鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)電源技術(shù)的探討

朱英波 梁普 (等)

摘 要：針對鐵路罐車需加裝安全監(jiān)測系統(tǒng)但無電源的現(xiàn)狀，從環(huán)境溫度、安裝方式和供電方式等方面對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發(fā)電三種電源應(yīng)用于鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：鐵路罐車；監(jiān)測系統(tǒng)；電源

隨著鐵路罐車載重增加，速度提升，以及鐵路信息化的發(fā)展，為了提高危險品運輸?shù)陌踩裕訌娢ｋU品的運營管理，鐵路罐車需加裝安全監(jiān)測系統(tǒng)。然而，鐵路罐車無供電設(shè)施，為了使安全監(jiān)測系統(tǒng)能夠運行，鐵路罐車須配備合適的電源。

1 概述

鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)是利用傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集及處理技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、GPS定位技術(shù)以及后臺信息系統(tǒng)的融合技術(shù)等技術(shù)手段，采用車載設(shè)備對罐車運行中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測，并通過無線的方式傳送到地面監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)危險品裝卸運營全過程的監(jiān)控。給這套系統(tǒng)供電，最常用的電源是電池，特種鐵路罐車已采用閥控式鉛酸蓄電池為測量顯示系統(tǒng)供電，而鋰亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池是目前實際應(yīng)用電池系列中比能量最高的一種電池。除了電池，也可以利用自然能源的能量轉(zhuǎn)換為監(jiān)測系統(tǒng)供電，如太陽能，這種能源因具有無污染、資源普遍和永不枯竭等特點，近幾年發(fā)展迅速。因此，本文對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發(fā)電三種電源應(yīng)用于鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了探討。

2 鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)電源的要求

為了給安全監(jiān)測系統(tǒng)供電，所配備的電源應(yīng)能提供12V可靠穩(wěn)定的直流電。由于鐵路罐車運輸范圍廣、溫度變化大，電源應(yīng)能滿足鐵路罐車運營環(huán)境溫度的要求，即-40℃～+50℃。并且，鐵路罐車的最短檢修周期為1年，在此期間，一般無專人維護(hù)，因而，電源的供電時間應(yīng)不小于1年。

3 三種電源應(yīng)用于鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)的分析

根據(jù)鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)電源的要求，從環(huán)境溫度、安裝方式和供電方式等方面分別對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發(fā)電三種電源進(jìn)行分析、對比。

3.1 閥控式鉛酸蓄電池

閥控式鉛酸蓄電池因結(jié)構(gòu)密封，充、放電過程中不會漏液，也不需要定期加水或加酸液，并且，電池內(nèi)部設(shè)置了可以調(diào)節(jié)氣壓的安全閥，因此，這種電池也被稱為“免維護(hù)”閥控密封式鉛酸蓄電池，為二次電池。這種電池因具有電壓穩(wěn)、充放電可逆性好、使用溫度范圍廣、安全性高、免維護(hù)、環(huán)保等特點，廣泛地應(yīng)用于國防、交通、電力、通訊、冶金、石油化工以及城市軌道交通的通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等[1]。

閥控式鉛酸蓄電池在-40℃～+60℃范圍內(nèi)可正常使用，使用壽命為5年，能夠滿足鐵路罐車運營環(huán)境溫度和檢修的要求。然而，由于結(jié)構(gòu)原因，散熱困難，其壽命和容量受溫度影響較大。這種電池在25℃的環(huán)境下兼具使用壽命長和容量高的最佳綜合性能。長期運行溫度若升高10℃，使用壽命約降低一半[2]；當(dāng)溫度降低至-40℃時，蓄電池的容量減少到原來的1/ 3 左右[3]。

為了延長使用壽命，蓄電池應(yīng)避免陽光直射，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐L(fēng)。并且，由于蓄電池的體積和重量較大，如容量為38Ah的閥控式鉛酸蓄電池外形尺寸為200mm×169mm×176mm，重量約19kg。因此，蓄電池在鐵路罐車上的安裝采用獨立式設(shè)計，并在保護(hù)殼上設(shè)置通風(fēng)孔，可與安全監(jiān)測系統(tǒng)的其他部件一起固定在罐頂，或懸掛于罐車的底架上以便于臨時檢修。在確定蓄電池的容量時，需綜合考慮用電負(fù)載功耗、蓄電池的放電深度（一般取75%）、自放電（25℃時，每天自放電率小于額定容量的0.1%）和溫度對蓄電池容量的影響等因素。

由于蓄電池在一次充電后給負(fù)載的供電時間應(yīng)不低于1年，因此，采用閥控式鉛酸蓄電池給監(jiān)測系統(tǒng)供電時，只能進(jìn)行間歇式供電，不能實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。并且，根據(jù)用電負(fù)載的功耗，在考慮蓄電池體積和重量的基礎(chǔ)上，選擇適當(dāng)?shù)娜萘?，從而確定供電的間隔時間。

3.2 鋰亞硫酰氯電池

鋰亞硫酰氯電池因具有比能量高（實際比能量為405Wh/kg[4]）、工作電壓高且平穩(wěn)（在90%容量范圍內(nèi)，電壓變化小于0.2V[5]）、儲存壽命長（15年）、體積小、重量輕、耐振動和沖擊等優(yōu)點，已廣泛地應(yīng)用于電子計量、檢測儀表、監(jiān)控報警系統(tǒng)、電子醫(yī)療設(shè)備、GPS定位追蹤設(shè)備等。目前工業(yè)化生產(chǎn)的電池為一次電池，國產(chǎn)38Ah鋰亞硫酰氯電池的價格大約為每節(jié)75元。

鋰亞硫酰氯電池的工作溫度范圍在-55℃～85℃之間，滿足鐵路罐車的運營工況。然而，環(huán)境溫度對這種電池的容量和壽命也有一定的影響，當(dāng)溫度從25℃降低到-40℃時，電池容量降低約30%，高溫（>70℃）對電池的壽命有不利的影響。

由于鋰亞硫酰氯電池的開路電壓為3.6V，采用這種電池給12V的直流負(fù)載供電時，須串聯(lián)4節(jié)電池才能達(dá)到所需的電壓。該電池因比能量大而具有體積小、重量輕的優(yōu)點，目前工業(yè)化生產(chǎn)的鋰亞硫酰氯電池最大容量為38Ah，外形尺寸為φ34.2mm×124.5mm，重量約0.2kg。因而，采用這種電池給安全監(jiān)測系統(tǒng)供電時，不需單獨設(shè)計安裝結(jié)構(gòu)，可與其他部件一起安裝在保護(hù)殼內(nèi)，并固定于罐頂。

為了達(dá)到鐵路罐車在最短1年檢修周期內(nèi)的供電要求，采用鋰亞硫酰氯電池作為安全監(jiān)測系統(tǒng)的電源時，也只能進(jìn)行間歇式供電，可采用并聯(lián)的方式增加電池的容量。這種電池由于自放電率很低（每年約0.1%），電池的容量僅與用電負(fù)載的功耗和溫度有關(guān)。在綜合考慮電池的容量和體積的情況下，確定危險品運輸過程中監(jiān)測的時間間隔。

3.3 太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電是利用太陽能電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光的輻射能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，又稱光伏系統(tǒng)，這是一種對環(huán)境無污染的可再生能源，其應(yīng)用覆蓋航海、航天、電力、交通、民用等領(lǐng)域，尤其是無電網(wǎng)的地區(qū)。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、阻塞二極管、調(diào)節(jié)控制器和蓄電池組成[6]，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的太陽能電池是晶體硅太陽能電池，主要包括單晶硅和多晶硅。單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率約15%，多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在10%左右[7]。由于材料容易制取，多晶硅太陽能電池的成本較低?，F(xiàn)階段，市場上晶體硅太陽能電池組件的價格大約為15元/瓦，預(yù)期使用壽命25年。與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池。

太陽能電池的正常工作溫度是-65℃～+125℃，在給定的光強下，工作溫度升高會降低轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致輸出功率減小、使用壽命降低。研究表明相對于電池的額定工作溫度25℃，溫度每升高1℃功率會降低0.3%[8]。

由于鐵路罐車屬于移動式設(shè)備，運輸范圍遍及全國，為了使車輛運輸途中太陽能電池組件能夠最大限度地獲得太陽能，提高發(fā)電效率，太陽能電池組件的安裝須選取合適的傾斜角（太陽能電池組件平面與水平地面的夾角）。鑒于最佳傾斜角與地理緯度有關(guān)，通過調(diào)研1998年～2005年全國主要城市的日輻射量，成都和貴陽的日輻射量均較低，因此，鐵路罐車太陽能電池組件安裝傾斜角的確定以這兩個地區(qū)作為參考，分別為32°和34°。同時，考慮到傾斜角大于30°時有利于組件表面的積雪滑落，因而，太陽能電池組件在鐵路罐車頂部安裝的傾斜角可選在30°～35°之間。

采用太陽能發(fā)電可以提供源源不斷的能量，為鐵路罐車的安全監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)供電，不僅可以滿足鐵路罐車的檢修要求，而且能夠達(dá)到實時監(jiān)控的目的。

3.4 三種電源的對比

閥控式鉛酸蓄電池在鐵路罐車上已有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，可懸掛于鐵路罐車的底架上，便于臨時檢修或更換電池。這種電池存在體積和重量大的缺點。采用該電池給安全監(jiān)測系統(tǒng)供電時，只能進(jìn)行間歇式供電。

鋰亞硫酰氯電池因具有體積小、重量輕的優(yōu)點，應(yīng)用于鐵路罐車可以實現(xiàn)安全監(jiān)測系統(tǒng)的小型化和輕量化。然而，該電池存在低溫放電電壓滯后、短路和重負(fù)載條件下存在安全隱患等缺點。這種電池作為安全監(jiān)測系統(tǒng)的電源時，危險品運輸過程中的監(jiān)測也只能是間歇式的。

采用太陽能發(fā)電的方式給鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)供電時，可以達(dá)到在1年的檢修期內(nèi)給系統(tǒng)持續(xù)供電的目的，實現(xiàn)危險品裝卸運營全過程的實時監(jiān)測。太陽能電池組件存在體積大、產(chǎn)業(yè)鏈不完整、標(biāo)準(zhǔn)不完善、價格高等缺點。

4 結(jié)束語

通過對閥控式鉛酸蓄電池、鋰亞硫酰氯電池和太陽能發(fā)電三種電源應(yīng)用于鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)的對比分析，可以得出以下結(jié)論：在間歇式供電的情況下，可以選用閥控式鉛酸蓄電池或鋰亞硫酰氯電池。閥控式鉛酸蓄電池因?qū)儆诙坞姵亻L期使用經(jīng)濟(jì)性更高（38Ah電池的價格約600元），而鋰亞硫酰氯電池明顯具有自放電率低、體積小、重量輕的優(yōu)點。鐵路罐車危險品在運輸過程中需實時監(jiān)測時，可采用太陽能發(fā)電給安全監(jiān)測系統(tǒng)供電。因此，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)用戶的具體需求為鐵路罐車安全監(jiān)測系統(tǒng)選擇合適的電源。

參考文獻(xiàn)

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