[发明专利]一种轨道交通车辆储能与光伏发电的热量综合利用系统

说明书

本发明公开一种轨道交通车辆储能与光伏发电的热量综合利用系统，包括光伏板水冷板、蓄电池水冷板、主散热器、废排风散热器和供暖散热器，在夏季工况下，由光伏板水冷板、蓄电池水冷板、主散热器和废排风散热器参与系统工作；在冬季工况下，由光伏板水冷板、蓄电池水冷板、废排风散热器和供暖散热器参与系统工作。本发明通过将光伏储能发电系统结合车辆本身特性进行系统的改进，从而能够有效实现储能热管理和光伏电池发电系统能量的综合利用和能效提升，提高整车系统能源利用率。

技术领域

本发明属于轨道交通车辆技术领域，特别是涉及一种轨道交通车辆储能与光伏发电的热量综合利用系统。

背景技术

随着火车和铁路技术的多元化发展，轨道交通呈现出多元化的特点，除常规的传统铁路(国家铁路、城际铁路和市域铁路)外，逐渐出现地铁、轻轨和有轨电车、磁悬浮轨道系统、单轨系统(跨座式轨道系统和悬挂式轨道系统)和自动旅客捷运系统等。我国轨道交通运输里程在2010-2016年间逐年增长，截至2016年总里程数已达12.82万公里，其中铁路运营里程12.4万公里，城市轨道交通0.42万公里。轨道交通系统在承担起巨大的物流运输的同时，也消耗了大量的电力能源。据统计，铁路系统一年耗电量约为700亿kWh。铁路系统的能源依靠市网供给，而市网供电以火电为主，因而采用合理的方式以清洁可再生能源减少铁路原有供电系统在能源供给中的比重，不仅能够降低轨道交通系统的运营成本，还能够减少二氧化碳等污染物的排放。

近年来，为满足日益需要的再生制动能量回收、牵引功率削峰填谷和应急自走行能力，轨道交通车载储能得到越来越多的重视。对于车载锂电池储能系统来说，温度对锂电池的性能具有非常重要的影响。首先，电池的温度越高，电池活性物质的活性越大，电池的充放电电压和容量随之增大，电池的内阻相应减小，提高了电池的效率。反之，电池温度过低，电池的活性明显降低，电池的内阻、极化电压增加，实际可用容量减少，放电平台低、电池更容易达到放电截止电压，表现为电池可用容量减小，电池的能量利用效率下降。同时，如果电池长时间地工作在高温环境下，电池的寿命会明显缩短，电池的性能会大大降低。而在夏季高温天气下，锂电池组会长期工作在恶劣的热环境中。最后，电池箱内温度场长时间的不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡，而这种不均衡将使得整个锂电池组提前失效，缩短了电池的寿命。除此之外，虽然电池的温度升高会使电池活性物质的活性增大，但是如果温度过高，又会抑制电池内部反应的进行，在降低电池性能的同时还会造成电池爆炸的危险。锂动力电池发生热失控的主要原因是在其充放电过程中会产生大量的热使得电池温度急剧升高，从而导致电池各方面性能都会受到一定的影响，如果温度继续升高超过安全使用限制范围就会发生爆炸。可见，对锂电池的使用，必须要将其工作温度控制在适宜的范围内，储能热管理至关重要。

目前国内对光伏发电在轨道交通领域中的应用主要停留于火车车站安装光伏发电组件供给站内以及铁路沿线员工生活用电，而车载光伏发电系统相关应用未见报道。国内轨道车辆的车顶和侧面面积宽阔且相对平坦，一列车厢的光伏装机容量可达5kW以上，因而列车表面铺设光伏发电单元在天气状况良好时甚至可以满足列车辅助系统运行所需。总之，车载光伏发电系统给列车辅助系统供电的策略不仅能降低运营成本，创造经济效益，还能够减少碳排放、降低电网压力，创造社会效益。但是在目前与车载太阳能电池发电的相关专利中,没有涉及到光伏电池发电系统的能量综合利用方法。

光伏电池输出转换特性受温度影响较大，硅光伏电池输出开路电压随温度升高而降低，填充因子随温度升高而降低，短路电流随温度增加而增大。另外，光伏电池温度随太阳辐照度的增加而增大，其输出转换效率随温度升高而减少，总体而言，光伏电池转换效率随温度增加而减少。由于光伏电池的上述问题为光伏发电直接应用在车辆上带来了极大的局限性。

现有轨道交通车辆和大巴车等的车载太阳能电池技术，没有实现能量的综合管理和利用，从而无法使光伏发电和蓄电储能发挥出其优势，无法有效利用车辆本身特征，无法保证光伏和蓄电储能发电系统在车辆上的合理运用。

发明内容