測量系統(tǒng)的頻率和分布式電源輸出電壓幅值產(chǎn)生分布式電源參考有功和無功功率的f - P & V -Q下垂控制法。另一種是利用測量分布式電源輸出的有功和無功功率產(chǎn)生其輸出的電壓頻率和幅值的P - f & Q -V下垂控制法。這些控制方法需要結(jié)合新能源軌道車輛的特點進行選擇和優(yōu)化，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)功能。
三、結(jié)語
從上述分析可以得出，太陽能在新型軌道車輛上應用的研究，應主要從以下2個方面開展：
①車載光伏電池的選型、安裝和發(fā)電利用方式研究。目前，市面上光伏電池種類繁多，每種太陽能電池都有自己的特點和適用范圍。在城軌車輛上，由于安裝空間有限，需要綜合考慮成本和發(fā)電效率，并嘗試在車體側(cè)墻和車窗玻璃（不能影響采光）上布置太陽電池板，以盡可能增大安裝面積。此外，不同類型、不同發(fā)電能力太陽能電池板的發(fā)電電壓不一致，可能需要匹配多個DC/DC變流器防止回流，從而對太陽能電池板的選型、安裝和電能利用提出更嚴峻要求。
②車載新能源混合動力微網(wǎng)控制策略研究。對太陽能電池而言，其功率輸出受溫度和光照強度影響較大，在溫度、光照強度確定的條件下，其可輸出功率存在最大值。因此，最大功率跟蹤是太陽能發(fā)電控制的關(guān)鍵技術(shù)。對于新能源混合動力微網(wǎng)而言，引入光伏電池后，系統(tǒng)參數(shù)進一步增多，控制系統(tǒng)需要根據(jù)光伏電池發(fā)電特點對其加以利用，同時考慮到光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，需要制定相應的處置機制。如何在保證動力系統(tǒng)功率輸出穩(wěn)定的前提下充分發(fā)揮各個模塊的作用，達到降低能耗、延長系統(tǒng)壽命的作用，是控制系統(tǒng)進一步發(fā)展的主要工作。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.09.012）
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