以前是太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)軌旁設(shè)備,現(xiàn)在火車頭也可以太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)了。但如何解決火車車體的尺寸和太陽(yáng)能發(fā)電的能量密度之間的矛盾是太陽(yáng)能提供牽引供電可行性的關(guān)鍵問(wèn)題。
英國(guó)西南鐵路公司(SWR,South Western Railway)將于今年8月啟動(dòng)一項(xiàng)太陽(yáng)能試點(diǎn)項(xiàng)目,該項(xiàng)目有望使太陽(yáng)能直接接入電網(wǎng),為機(jī)車提供牽引供電。注意這次即不是軌旁設(shè)備供電,也不是機(jī)車輔助供電,而是牽引供電。
再看這個(gè)之前,小型太陽(yáng)能發(fā)電建議有必要了解其他國(guó)家采用太陽(yáng)能直接給列車供電的案例:
【印度】

印度的“太陽(yáng)能列車”于2017年7月14日正式投入使用。這列火車總共六節(jié)車廂,車頂上搭載了光伏太陽(yáng)能電池板。
不過(guò)這臺(tái)車動(dòng)力部分仍是傳統(tǒng)柴油電力機(jī)車,6節(jié)車廂每節(jié)裝載的4.8kW光伏系統(tǒng)僅用于車廂照明、車廂門操作、廣播等。
而機(jī)車動(dòng)力的主要消耗部分依舊還是柴油。
可趕上實(shí)際使用的時(shí)候似乎有點(diǎn) 力不從心吧......
【澳大利亞】
澳大利亞的“太陽(yáng)能列車”于2017年12月17日首秀,首秀地位于澳大利亞新南威爾士州北部的拜倫灣小鎮(zhèn)一條3公里長(zhǎng)的觀光線路上。
圖片來(lái)源:RenewEconomy這輛改裝過(guò)的老式“火車”頂部裝有定制的6.5kW曲面單晶硅光伏組件,當(dāng)然這些電力不足以驅(qū)動(dòng)火車龐大的身軀,火車內(nèi)部還裝有采用鋰電池的動(dòng)力電池模塊、剎車的能量回收裝置以及一套備用柴油動(dòng)力系統(tǒng)(文字來(lái)源:Solarbe索比光伏網(wǎng))。
圖片來(lái)源:Byron Bay Railroad Company如果你還懷疑充電的電力機(jī)車能不能算太陽(yáng)能機(jī)車,那火車站屋頂還裝有30kW的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng),這進(jìn)一步提高太陽(yáng)能在火車行駛動(dòng)力中的占比。
澳洲媒體稱這是世界上第一臺(tái)太陽(yáng)能機(jī)車。
【瑞士】
瑞士的一家鐵路運(yùn)營(yíng)商Swiss South Eastern Railway AG也對(duì)太陽(yáng)能機(jī)車開展了可行性研究。
項(xiàng)目開始的研究重點(diǎn)也是放在如何將光伏組件集成在電力機(jī)車的車廂頂部。
但由于這一方案發(fā)電量遠(yuǎn)低于工程師的預(yù)期,公司將后續(xù)的研究重點(diǎn)放在了如何利用車站屋頂、站臺(tái)頂棚和鐵軌兩側(cè)的隔音墻。
然后我們把目光轉(zhuǎn)回到英國(guó),看看英國(guó)的太陽(yáng)能列車。
The Riding Sunbeams project是英國(guó)鐵路行業(yè)的第一個(gè)此類項(xiàng)目。它是與氣候變化慈善機(jī)構(gòu)10:10(網(wǎng)址:www.1010uk.org)共同開發(fā)的,旨在開發(fā)可再生能源,以減少排放和未來(lái)的交通運(yùn)營(yíng)成本。
西南鐵路公司日前正在倫敦Waterloo-Alton線奧爾德肖特車站附近的空地上安裝135塊太陽(yáng)能電池板。30kWp的“第一盞燈”演示光伏(PV)陣列將連接到牽引系統(tǒng)上的輔助變壓器,以連接到信號(hào)設(shè)備上。SWR和10:10將利用這些數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)和測(cè)試能夠直接向直流牽引網(wǎng)絡(luò)提供太陽(yáng)能的系統(tǒng)。
該項(xiàng)目是與10:10,Community Energy South和Network Rail,以及一個(gè)由專業(yè)工程,可再生能源顧問(wèn)和大學(xué)部門組成的聯(lián)盟合作進(jìn)行的。創(chuàng)新英國(guó)公司和運(yùn)輸部正在資助該項(xiàng)目。
整個(gè)項(xiàng)目可以追溯到5年前。2014年10月10日,10:10在蘇塞克斯郡Balcombe村與一個(gè)社區(qū)能源項(xiàng)目合作,開發(fā)一個(gè)社區(qū)擁有的太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng),當(dāng)時(shí)就提出一個(gè)想法——為什么太陽(yáng)能發(fā)電廠不能連接到鐵路線上給火車供電?
因此,2017年10月10日,在與倫敦帝國(guó)理工學(xué)院(Imperial College London)能源未來(lái)實(shí)驗(yàn)室(Energy Futures Lab),通過(guò)與Network Rail磋商,創(chuàng)新英國(guó)公司(innovation UK)贏得了資金,與該實(shí)驗(yàn)室合作開展了一項(xiàng)技術(shù)可行性研究,以回答這個(gè)問(wèn)題。
太陽(yáng)能補(bǔ)貼的減少,以及許多地方配電網(wǎng)已滿負(fù)荷運(yùn)行的事實(shí),意味著社區(qū)能源項(xiàng)目現(xiàn)在只有在有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)客戶可以接收所有發(fā)電量的情況下才可行。直流電氣化鐵路恰好填補(bǔ)了這一空缺,因?yàn)樽冸娬局g的距離比交流的更近,所以有更多的地方可以供電。由于750v直流電壓接近太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓,所以只要太陽(yáng)能發(fā)電廠靠近變電站,電力轉(zhuǎn)換損失就很低。與Network Rail進(jìn)行磋商后,團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到,在鐵路沿線的土地上安裝太陽(yáng)能電池板是不現(xiàn)實(shí)的,因?yàn)榻尤腚娋W(wǎng)需要遵守鐵路網(wǎng)的安全程序,因此太陽(yáng)能發(fā)電廠必須建在鐵路邊界以外的土地上。
太陽(yáng)能發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)雖然名義上是750v直流電壓,但實(shí)際的第三軌電壓可以在500v到950v之間變化,這取決于當(dāng)時(shí)變電站供應(yīng)的區(qū)段中有多少列車,以及它們是否在加速。因此,提出的解決方案是,太陽(yáng)能發(fā)電廠提供一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器,不斷匹配的電壓提供給第三軌。在火車班次較少、需求是間歇性的地方,也可以提供電池儲(chǔ)存,以便在沒(méi)有需求時(shí)儲(chǔ)存可用的電力。
這一點(diǎn)其實(shí)與瑞士的思路是一致的。這一構(gòu)想主要是來(lái)自英國(guó)分布式光伏發(fā)展遇到的困難,由于輸配電線路和變壓器容量限制,雖然有空閑土地,但為分布式系統(tǒng)找到合適的接入點(diǎn)在英國(guó)有時(shí)并不容易,上述兩家機(jī)構(gòu)認(rèn)為,解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵在于電力的“就地”消化,而電力驅(qū)動(dòng)的鐵路是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立且穩(wěn)定的用電大戶。研究人員為這一構(gòu)想設(shè)計(jì)了一套使用儲(chǔ)能緩沖的直流供電系統(tǒng)鏈接采用直流牽引系統(tǒng)的軌道交通,而對(duì)交流線路則采用普通的并網(wǎng)方案。
但隨著研究進(jìn)一步的深入,該項(xiàng)目最初探索使用的DC-DC逆變器開發(fā)直流鐵路網(wǎng)上從太陽(yáng)能電池板到牽引變電站的直接連接的方案是不可行的,因?yàn)闆](méi)有可用的設(shè)備。
相反,現(xiàn)有的設(shè)備將用于連接33kV交流饋線系統(tǒng),該系統(tǒng)將電力從電網(wǎng)供應(yīng)點(diǎn)(GSPs)輸送到變電站,后者將直流電力供應(yīng)給第三軌。
據(jù)估計(jì),在英國(guó),太陽(yáng)能可以為第三軌供電的鐵路網(wǎng)(南部鐵路和其他輕軌和有軌電車網(wǎng)絡(luò))提供約10%的牽引電力,這點(diǎn)在商業(yè)上是可行的。當(dāng)然這點(diǎn)受到了太陽(yáng)能發(fā)電廠選址的日照情況,因此產(chǎn)生的電力。
例如,南線每年消耗1.4Twh左右,成本為1.14億英鎊(約占英國(guó)所有用途總需求的0.4%)。太陽(yáng)能發(fā)電成本更低(而且隨著時(shí)間的推移,這種差距還會(huì)擴(kuò)大),因此,如果太陽(yáng)能發(fā)電能提供10%的電力,那么每年就能節(jié)約4%——大約450萬(wàn)歐元。
但這里存在了兩個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn):
將直流電力直接提供給變電站,部分原因是最初的想法是將太陽(yáng)能電池板安裝在鐵軌旁邊。然而,這意味著太陽(yáng)能發(fā)電廠必須靠近變電所,這就減少了鐵路沿線可能的光伏電場(chǎng)的位置,而且需要儲(chǔ)存,以防止在沒(méi)有火車經(jīng)過(guò)的情況下,電力被抽到鄰近的區(qū)段,這也將增加電力損失。如果像上述描述的那樣,將太陽(yáng)能發(fā)電廠的輸出轉(zhuǎn)換成交流電并將其輸送到連接變電站的11kV線路將避免這些成本和損失,并將減少為該項(xiàng)目開發(fā)特定的電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的需要。
從太陽(yáng)能發(fā)電廠提供一定比例的牽引電力,將增加電網(wǎng)供電需求的波動(dòng)性和變異性。Network Rail需要與“六大”能源供應(yīng)商之一簽訂合同。這種變異性和波動(dòng)性的增加可能會(huì)導(dǎo)致能源供應(yīng)商向鐵路網(wǎng)收取更高的電費(fèi),抵消太陽(yáng)能發(fā)電帶來(lái)的成本的節(jié)約。
但不管怎么樣,根據(jù)Waterloo-Alton實(shí)際應(yīng)用的結(jié)果,也許更大的太陽(yáng)能項(xiàng)目未來(lái)可以在英國(guó)整個(gè)第三軌供電的軌道交通網(wǎng)絡(luò)上推廣。
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