太阳能光伏电源在公交车上的应用

摘要：目前，能源供给和有害物质排放越来越严重，逐渐成为制约我国经济发展的主要因素。近几年，国家越来越来重视对新能源的开发和研究工作，积极探索清洁、无污染、可再生的绿色能源。在日益繁荣的交通环境下，太阳能光伏电源广泛地应用到公交车中，为城市交通新能源提供新思路。文章分析了太阳能光伏电源在公交车上的应用。

关键词：公交车；太阳能；光伏电源；能源供给；绿色能源 文献标识码：A

中图分类号：TM914 文章编号：1009-2374（2015）32-0091-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2015.32.049

目前，环境污染和能源紧缺成为全球性问题，而随着经济的发展和城市化进程的加快，人们对能源的需求量越来越大，特别是电力消耗、能源紧缺成为制约社会经济发展的主要问题。所以，国家要积极推行和研发风能、水能、太阳能等清洁、无污染、可再生的新能源，缓解全球能源紧缺和环境污染问题。近几年太阳能光伏电源被广泛应用在交通运输中，取得较好的应用效果和社会效益，符合现阶段我国提出的可持续发展观念。

1 太阳能光伏电源概述

太阳能光辐射是一种取之不尽、用之不竭的能源类型，在地球大气圈以外，太阳辐射的功率密度为1.353kW/m2，到达地球表面时，一些太阳光被大气层吸收，其光辐射被降低。而在地球海平面上，正午垂直射向大地时，太能辐射的功率密度为1kW/m2，一般被作为是测试太阳能电池性能的标准光辐射强度。从这方面来看，太阳能的光辐射有比较大的能量辐射，每年到达的地球辐射能源相当于49000亿吨标准煤的燃烧，是一种比较理想的绿色能源。太阳能转换为光能主要有3种方式：光能―电能、光能―化学能、光能―热能。太阳能光伏带能的工作原理是半导体的光电效应，在纯硅中掺入5个电子的原子和磷原子，转化为带负电的N型半导体；如果掺入3个电子的原子，就转化为P型半导体。当P型和N型半导体结合在一起时会出现电势差，从而形成太阳能电能，从而使太阳能直接转化为电能，被称为光电转换，也就是我们常说的光伏发电。而快速公交系统建成BRT，它是一种新型公共客车运行系统，属于大运量交通运输方式。它主要是利用现代公交技术结合智能交通的运行管理方式，是目前比较先进和便利的交通方式。我国2012年新能源汽车与节能发展规划，提出新能源汽车技术与节能创新技术的发展，首次在政府的名义上将太阳能应用于交通运输中。而我国对一些国家这方面的研究表明，比如英国很早就颁布了电动汽车计划；日本长期坚持能源安全与产业竞争力提高的双重战略，积极制定电动汽车产业的发展，同时日本也比较重视低碳能源的研究与应用，重视科技创新。

2 太阳能光伏电源系统

2.1 太阳能光伏电源系统构成

太阳能光伏电源系统组成部件主要由太阳能电池板、逆变器、控制器以及蓄电池组成。其中太阳能电池板是构成太阳能发电系统的重要组成部分，它的主要作用是将太阳的辐射转化为电能，或者把太阳能的辐射能力通过蓄电池储存起来，或者是推动负载工作；太阳能控制器是整个光伏电源系统中工作状态的一种表现形式，它通过工作对蓄电池起到放电、充电等保护作用。另外，在温差比较大的情况下，控制器能够起到较好的温度补偿作用。而且控制器还有一些附加功能，比如时控开关、光控开关等。系统中蓄电池一般为铅酸电池，在光伏电源的微小型系统中，能够使用镍镉电池、镍氢电池以及锂电池，能够在有光束的环境下把太阳能电池板发出来的电能储存起来，需要的时候再释放出来。逆变器是太阳能光伏电源构成部件之一，太阳能一般直接输出24VDC、14VDC或者是48VDC，以便能向220VAC的电气提供电能，从而把太阳能发电系统所发出的直流电能转换为交流电能，这个转变过程就是DC-AC逆变器转换的。逆变器的选择标准是效率，效率越高系统的光电组件产生的直流电转换为交流电时产生的电量损耗就越少。从某种意义上说，逆变器的质量决定了发电系统的效益，所以在选购的过程中一定要注意使用质量过关的逆变器。

2.2 太阳能光伏发电系统分类

2.2.1 离网发电。在太阳能光伏发电系统中，离心发电系统一般配备有逆变器和蓄电池，一般情况下白天光伏产生的电能经过控制提供给负载，而且能够把系统产生的多余的电能存储到蓄电池中，在阴天或者下雨天将蓄电池内的能量通过逆变器转换为交流电提供给负载。这种应用一般在遥测、通信以及检测设备电源或者是航标塔、路灯中使用。这种通信方式应经被广泛应用于社会发展中，比如中国移动、联通公司等，近几年随着交通事业的发展，光伏电源逐渐被应用于公交、汽车及客车的领域，取得了较好的经济效益。

2.2.2 并网发电。并网发电是太阳能光伏发电的一种，并网发电系统主要是通过光伏阵列产生的直流电经过变速器转换为符合本项目工程电网要求的交流电之后直接接入电网系统中。在没有太阳的阴雨天，光伏阵列就不能产生电能，也无法满足负载需求时电网的供电。并网发电是直接将电能数据电网，在系统中不用配置蓄电池，设置了蓄电池的储能和释放过程，能够使系统充分利用太阳能阵列实施发电，从而减少能量损耗，降低系统成本，提高系统的经济效益。但是，如果系统需要专用的并网逆变器保证输出的电力满足电网电力对频率、电压的要求，可以实施电网并行，能够使太阳能光伏和电能作为本地交流负载的带能源，降低系统负载，另外并网能够对公共电网起到较好的调峰作用，它作为一种分散式发电系统，对传统的供电系统可能会产生一定的不良影响，比如系统发生的孤岛效应等。

3 太阳能光伏电源在公交车上的应用

目前，公交车上使用的能源一般是通过太阳能电池转换来的，功率密度较低，仍然不能单独成为动力来源，但是可以通过燃油汽车的启动蓄电池提供电能，以便保证车辆电能输送，防止车辆因电力不够而不能启动，同时能够减少发电机的负载，起到节约能源的作用，实现较大的使用效益。

3.1 燃油客车太阳能光伏电源的应用

图1 电动车太阳能系统

在燃油车的基础上采用太阳能电池的实施方案是一种比较简单的太阳能光伏应用模式，只需要在原来的系统中增加一个太阳能电池板和一个变换器。其工作框图如图1所示。系统的变换器一般由太阳能电池板供电，利用开关电源的模式进行设计，这样能够实现提高系统变换率、增加电压输入、提高电压的稳定性等优势。太阳能电压一般比较低，但是效率比较高。太阳充足的情况下，变换器会参与供电，而在太阳光线不充足的情况下，转换器就会停止工作，使整个太阳能模块不消耗整个汽车的电能，从而提高汽车的经济效益。

3.2 太阳能光伏电源的复合能源应用

在电动大客车中，纯电动汽车一般采用复合能源系统，能源装置一般由超级电容、太阳能电池以及蓄电池复合组成，太阳能电池与最大功率的电根据其串联结构实施能量转移，在这个过程中能够实现双向DC/DC变换器和超级电容的串联，形成2个串联回路，然后将这2个串联回路与系统的蓄电池并联在同一个直流母线上。在电能工作过程中，根据系统输出信号和指令合理、准确地判断系统工作状态，进而实施电能信号，实现电池检测功能，并科学、合理地调节系统能量和功率。此复合能源电流约束的整体控制策略一般由约束电流控制蓄电池，使电流处于安全区域。在实际工作中电动汽车大部分时间均是在行驶过程中，避免不了会出现上下坡或加减速，在这种工作状态下系统的负载电流也会随之产生较大的变化。此时如果负载电流超过蓄电池所能承受的最大电流，一般情况下为了避免蓄电池过度放电，可以用超级电容代替其释放电能，降低蓄电池的工作流量，从而起到保护蓄电池的作用。在工作工程中，对于能量回收功率，正功率表示能量源的输出功率，负功率代表其能量回收功率。超级电容吸收能源回收负功率，这部分电流的主要特点是峰值高、电流大，这部分电流如果由蓄电池直接实施回收，可能会损坏蓄电池，从而影响蓄电池的使用寿命；而工作过程中的正功率所有的输出功率均由蓄电池提供，超级电容主要负责吸收太阳能电池发出的电能，以便为下一个峰值到来时能够有足够的电源能量。这个过程中一般由超级电容和蓄电池同时供电，蓄电池提供车辆的额定功率，而超级电容提供峰值功率，或者在工作的过程中可以采用另一种没有超级电容的设计方案，此方案不采用DC/DC性超级电压，直接将电池板输出的电压转化为12V的低压，利用电池管理器监控电池状态，同时控制开关状态，完成对电压、电量较低的电池的充电。

4 公交车太阳能光伏能源的应用效益

目前，太阳能光伏电源的发电系统的造价比较高，就太阳能的发展趋势来说，太阳能光伏系统的造价会越来越低，而且国家在新能源使用方面会有更多的政策倾向，所以说该系统投资会越来越低。

我国每年大型客车的年产量比较大，据统计全国的公交运营客车超过了40万辆，可见公交行业是社会主要耗油行业之一，从这方面来看其承担着重大的节能减排任务，比较适合应用、推广新能源。全国各地的公交客车开始纷纷使用新能源，在北京、济南等地首先开始使用新能源，无论是燃油客车，还是新能源汽车都可以采用太阳能电池技术，实现节能减排的作用，而大客车的车顶面积比较大，安装太阳能电池板能够获得较大的电能，以便产生较好的经济效益和社会效益。近几年，国家对太阳能专题提出相关规划，将产业定位为中国先进新兴能源支柱产业。到2012年各地机关政府开始大力实施光伏电能，据统计，中国的光伏产能达到40GM左右，相对于世界每年需求的24GW来说，我国光伏产能出现过剩问题。但是光伏产能在未来的发展中具有较好的发展空间。目前政府主要支持独立光伏发电、并网光伏发电等，并根据市场发展规律和我国产业发展实际情况实施投资补助，一般情况下，政府会对光伏电网实施50%的补助，给予偏远地区的独立光伏点系统实施70%的补助，这样就大大降低了太阳能光伏电源的建设成本，提高了其使用效益。

目前，我国太阳能光伏电源成本已经出现下降的趋势，太阳能电池的价格逐渐下滑，光伏组件的单价以及蓄电池的单价均有所下滑，这些对于公交车能源使用问题具有较大的益处。比如在公交顶部大部分面积安装太阳能电池，如果每块太阳能电池按照20%的效益进行计算，假设一个地区的日平均太阳辐射量为12～13MJ/（m2・d），那么安装1600个标准太阳能电池，会产生640V的电压，采用40个12V的蓄电池进行充电，对于普通的晶硅太阳电池组件来说，其峰值功率其峰值功率一般为140Wp，组件价格为5元/W，成本为11200元加上其他的零部件，价格大概在22000元左右，以0.8元/kWh电价计算，经济回收7.2年，再加上政府补贴，能够实现较大的经济效益。

5 结语

在能源紧缺、环境污染的现代社会环境下，石油、煤炭资源等不能长久地维持社会的可持续发展，节能减排成为社会经济发展的主体曲，因此必须找到一种新型、环保能源代替不可再生能源，缓解生态压力。太阳能光伏电源的应用就很好地解决了这个问题。太阳能不仅是可再生资源，而且它清洁、无污染，在公交车上应用太阳能光伏电源，能够有效缓解环境能源紧缺和环境污染问题，具有较好的环境效益，提高公交行业的社会效益和经济效益。

参考文献

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作者简介：恽益红（1981-），男，江苏常州人，厦门万丰永汽车科技有限公司总经理，工程师，研究方向：客车设计。