文章来源:新材料产业 微信公众号
目前，轨道车辆主要以电力作为能量来源。我国超过80%的电能来自火力发电，同时“富煤、贫油、少气”的能源特点，使得我国近50%煤炭用于发电。随着社会的发展，对能源的需求量日益增多，石化燃料的过度开采造成能源危机的突出。与此同时，大量一次能源的使用促进大气中二氧化碳体积分数增加，导致全球气候变暖；排放的有毒气体，如碳氢化合物、氮氧化物等在光照的作用下生成光化学烟雾，严重危害人类健康；石化燃料燃烧产生的颗粒物导致雾霾频发。城市轨道交通能够有效缓解交通拥堵，且不直接产生有害排放，其若能摆脱传统电网束缚、采用清洁可再生能源为动力，则能更充分地发挥方便人民出行、改善城市环境的作用。
目前，轨道车辆主要以电力作为能量来源。我国超过80%的电能来自火力发电，同时“富煤、贫油、少气”的能源特点，使得我国近50%煤炭用于发电。随着社会的发展，对能源的需求量日益增多，石化燃料的过度开采造成能源危机的突出。与此同时，大量一次能源的使用促进大气中二氧化碳体积分数增加，导致全球气候变暖；排放的有毒气体，如碳氢化合物、氮氧化物等在光照的作用下生成光化学烟雾，严重危害人类健康；石化燃料燃烧产生的颗粒物导致雾霾频发。城市轨道交通能够有效缓解交通拥堵，且不直接产生有害排放，其若能摆脱传统电网束缚、采用清洁可再生能源为动力，则能更充分地发挥方便人民出行、改善城市环境的作用。
城市轨道交通采用的新能源混合动力系统一般以燃料电池为主能源，辅以动力电池或超级电容。燃料电池将燃料的化学能不经燃烧直接转化为电能，具有转化效率高、无污染等特点；动力电池具有较高的能量密度，超级电容具有较高的功率密度，其与燃料电池一起构成的混合动力系统能够充分利用各能量源的优点，满足车辆运行的功率需求。太阳能发电是一种最具可持续发展理想特征的可再生能源发电技术，其在新能源城轨车辆上的应用，可进一步提高能量利用率、发挥节能减排的特性，并给车辆带来自放电补偿、隔热降温等附加益处。此外，太阳能电池和燃料电池、超级电容、动力电池一起构成的车载新能源混合动力微电网，从微网的角度对系统能量管理控制策略进行研究，能进一步优化系统结构，促进系统配置，使得能量管理达到最优状态。
一、太阳能电池研究现状
1. 太阳能电池发电原理
各种类型的太阳能电池工作过程不尽相同，但工作原理类似，主要是利用半导体P - N节的光生伏特效应，如图1所示。P - N节由P型半导体和N型半导体结合而成，P型半导体是在本征半导体中加入最外层为3个电子的硼、铝、镓、铟等元素形成的多空穴的杂质半导体；N型半导体是在本征半导体中加入最外层为5个电子的磷、砷、锑等元素形成的多电子的杂质半导体；两者结合后N型半导体中的电子和P型中的空穴相互中和（存在电子浓度差，实际上是N型中的电子流向P型中的空穴），由于电子的流动，使得N型半导体呈正电性，P型半导体呈负电性，从而在接触面附近形成内电场。内电场阻碍电子的移动，最终达到平衡状态。当光线照到P - N节上并在界面层被吸收时，光子将界面2侧的P型和N型硅中的共价键激发，打破原来的状态，产生电子-空穴对，而内电场的作用使得电子-空穴对中的电子向N极移动，空穴向P极移动，削弱内电场。这种光子激发作用除了削弱内电场外，还会进一步形成和内电场方向相反的光电厂，使得P极呈高电位，N极呈低电位，接上外电路即可供电。
2. 太阳能电池分类
当前主要的太阳能电池及其分类如图2所示：按照衬底材料的不同，太阳能电池可以分为传统晶硅类电池和柔性薄膜太阳能电池。以玻璃硬性材料为衬底的单晶硅与多晶硅太阳能电池占生产量的绝大多数，其特点是生产技术成熟且光电转化效率高。但是由于其本身制造过程的高能耗与高真空条件使这类电池的发电成本较高，而且其容易破碎、不可弯曲等特点限制了某些应用场合。
从各种类型太阳能电池光电转化效率发展历程可知，在发展的早期，晶硅类电池在发电效率方面比薄膜电池高很多，但是随着技术的发展，薄膜电池光电转化效率提高很快，目前两者在发电效率方面基本持平，但薄膜电池在重量、成本方面有独特的优势，逐渐成为光伏电池发展的主要方向。
3. 柔性薄膜太阳能电池
太阳能电池开发和制备过程中需要关注的2个问题，一是降低成本，二是提高光电转化效率，其中，薄膜化是降低成本的重要途径。柔性薄膜太阳能电池是在柔性材料上制作而成的薄膜太阳能电池，要求衬底材料应具有足够的强度、良好的热稳定性、与P - N结光电转化材料相匹配的热膨胀系数和良好的透光性等。常用的柔性薄膜太阳能电池的衬底材料可分为金属及其合金、聚合物2大类。金属及其合金衬底主要指不锈钢，具有耐高温、耐腐蚀、导电性能优越、延展性好及成本低廉等优点，它可以使用较高的衬底温度沉积电池薄膜材料，有利于实现柔性电池卷对卷的生产工艺，对电池的大面积连续生产更具有经济价值；聚合物类衬底材料大多具有密度小、可弯曲、耐冲击和易携带等特点，利用连续卷对卷印刷工艺生产能提高产率、降低生产成本。聚合物衬底主要有：聚对苯二甲酸二乙酯（PET）、聚萘二酸乙二醇酯（PEN）、聚酰亚胺（PI）等聚合物，甚至纸张也可以作为衬底材料。尽管柔性有机材料完全可以取代玻璃作为衬底，但其不耐高温，因此要求较低的成膜温度，使得目前薄膜与基体之间的附着力较差，效率普遍偏低。相对玻璃衬底而言，有机柔性衬底由于其柔韧性释放应变，在薄膜制备过程中呈现小的应变。
由图2可知，目前主要的柔性薄膜太阳能电池包括硅基薄膜电池、化合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机太阳能电池和新型纳米材料太阳能电池。其中，染料敏化太阳能电池是通过模仿绿色高等植物的光合作用制备的，其主要问题在于电子在主链传输的过程中会在半导体薄膜上发生传输中的电子与激发态染料或I3-复合等现象，从而影响太阳能电池的效率；有机太阳能电池的研究近年来虽然取得了重大的进步，但仍将处于实验室研发的状态，制约其规模生产和使用的因素主要有价格、寿命、光电转换效率等，其中最重要的是使用寿命难以提高。
目前有望大规模生产的薄膜电池主要有3种：非晶硅(a-Si)、碲化镉(CdTe)和铜铟(镓)硒[CI(G)S]，其光电转化效率分别为5%～10%、8%～11%、7%～11%。非晶硅电池与其它2种电池相比，效率最低，但是技术较成熟，占据了主要的薄膜电池市场。CdTe电池由于生产成本低，在工业生产上也得到了很大发展，但由于Cd元素有毒，对环境有害，所以是其推广的一个主要阻力。铜铟(镓)硒太阳能电池由于转化效率是薄膜太阳能电池中最高的，而且有带隙可调、抗辐射性能好、生产过程环保、对元素含量偏离化学计量比容忍度高等优点，其成本约为砷化镓（一种效率更高的薄膜电池）电池的1/100。
在新能源有轨电车上，光伏电池主要布置在车顶、侧墙或是玻璃上（太阳能发电玻璃），综合考虑发电效率、质量、安装便利性和成本等多个因素，铜铟(镓)硒太阳能电池是当前阶段的首选。
二、太阳能光伏电池在轨道交通应用研究
轨道交通用电负荷可分为：车辆牵引供电负荷、运营动力负荷（车站及区间内为保证地铁正常、安全运营而所需的一些机电设备、通信信号设备、监控设备等）、道交通运营照明负荷（各类正常照明、应急照明、指示照明、广告照明等）。其中，牵引负荷、通信信号、消防通风、消防监控、应急照明等是与行车及消防相关的可靠性要求极高的特别重要的一级负荷。
目前太阳能光伏电池一般是用作车站内三级负荷、正常照明和一般的机电负荷供电，很少用作车辆牵引的动力供电。在新能源城轨车辆上，由于增加了超级电容和动力电池，太阳能电池发出的电能除为车辆和动力系统辅助设备供电外，经DC/DC变流器后可为动力电池或超级电容充电，从而间接实现电动供电。
1. 国外太阳能电池在轨道交通应用情况
2005年10月，意大利展示了欧洲第1辆使用太阳能的火车，这种火车在车厢顶部安装了太阳能板，用于为车上的空气控制设备、照明系统和安全系统提供能源；在2010年，法国的TER-SCNF国有铁路公司测试了光伏-柴油混合动力系统，其车顶安装了990Wp光伏发电系统，用于DMU系统中电气照明；2011年，印度铁路公司在车顶安装了一个1kW p的光伏发电系统，能为电气负载提供了420W的功率；2011年6月6日，比利时的太阳能火车投入运营，该车运行所需电力全部由16 000块设置在高速铁路隧道顶板的太阳能电池提供，而非车载太阳能电池；2013年，伊朗进行的一个相似研究显示车载光伏发电系统可以在光照条件较好的季节提供74%的车厢耗能，在光照较差的季节提供25%的耗能，车载光伏系统最大可以输出63.7kWh的能量，相当于每年减少37t二氧化碳排放；2015年，瑞士铁路运营商Swiss South Eastern Railway AG对太阳能进行可行性研究；2017年7月14日，印度太阳能火车﹝图3（a）﹞正式投入使用，该车共有6节车厢，铺设16块太阳能电池板，每块电池板的发电能力可达到300W，此外还安装了电池组，多余电能将被储存在电池组，共同为列车照明、广播、开关门操作等供电；2017年7月18日，世界首辆以太阳能为动力的火车﹝图4（b）﹞在澳大利亚著名景点位于新南威尔士州北海岸的拜伦湾运行，首次运行载客近100名。
2. 国内太阳能电池在轨道交通应用情况
在国内，轨道交通中应用太阳能的主要方式是将太阳能电池板安装在高架车站（最多）、车辆段停车场（其次）、高架区间、地下站出入口集散地等，为车站提供照明和一般机电负荷供电，如上海虹桥火车站、天津西站、南京南站等已经建立了并网光伏发电系统。
目前，国内将光伏电池用在轨道车辆上研究相对较少。中车青岛四方机车车辆股份有限公司的侯霄等人基于电力机车主变压器集中供电的普通客车及动车组客车，对太阳能电池在轨道车辆上应用的经济性进行评估，其探讨的光伏发电技术主要针对车用DC110V、DC48V、DC24V以及充电机、蓄电池组等的用电，系统供电情况如图4所示。
车体长度按照19m（扣除两端空调、水箱等设备）计算，太阳能电池选择无锡尚德的多晶硅电池，尺寸为156m m ×156mm，单片电压0.5 V，功率4.4W。光伏发电系统电压范围最终确定为100 ～135 V，总发电功率按照6000W计算，多晶硅光伏电池价格约为5元/W，则1辆客车光伏电池的成本投入为47 520元；按每年有效晴天数为250天计算，则1辆客车每年节约电能10 500 kWh；光伏电池寿命为25 ～30年，则每辆客车在30年的设计周期内可节约用电315 000 kWh；考虑光伏电池寿命终结时还可再回收利用，由此算出每辆客车因增设光伏发电系统而增加的成本约8万元，而其使用期可节约的电费将近20万元。
中车唐山机车车辆有限公司（以下简称“中车唐山”）开展太阳能光伏发电在新能源轨道车辆上应用的研究。与传统有轨电车不同，新能源有轨电池采用燃料电池作为主动力源，动力电池和超级电容作为辅助电源，起到满足车辆启动时大功率输出需求、提高车辆动力响应特性、保证燃料工况稳定、吸收制动能量等作用。该系统中动力电池、超级电容的电能也来自燃料电池，因此能源消耗只有氢气。
在该系统中引入光伏电池有以下3个作用：①为燃料电池提供辅机功率：能够与储能模块构成光伏储能系统，为燃料电池辅机系统（空压机、散热器、循环泵、阀门、控制器等）供电，同时提供燃料电池保温系统户外供电。②为列车辅助系统提供功率：光伏储能系统为照明、门控、列控等系统供电；转换为380/220V交流为空调风机、电热玻璃等设施供电。③为车载动力储能提供自放电补偿功率：太阳能光伏阵列经直流升压模块输出750V直流，与车载储能模块相连，以解决车载储能模块因自放电导致的过放问题，从而实现车载储能的免维护存放。为充分利用车辆运行时光伏电池发出的电能，中车唐山开发了基于车辆和运行线路的光伏发电仿真计算软件，软件功能如图5所示。
该软件主要作用是根据太阳能电池板的安装方式，太阳能电池厂家提供的参数和车辆线路参数，模型计算定线路条件下太阳能电池功率输出曲线，为光伏电能的充分利用提供参考，也是车辆光伏电池安装角度、安装面积优化的一种手段。目前，中车唐山搭载光伏发电系统的新能源城轨车辆正在开发中，预计2019年投入使用。
3. 车载新能源混合动力微网研究现状
微网是将分布式电源、电力电子装置、储能装置与负荷组成的一个整体，通过隔离开关与大电网相连，可运行在并网和孤岛2种模式下。在图6所示的新能源混合动力城轨车辆上，燃料电池和太阳能属于分布式电源，动力电池和超级电容属于储能装置，这两类装置结合在一起实际上构成了一个车载微网，且该微网始终运行在孤岛模式下。由于微网中使用较多的电力电子装置作为接口，使得微网内的分布式电源相对于传统大发电机惯性很小或无惯性。对新能源混合动力系统而言，超级电容和蓄电池作为储能装置维持微网的暂态稳定性。从微网的角度对新能源混东动力系统的控制策略进行研究，有助于系统配置和结构的进一步优化。微网的控制策略也是新能源混合动力微网研究的重点工作，对分布式电源来说，其接口逆变器的控制方法有恒功率控制、下垂控制、恒压恒频控制；对整个微网系统来说，一般有2种控制策略：主从控制和对等控制，如图7所示。
主从控制的特点是以分布式电源为主单元时需要强通讯，且从控制器服从主控制器。主从控制按照是否以某一分布式电源作为主单元可分为以分布式电源作为主控制单元的主从控制和以上层中心控制器作为主控制单元的主从控制2大类。对等控制策略的特点是能让微网具有“即插即用”的功能，分为利用测量系统的频率和分布式电源输出电压幅值产生分布式电源参考有功和无功功率的f - P & V -Q下垂控制法。另一种是利用测量分布式电源输出的有功和无功功率产生其输出的电压频率和幅值的P - f & Q -V下垂控制法。这些控制方法需要结合新能源轨道车辆的特点进行选择和优化，从而充分发挥系统功能。
三、结语
从上述分析可以得出，太阳能在新型轨道车辆上应用的研究，应主要从以下2个方面开展：
①车载光伏电池的选型、安装和发电利用方式研究。目前，市面上光伏电池种类繁多，每种太阳能电池都有自己的特点和适用范围。在城轨车辆上，由于安装空间有限，需要综合考虑成本和发电效率，并尝试在车体侧墙和车窗玻璃（不能影响采光）上布置太阳电池板，以尽可能增大安装面积。此外，不同类型、不同发电能力太阳能电池板的发电电压不一致，可能需要匹配多个DC/DC变流器防止回流，从而对太阳能电池板的选型、安装和电能利用提出更严峻要求。
②车载新能源混合动力微网控制策略研究。对太阳能电池而言，其功率输出受温度和光照强度影响较大，在温度、光照强度确定的条件下，其可输出功率存在最大值。因此，最大功率跟踪是太阳能发电控制的关键技术。对于新能源混合动力微网而言，引入光伏电池后，系统参数进一步增多，控制系统需要根据光伏电池发电特点对其加以利用，同时考虑到光伏发电的不稳定性，需要制定相应的处置机制。如何在保证动力系统功率输出稳定的前提下充分发挥各个模块的作用，达到降低能耗、延长系统寿命的作用，是控制系统进一步发展的主要工作。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.09.012）
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