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(shù)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(chǎn)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(chǎn)生有害排放， 其若能擺脫傳統(tǒng)電網(wǎng)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。

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(jīng)燃燒直接轉(zhuǎn)化為電能，具有轉(zhuǎn)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(gòu)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(shù)，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(gòu)成的車載新能源混合動力微電網(wǎng)，從微網(wǎng)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(zhì)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(zhì)半導體；兩者結(jié)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(nèi)電場。內(nèi)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(cè)的P型和N型硅中的共價鍵激發(fā)，打破原來的狀態(tài)，產(chǎn)生電子-空穴對，而內(nèi)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(nèi)電場。這種光子激發(fā)作用除了削弱內(nèi)電場外，還會進一步形成和內(nèi)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(chǎn)量的絕大多數(shù)，其特點是生產(chǎn)技術(shù)成熟且光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展，薄膜電池光電轉(zhuǎn)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(guān)注的2個問題，一是降低成本，二是提高光電轉(zhuǎn)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(jié)光電轉(zhuǎn)化材料相匹配的熱膨脹系數(shù)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(chǎn)工藝，對電池的大面積連續(xù)生產(chǎn)更具有經(jīng)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(chǎn)能提高產(chǎn)率、降低生產(chǎn)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?shù)倪^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(chǎn)和使用的因素主要有價格、壽命、光電轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)較成熟，占據(jù)了主要的薄膜電池市場。CdTe電池由于生產(chǎn)成本低，在工業(yè)生產(chǎn)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(zhuǎn)化效率是薄膜太陽能電池中最高的，而且有帶隙可調(diào)、抗輻射性能好、生產(chǎn)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(cè)墻或是玻璃上（太陽能發(fā)電玻璃），綜合考慮發(fā)電效率、質(zhì)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(nèi)為保證地鐵正常、安全運營而所需的一些機電設(shè)備、通信信號設(shè)備、監(jiān)控設(shè)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(guān)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(nèi)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(shè)備供電外，經(jīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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