摘要：目前，能源供給和有害物質排放越來越嚴重，逐漸成為制約我國經濟發(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用。

關鍵詞：公交車；太陽能；光伏電源；能源供給；綠色能源 文獻標識碼：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，而隨著經濟的發(fā)展和城市化進程的加快，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濟發(fā)展的主要問題。所以，國家要積極推行和研發(fā)風能、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用在交通運輸中，取得較好的應用效果和社會效益，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，到達地球表面時，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，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準光輻射強度。從這方面來看，太陽能的光輻射有比較大的能量輻射，每年到達的地球輻射能源相當于49000億噸標準煤的燃燒，是一種比較理想的綠色能源。太陽能轉換為光能主要有3種方式：光能—電能、光能—化學能、光能—熱能。太陽能光伏帶能的工作原理是半導體的光電效應，在純硅中摻入5個電子的原子和磷原子，轉化為帶負電的N型半導體；如果摻入3個電子的原子，就轉化為P型半導體。當P型和N型半導體結合在一起時會出現(xiàn)電勢差，從而形成太陽能電能，從而使太陽能直接轉化為電能，被稱為光電轉換，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行系統(tǒng)，屬于大運量交通運輸方式。它主要是利用現(xiàn)代公交技術結合智能交通的運行管理方式，是目前比較先進和便利的交通方式。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與節(jié)能創(chuàng)新技術的發(fā)展，首次在政府的名義上將太陽能應用于交通運輸中。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劃；日本長期堅持能源安全與產業(yè)競爭力提高的雙重戰(zhàn)略，積極制定電動汽車產業(yè)的發(fā)展，同時日本也比較重視低碳能源的研究與應用，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償作用。而且控制器還有一些附加功能，比如時控開關、光控開關等。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，需要的時候再釋放出來。逆變器是太陽能光伏電源構成部件之一，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)出的直流電能轉換為交流電能，這個轉變過程就是DC-AC逆變器轉換的。逆變器的選擇標準是效率，效率越高系統(tǒng)的光電組件產生的直流電轉換為交流電時產生的電量損耗就越少。從某種意義上說，逆變器的質量決定了發(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量過關的逆變器。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

2.2.1 離網發(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生的電能經過控制提供給負載，而且能夠把系統(tǒng)產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的能量通過逆變器轉換為交流電提供給負載。這種應用一般在遙測、通信以及檢測設備電源或者是航標塔、路燈中使用。這種通信方式應經被廣泛應用于社會發(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，光伏電源逐漸被應用于公交、汽車及客車的領域，取得了較好的經濟效益。

2.2.2 并網發(fā)電。并網發(fā)電是太陽能光伏發(fā)電的一種，并網發(fā)電系統(tǒng)主要是通過光伏陣列產生的直流電經過變速器轉換為符合本項目工程電網要求的交流電之后直接接入電網系統(tǒng)中。在沒有太陽的陰雨天，光伏陣列就不能產生電能，也無法滿足負載需求時電網的供電。并網發(fā)電是直接將電能數(shù)據(jù)電網，在系統(tǒng)中不用配置蓄電池，設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)的經濟效益。但是，如果系統(tǒng)需要專用的并網逆變器保證輸出的電力滿足電網電力對頻率、電壓的要求，可以實施電網并行，能夠使太陽能光伏和電能作為本地交流負載的帶能源，降低系統(tǒng)負載，另外并網能夠對公共電網起到較好的調峰作用，它作為一種分散式發(fā)電系統(tǒng)，對傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)可能會產生一定的不良影響，比如系統(tǒng)發(fā)生的孤島效應等。

3 太陽能光伏電源在公交車上的應用

目前，公交車上使用的能源一般是通過太陽能電池轉換來的，功率密度較低，仍然不能單獨成為動力來源，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，同時能夠減少發(fā)電機的負載，起到節(jié)約能源的作用，實現(xiàn)較大的使用效益。

3.1 燃油客車太陽能光伏電源的應用

圖1 電動車太陽能系統(tǒng)

在燃油車的基礎上采用太陽能電池的實施方案是一種比較簡單的太陽能光伏應用模式，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，利用開關電源的模式進行設計，這樣能夠實現(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，從而提高汽車的經濟效益。

3.2 太陽能光伏電源的復合能源應用

在電動大客車中，純電動汽車一般采用復合能源系統(tǒng)，能源裝置一般由超級電容、太陽能電池以及蓄電池復合組成，太陽能電池與最大功率的電根據(jù)其串聯(lián)結構實施能量轉移，在這個過程中能夠實現(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、準確地判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)，進而實施電能信號，實現(xiàn)電池檢測功能，并科學、合理地調節(jié)系統(tǒng)能量和功率。此復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。在實際工作中電動汽車大部分時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)的負載電流也會隨之產生較大的變化。此時如果負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，負功率代表其能量回收功率。超級電容吸收能源回收負功率，這部分電流的主要特點是峰值高、電流大，這部分電流如果由蓄電池直接實施回收，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，超級電容主要負責吸收太陽能電池發(fā)出的電能，以便為下一個峰值到來時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計方案，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化為12V的低壓，利用電池管理器監(jiān)控電池狀態(tài)，同時控制開關狀態(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用效益

目前，太陽能光伏電源的發(fā)電系統(tǒng)的造價比較高，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量比較大，據(jù)統(tǒng)計全國的公交運營客車超過了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著重大的節(jié)能減排任務，比較適合應用、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，實現(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，以便產生較好的經濟效益和社會效益。近幾年，國家對太陽能專題提出相關規(guī)劃，將產業(yè)定位為中國先進新興能源支柱產業(yè)。到2012年各地機關政府開始大力實施光伏電能，據(jù)統(tǒng)計，中國的光伏產能達到40GM左右，相對于世界每年需求的24GW來說，我國光伏產能出現(xiàn)過剩問題。但是光伏產能在未來的發(fā)展中具有較好的發(fā)展空間。目前政府主要支持獨立光伏發(fā)電、并網光伏發(fā)電等，并根據(jù)市場發(fā)展規(guī)律和我國產業(yè)發(fā)展實際情況實施投資補助，一般情況下，政府會對光伏電網實施50%的補助，給予偏遠地區(qū)的獨立光伏點系統(tǒng)實施70%的補助，這樣就大大降低了太陽能光伏電源的建設成本，提高了其使用效益。

目前，我國太陽能光伏電源成本已經出現(xiàn)下降的趨勢，太陽能電池的價格逐漸下滑，光伏組件的單價以及蓄電池的單價均有所下滑，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%的效益進行計算，假設一個地區(qū)的日平均太陽輻射量為12～13MJ/（m2·d），那么安裝1600個標準太陽能電池，會產生640V的電壓，采用40個12V的蓄電池進行充電，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，組件價格為5元/W，成本為11200元加上其他的零部件，價格大概在22000元左右，以0.8元/kWh電價計算，經濟回收7.2年，再加上政府補貼，能夠實現(xiàn)較大的經濟效益。

5 結語

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)能減排成為社會經濟發(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)的社會效益和經濟效益。

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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理，工程師，研究方向：客車設計。

（責任編輯：秦遜玉）