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摘要：介紹太陽能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)，并引入了當(dāng)前的太陽能汽車產(chǎn)業(yè)作為類比研究。重點(diǎn)對太陽能軌道車輛的當(dāng)前國內(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：軌道車輛；太陽能；光伏發(fā)電；太陽能電池；城市軌道交通；鐵路運(yùn)輸；新能源

1太陽能發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)

1.1太陽能發(fā)電

太陽能每秒鐘發(fā)出的能量大約是3.88×1023kW，其中到達(dá)地球的只有22億萬分之一，1年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量約為21萬億kW，開發(fā)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(yuǎn)大于生物能1億kW，水電3.78億kW，風(fēng)電3.78億kW。太陽能轉(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。太陽能可就地取用，無輸送成本，是無稅能源[1]。同時(shí)，太陽能是一類清潔能源，其在開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染和廢料。3kW太陽能發(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，太陽能是一類清潔能源，有著顯著的減排的效果。

1.2國內(nèi)太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)概況及相關(guān)政策

雖然太陽能在轉(zhuǎn)換運(yùn)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(fā)電量即可收回制造太陽能電池時(shí)使用的電力。近30年來，太陽能技術(shù)在研究開發(fā)利用、商業(yè)化生產(chǎn)、市場開拓方面都獲得了長足發(fā)展。我國大量生產(chǎn)出口外銷，在國外裝機(jī)使用，以節(jié)能減排，而我國高價(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)太陽能材料和電池生產(chǎn)的核心高端技術(shù)和太陽能裝機(jī)應(yīng)用技術(shù)，擴(kuò)大太陽能發(fā)電和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)，以開發(fā)國內(nèi)太陽能材料和電池市場，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)高端科技的研究開發(fā)和擴(kuò)大太陽能發(fā)電及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這應(yīng)該是我國發(fā)展太陽能的重中之重。特別是近幾年由于歐、美、日經(jīng)濟(jì)不景氣，我國太陽能材料和電池出口市場大受影響，使太陽能電池生產(chǎn)過剩，這更需要加強(qiáng)太陽能發(fā)電和應(yīng)用的推廣。需要國家出臺政策，推動內(nèi)需，以此對太陽能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和推廣。

1.3太陽能發(fā)電存在的主要技術(shù)問題

太陽能發(fā)電的主要技術(shù)問題是需在晴天才可進(jìn)行有效發(fā)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(shè)備——蓄電池相協(xié)調(diào)配合，把晴天發(fā)電時(shí)所剩余的電能儲存起來，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)太陽能資源的不足。

2太陽能汽車與節(jié)能減排政策

目前，我國正大力發(fā)展新能源汽車以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，但實(shí)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(wǎng)充電。而早已普及的電力機(jī)車和電力動車組，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，太陽能發(fā)電更少，因此，從全國范圍而言，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。太陽能是一類取之不盡、用之不竭的零排放的新能源。因此，發(fā)展太陽能電動運(yùn)輸設(shè)備是節(jié)能減排的重要途徑。我國現(xiàn)在正在大力發(fā)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(qū)動的汽車。相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動汽車或蓄電池驅(qū)動的電動汽車，太陽能汽車可達(dá)到真正的零排放[3]。正因?yàn)槠洵h(huán)保的特點(diǎn)，太陽能汽車被諸多國家所提倡，太陽能汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也日益蓬勃。

3太陽能軌道車輛

3.1軌道車輛的技術(shù)特征

軌道車輛所載定員、列車質(zhì)量和運(yùn)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(shí)現(xiàn)，如要即刻應(yīng)用到軌道車輛領(lǐng)域難度較大，用于高速列車則更為困難。僅當(dāng)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(zhì)量大幅提升，車體質(zhì)量大幅減輕，車體結(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)。但軌道車輛與汽車相比，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，地面運(yùn)行摩擦阻力基本為0。

3.2軌道車輛采用超級電容電池發(fā)展的可行性

超級電容電池城市客車在上海已有數(shù)年的運(yùn)行歷史，其運(yùn)行成本約為常規(guī)燃油城市客車的1/3，維護(hù)成本僅為1/10。目前存在的主要技術(shù)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(fēng)險(xiǎn)之虞，可有效滿足軌道車輛的技術(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[4]，另外可見自身重量較大的電池和牽引電機(jī)布設(shè)于車底，以此有效降低整車重心，并相應(yīng)增加車體穩(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)

近年來較為熱門的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，如用在軌道車輛上則可進(jìn)一步提升動力性能，并延長可再生能源使用時(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)啟動和運(yùn)行，以此增加發(fā)電時(shí)間和輸出功率，并且在車輛運(yùn)行狀態(tài)下即可產(chǎn)生風(fēng)能，一般情況下白天有太陽時(shí)風(fēng)力較小，夜間無太陽時(shí)風(fēng)力較大，陰雨天無太陽風(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)行和駐車時(shí)）不停地充電，可大幅增加軌道車輛續(xù)航里程并優(yōu)化蓄電池使用壽命。

3.4國內(nèi)外太陽能軌道車輛的研究現(xiàn)狀

目前世界范圍內(nèi)針對相關(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(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。2015年，瑞士對太陽能應(yīng)用于軌道車輛的可行性進(jìn)行了研究。2017年7月14日，印度方面正式投入運(yùn)行了太陽能列車[5]。2017年7月18日，澳大利亞拜倫灣也運(yùn)行了由太陽能提供動力來源的軌道車輛。國內(nèi)方面，以中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司與中車唐山機(jī)車車輛有限公司為代表的科研院所也在開展相關(guān)研究[6-8]。目前國內(nèi)針對該領(lǐng)域主流的發(fā)展趨勢為：（1）軌道車輛車載光伏電池的選型、配裝與發(fā)電方式研究；（2）軌道車輛車載新能源混合動力微網(wǎng)控制策略研究。

4太陽能軌道車輛應(yīng)用前景展望

4.1發(fā)展太陽能軌道車輛的必要性

我國鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域最早采用的牽引動力是蒸汽機(jī)車，在20世紀(jì)50年代后期即開始大力發(fā)展內(nèi)燃機(jī)車，后來內(nèi)燃機(jī)車又逐步被電力機(jī)車所取代，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源，太陽能電能通常僅占總裝機(jī)容量的0.7%。我國大型太陽能發(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，采用太陽能軌道車輛以實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能減排目標(biāo)同樣勢在必行。

4.2太陽能軌道車輛的未來技術(shù)發(fā)展

根據(jù)目前太陽能電池、鋰離子電池和超級電容電池的最新發(fā)展，為太陽能超級電容電池軌道車輛車輛發(fā)展創(chuàng)造了條件。在超級電容電池軌道車輛發(fā)展的基礎(chǔ)上只要有高能量密度的太陽能電池，發(fā)展太陽能超級電容電池軌道車輛即可謂如魚得水。在當(dāng)前的技術(shù)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(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)太陽能電站，為太陽能汽車及太陽能軌道車輛提升了續(xù)航能力，鐵路電力系統(tǒng)在進(jìn)行建設(shè)時(shí)無須配置接觸網(wǎng)系統(tǒng)，雖然在高速列車上還難以滿足要求，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，太陽能軌道車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(fēng)電互補(bǔ)系統(tǒng)配備超級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，無須電費(fèi)，噪聲小，無污染物排放。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，太陽能應(yīng)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(fā)電方式（如風(fēng)能）或其他類型的電源實(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

太陽能軌道車輛在國內(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，但考慮到其對國內(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:上海汽車集團(tuán)股份有限公司