太陽能光伏發(fā)電在新能源城軌軌道車輛上應用現(xiàn)狀研究

: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，且不直接產生有害排放， 其若能擺脫傳統(tǒng)電網束縛、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。

（來源：微信公眾號“新材料產業(yè)” 作者：韓國鵬 李明 張秋敏）

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燃燒直接轉化為電能，具有轉化效率高、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，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、動力電池一起構成的車載新能源混合動力微電網，從微網的角度對系統(tǒng)能量管理控制策略進行研究，能進一步優(yōu)化系統(tǒng)結構，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半導體；兩者結合后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電場。內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側的P型和N型硅中的共價鍵激發(fā)，打破原來的狀態(tài)，產生電子-空穴對，而內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，削弱內電場。這種光子激發(fā)作用除了削弱內電場外，還會進一步形成和內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。

圖1 太陽能電池工作原理

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量的絕大多數，其特點是生產技術成熟且光電轉化效率高。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。

圖2 主要太陽能電池及其分類

從各種類型太陽能電池光電轉化效率發(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，但是隨著技術的發(fā)展，薄膜電池光電轉化效率提高很快，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注的2個問題，一是降低成本，二是提高光電轉化效率，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結光電轉化材料相匹配的熱膨脹系數和良好的透光性等。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工藝，對電池的大面積連續(xù)生產更具有經濟價值；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能提高產率、降低生產成本。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的過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)模生產和使用的因素主要有價格、壽命、光電轉換效率等，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，但是技術較成熟，占據了主要的薄膜電池市場。CdTe電池由于生產成本低，在工業(yè)生產上也得到了很大發(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化效率是薄膜太陽能電池中最高的，而且有帶隙可調、抗輻射性能好、生產過程環(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、側墻或是玻璃上（太陽能發(fā)電玻璃），綜合考慮發(fā)電效率、質量、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)間內為保證地鐵正常、安全運營而所需的一些機電設備、通信信號設備、監(jiān)控設備等）、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)輔助設備供電外，經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1kWp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16000塊設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3（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。

（a）印度太陽能火車

（b）澳大利亞太陽能火車

圖3 國外太陽能電池在軌道車輛上應用