太陽能光伏電源在公交車上的應(yīng)用

摘要：目前，能源供給和有害物質(zhì)排放越來越嚴(yán)重，逐漸成為制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。近幾年，國家越來越來重視對新能源的開發(fā)和研究工作，積極探索清潔、無污染、可再生的綠色能源。在日益繁榮的交通環(huán)境下，太陽能光伏電源廣泛地應(yīng)用到公交車中，為城市交通新能源提供新思路。文章分析了太陽能光伏電源在公交車上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：公交車；太陽能；光伏電源；能源供給；綠色能源 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM914 文章編號：1009-2374（2015）32-0091-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.32.049

目前，環(huán)境污染和能源緊缺成為全球性問題，而隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，人們對能源的需求量越來越大，特別是電力消耗、能源緊缺成為制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要問題。所以，國家要積極推行和研發(fā)風(fēng)能、水能、太陽能等清潔、無污染、可再生的新能源，緩解全球能源緊缺和環(huán)境污染問題。近幾年太陽能光伏電源被廣泛應(yīng)用在交通運(yùn)輸中，取得較好的應(yīng)用效果和社會效益，符合現(xiàn)階段我國提出的可持續(xù)發(fā)展觀念。

1 太陽能光伏電源概述

太陽能光輻射是一種取之不盡、用之不竭的能源類型，在地球大氣圈以外，太陽輻射的功率密度為1.353kW/m2，到達(dá)地球表面時(shí)，一些太陽光被大氣層吸收，其光輻射被降低。而在地球海平面上，正午垂直射向大地時(shí)，太能輻射的功率密度為1kW/m2，一般被作為是測試太陽能電池性能的標(biāo)準(zhǔn)光輻射強(qiáng)度。從這方面來看，太陽能的光輻射有比較大的能量輻射，每年到達(dá)的地球輻射能源相當(dāng)于49000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的燃燒，是一種比較理想的綠色能源。太陽能轉(zhuǎn)換為光能主要有3種方式：光能—電能、光能—化學(xué)能、光能—熱能。太陽能光伏帶能的工作原理是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，在純硅中摻入5個電子的原子和磷原子，轉(zhuǎn)化為帶負(fù)電的N型半導(dǎo)體；如果摻入3個電子的原子，就轉(zhuǎn)化為P型半導(dǎo)體。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)會出現(xiàn)電勢差，從而形成太陽能電能，從而使太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，被稱為光電轉(zhuǎn)換，也就是我們常說的光伏發(fā)電。而快速公交系統(tǒng)建成BRT，它是一種新型公共客車運(yùn)行系統(tǒng)，屬于大運(yùn)量交通運(yùn)輸方式。它主要是利用現(xiàn)代公交技術(shù)結(jié)合智能交通的運(yùn)行管理方式，是目前比較先進(jìn)和便利的交通方式。我國2012年發(fā)布新能源汽車與節(jié)能發(fā)展規(guī)劃，提出新能源汽車技術(shù)與節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，首次在政府的名義上將太陽能應(yīng)用于交通運(yùn)輸中。而我國對一些國家這方面的研究表明，比如英國很早就頒布了電動汽車計(jì)劃；日本長期堅(jiān)持能源安全與產(chǎn)業(yè)競爭力提高的雙重戰(zhàn)略，積極制定電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)日本也比較重視低碳能源的研究與應(yīng)用，重視科技創(chuàng)新。

2 太陽能光伏電源系統(tǒng)

2.1 太陽能光伏電源系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能光伏電源系統(tǒng)組成部件主要由太陽能電池板、逆變器、控制器以及蓄電池組成。其中太陽能電池板是構(gòu)成太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要作用是將太陽的輻射轉(zhuǎn)化為電能，或者把太陽能的輻射能力通過蓄電池儲存起來，或者是推動負(fù)載工作；太陽能控制器是整個光伏電源系統(tǒng)中工作狀態(tài)的一種表現(xiàn)形式，它通過工作對蓄電池起到放電、充電等保護(hù)作用。另外，在溫差比較大的情況下，控制器能夠起到較好的溫度補(bǔ)償作用。而且控制器還有一些附加功能，比如時(shí)控開關(guān)、光控開關(guān)等。系統(tǒng)中蓄電池一般為鉛酸電池，在光伏電源的微小型系統(tǒng)中，能夠使用鎳鎘電池、鎳氫電池以及鋰電池，能夠在有光束的環(huán)境下把太陽能電池板發(fā)出來的電能儲存起來，需要的時(shí)候再釋放出來。逆變器是太陽能光伏電源構(gòu)成部件之一，太陽能一般直接輸出24VDC、14VDC或者是48VDC，以便能向220VAC的電氣提供電能，從而把太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，這個轉(zhuǎn)變過程就是DC-AC逆變器轉(zhuǎn)換的。逆變器的選擇標(biāo)準(zhǔn)是效率，效率越高系統(tǒng)的光電組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電時(shí)產(chǎn)生的電量損耗就越少。從某種意義上說，逆變器的質(zhì)量決定了發(fā)電系統(tǒng)的效益，所以在選購的過程中一定要注意使用質(zhì)量過關(guān)的逆變器。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

2.2.1 離網(wǎng)發(fā)電。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，離心發(fā)電系統(tǒng)一般配備有逆變器和蓄電池，一般情況下白天光伏產(chǎn)生的電能經(jīng)過控制提供給負(fù)載，而且能夠把系統(tǒng)產(chǎn)生的多余的電能存儲到蓄電池中，在陰天或者下雨天將蓄電池內(nèi)的能量通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電提供給負(fù)載。這種應(yīng)用一般在遙測、通信以及檢測設(shè)備電源或者是航標(biāo)塔、路燈中使用。這種通信方式應(yīng)經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會發(fā)展中，比如中國移動、聯(lián)通公司等，近幾年隨著交通事業(yè)的發(fā)展，光伏電源逐漸被應(yīng)用于公交、汽車及客車的領(lǐng)域，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.2 并網(wǎng)發(fā)電。并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏發(fā)電的一種，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是通過光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過變速器轉(zhuǎn)換為符合本項(xiàng)目工程電網(wǎng)要求的交流電之后直接接入電網(wǎng)系統(tǒng)中。在沒有太陽的陰雨天，光伏陣列就不能產(chǎn)生電能，也無法滿足負(fù)載需求時(shí)電網(wǎng)的供電。并網(wǎng)發(fā)電是直接將電能數(shù)據(jù)電網(wǎng)，在系統(tǒng)中不用配置蓄電池，設(shè)置了蓄電池的儲能和釋放過程，能夠使系統(tǒng)充分利用太陽能陣列實(shí)施發(fā)電，從而減少能量損耗，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。但是，如果系統(tǒng)需要專用的并網(wǎng)逆變器保證輸出的電力滿足電網(wǎng)電力對頻率、電壓的要求，可以實(shí)施電網(wǎng)并行，能夠使太陽能光伏和電能作為本地交流負(fù)載的帶能源，降低系統(tǒng)負(fù)載，另外并網(wǎng)能夠?qū)搽娋W(wǎng)起到較好的調(diào)峰作用，它作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)可能會產(chǎn)生一定的不良影響，比如系統(tǒng)發(fā)生的孤島效應(yīng)等。

3 太陽能光伏電源在公交車上的應(yīng)用

目前，公交車上使用的能源一般是通過太陽能電池轉(zhuǎn)換來的，功率密度較低，仍然不能單獨(dú)成為動力來源，但是可以通過燃油汽車的啟動蓄電池提供電能，以便保證車輛電能輸送，防止車輛因電力不夠而不能啟動，同時(shí)能夠減少發(fā)電機(jī)的負(fù)載，起到節(jié)約能源的作用，實(shí)現(xiàn)較大的使用效益。

3.1 燃油客車太陽能光伏電源的應(yīng)用

圖1 電動車太陽能系統(tǒng)

在燃油車的基礎(chǔ)上采用太陽能電池的實(shí)施方案是一種比較簡單的太陽能光伏應(yīng)用模式，只需要在原來的系統(tǒng)中增加一個太陽能電池板和一個變換器。其工作框圖如圖1所示。系統(tǒng)的變換器一般由太陽能電池板供電，利用開關(guān)電源的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)提高系統(tǒng)變換率、增加電壓輸入、提高電壓的穩(wěn)定性等優(yōu)勢。太陽能電壓一般比較低，但是效率比較高。太陽充足的情況下，變換器會參與供電，而在太陽光線不充足的情況下，轉(zhuǎn)換器就會停止工作，使整個太陽能模塊不消耗整個汽車的電能，從而提高汽車的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 太陽能光伏電源的復(fù)合能源應(yīng)用

在電動大客車中，純電動汽車一般采用復(fù)合能源系統(tǒng)，能源裝置一般由超級電容、太陽能電池以及蓄電池復(fù)合組成，太陽能電池與最大功率的電根據(jù)其串聯(lián)結(jié)構(gòu)實(shí)施能量轉(zhuǎn)移，在這個過程中能夠?qū)崿F(xiàn)雙向DC/DC變換器和超級電容的串聯(lián)，形成2個串聯(lián)回路，然后將這2個串聯(lián)回路與系統(tǒng)的蓄電池并聯(lián)在同一個直流母線上。在電能工作過程中，根據(jù)系統(tǒng)輸出信號和指令合理、準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)施電能信號，實(shí)現(xiàn)電池檢測功能，并科學(xué)、合理地調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量和功率。此復(fù)合能源電流約束的整體控制策略一般由約束電流控制蓄電池，使電流處于安全區(qū)域。在實(shí)際工作中電動汽車大部分時(shí)間均是在行駛過程中，避免不了會出現(xiàn)上下坡或加減速，在這種工作狀態(tài)下系統(tǒng)的負(fù)載電流也會隨之產(chǎn)生較大的變化。此時(shí)如果負(fù)載電流超過蓄電池所能承受的最大電流，一般情況下為了避免蓄電池過度放電，可以用超級電容代替其釋放電能，降低蓄電池的工作流量，從而起到保護(hù)蓄電池的作用。在工作工程中，對于能量回收功率，正功率表示能量源的輸出功率，負(fù)功率代表其能量回收功率。超級電容吸收能源回收負(fù)功率，這部分電流的主要特點(diǎn)是峰值高、電流大，這部分電流如果由蓄電池直接實(shí)施回收，可能會損壞蓄電池，從而影響蓄電池的使用壽命；而工作過程中的正功率所有的輸出功率均由蓄電池提供，超級電容主要負(fù)責(zé)吸收太陽能電池發(fā)出的電能，以便為下一個峰值到來時(shí)能夠有足夠的電源能量。這個過程中一般由超級電容和蓄電池同時(shí)供電，蓄電池提供車輛的額定功率，而超級電容提供峰值功率，或者在工作的過程中可以采用另一種沒有超級電容的設(shè)計(jì)方案，此方案不采用DC/DC性超級電壓，直接將電池板輸出的電壓轉(zhuǎn)化為12V的低壓，利用電池管理器監(jiān)控電池狀態(tài)，同時(shí)控制開關(guān)狀態(tài)，完成對電壓、電量較低的電池的充電。

4 公交車太陽能光伏能源的應(yīng)用效益

目前，太陽能光伏電源的發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)比較高，就太陽能的發(fā)展趨勢來說，太陽能光伏系統(tǒng)的造價(jià)會越來越低，而且國家在新能源使用方面會有更多的政策傾向，所以說該系統(tǒng)投資會越來越低。

我國每年大型客車的年產(chǎn)量比較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)全國的公交運(yùn)營客車超過了40萬輛，可見公交行業(yè)是社會主要耗油行業(yè)之一，從這方面來看其承擔(dān)著重大的節(jié)能減排任務(wù)，比較適合應(yīng)用、推廣新能源。全國各地的公交客車開始紛紛使用新能源，在北京、濟(jì)南等地首先開始使用新能源，無論是燃油客車，還是新能源汽車都可以采用太陽能電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的作用，而大客車的車頂面積比較大，安裝太陽能電池板能夠獲得較大的電能，以便產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。近幾年，國家對太陽能專題提出相關(guān)規(guī)劃，將產(chǎn)業(yè)定位為中國先進(jìn)新興能源支柱產(chǎn)業(yè)。到2012年各地機(jī)關(guān)政府開始大力實(shí)施光伏電能，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國的光伏產(chǎn)能達(dá)到40GM左右，相對于世界每年需求的24GW來說，我國光伏產(chǎn)能出現(xiàn)過剩問題。但是光伏產(chǎn)能在未來的發(fā)展中具有較好的發(fā)展空間。目前政府主要支持獨(dú)立光伏發(fā)電、并網(wǎng)光伏發(fā)電等，并根據(jù)市場發(fā)展規(guī)律和我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際情況實(shí)施投資補(bǔ)助，一般情況下，政府會對光伏電網(wǎng)實(shí)施50%的補(bǔ)助，給予偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立光伏點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)施70%的補(bǔ)助，這樣就大大降低了太陽能光伏電源的建設(shè)成本，提高了其使用效益。

目前，我國太陽能光伏電源成本已經(jīng)出現(xiàn)下降的趨勢，太陽能電池的價(jià)格逐漸下滑，光伏組件的單價(jià)以及蓄電池的單價(jià)均有所下滑，這些對于公交車能源使用問題具有較大的益處。比如在公交頂部大部分面積安裝太陽能電池，如果每塊太陽能電池按照20%的效益進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)一個地區(qū)的日平均太陽輻射量為12～13MJ/（m2·d），那么安裝1600個標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池，會產(chǎn)生640V的電壓，采用40個12V的蓄電池進(jìn)行充電，對于普通的晶硅太陽電池組件來說，其峰值功率其峰值功率一般為140Wp，組件價(jià)格為5元/W，成本為11200元加上其他的零部件，價(jià)格大概在22000元左右，以0.8元/kWh電價(jià)計(jì)算，經(jīng)濟(jì)回收7.2年，再加上政府補(bǔ)貼，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

在能源緊缺、環(huán)境污染的現(xiàn)代社會環(huán)境下，石油、煤炭資源等不能長久地維持社會的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)能減排成為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體曲，因此必須找到一種新型、環(huán)保能源代替不可再生能源，緩解生態(tài)壓力。太陽能光伏電源的應(yīng)用就很好地解決了這個問題。太陽能不僅是可再生資源，而且它清潔、無污染，在公交車上應(yīng)用太陽能光伏電源，能夠有效緩解環(huán)境能源緊缺和環(huán)境污染問題，具有較好的環(huán)境效益，提高公交行業(yè)的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：惲益紅（1981-），男，江蘇常州人，廈門萬豐永汽車科技有限公司總經(jīng)理，工程師，研究方向：客車設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）