盧衍偉,張軍民

（青島中車四方軌道車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

綠色是軌道交通裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢。太陽能作為人類用之不竭的綠色可靠能源，對于促進經(jīng)濟發(fā)展、實現(xiàn)降本增效、推動軌道交通產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有積極的意義。太陽能電熱開水爐在鐵路車輛中的應(yīng)用研究，一方面契合國家戰(zhàn)略，另一方面能夠減少能源消耗和二氧化碳排放，降低列車運營費用。對于促進列車創(chuàng)新創(chuàng)造、綠色制造、推進先進軌道交通裝備制造業(yè)創(chuàng)新升級具有重要意義。

太陽能電熱開水爐系統(tǒng)是利用集熱器吸收太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能傳遞給水從而使水的溫度不斷升高。夜間系統(tǒng)通過熔鹽儲熱系統(tǒng)進行換熱傳導(dǎo)，通過供水控制器控制電磁閥打開傳熱管道，涼水通過管道與熔鹽系統(tǒng)進行熱交換，實現(xiàn)開水爐溫水供給。

1 鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統(tǒng)組成

太陽輻射起源于太陽在高溫、高壓下進行的熱核聚變反應(yīng)。熱核聚變反應(yīng)時4個氫核（proton）聚變成一個氦核，質(zhì)量發(fā)生虧損，同時釋放出巨大的能量，按照現(xiàn)有熱核反應(yīng)速率計算，太陽壽命有5×109年。

由于大氣層的存在和影響，到達地球表面的太陽輻射可分為兩個部分：直接輻射和散射輻射。一般來說，晴天直接輻射占總輻射的比例大；陰雨天散射輻射占總輻射的比例大。到達地球陸地表面可利用的太陽能功率為1.785×1016W，我國太陽能資源豐富，理論儲量達每年17 000億t標準煤，有巨大的開發(fā)潛力。

鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統(tǒng)由太陽能平板集熱器、熔鹽儲能換熱系統(tǒng)、供水控制器、車頂太陽能水箱、電熱開水爐等構(gòu)成，如圖1所示。熱水供應(yīng)系統(tǒng)集成布置在車輛端部，通過供水管路、電熱開水爐為旅客提供熱水供應(yīng)。

圖1 太陽能電熱開水爐系統(tǒng)框圖

1.1 平板集熱器

平板集熱器結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、吸熱面積大，可固定安裝（不需跟蹤太陽），可以同時利用直射輻射和散射輻射，能夠較好地適應(yīng)軌道列車運營。平板集熱器是一種特殊的熱交換器，其吸熱體內(nèi)的流體能與太陽輻射進行能量傳遞，獲得有用的能量收益。為減少集熱器與外界熱傳導(dǎo)造成熱量損失，在吸熱體的背部和側(cè)面充填有保溫材料。平板集熱器能量平衡方程如下：

式中，QA——單位時間內(nèi)吸熱板吸收到的太陽輻射能量；Qu——單位時間內(nèi)集熱器的有用輸出能量；QL——單位時間內(nèi)集熱器的熱損失；Qs——單位時間內(nèi)集熱器貯存的能量。

1.2 熔鹽儲能換熱系統(tǒng)

太陽能熔鹽儲能換熱技術(shù)是利用硝酸鹽等原料作為傳熱介質(zhì)，通過太陽輻射能與熔鹽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換來存儲能量。熔鹽儲能換熱系統(tǒng)具有很高的熱熔和熱傳導(dǎo)值，蓄熱密度高，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，熱穩(wěn)定性和質(zhì)量傳遞速度優(yōu)良，具備日間儲能夜間換熱供水能力，并且其價格比較低。

熔鹽儲能[1]技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在太陽能熱發(fā)電站中，其原理是利用太陽輻射能將熔鹽加熱至融化狀態(tài)，熔鹽通過管道流動與水換熱，產(chǎn)生水蒸氣發(fā)電。熔鹽儲能換熱系統(tǒng)與之不同的是：熔鹽直接吸收太陽輻射能和太陽能平板集熱器的熱能后通過管道中的水的流動進行換熱，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護費用，節(jié)約了成本，更適合應(yīng)用在移動列車上。

1.3 電熱開水爐

鐵路車輛客室電熱開水爐設(shè)有溫度傳感器，電熱開水爐設(shè)有溫水區(qū)和開水區(qū)。通過控制管路電磁閥可以實現(xiàn)車頂水箱為開水爐溫水區(qū)供水，供水控制器通過水溫檢測控制開水爐電加熱器對溫水加熱，水開后通過噴水管噴入開水箱供乘客飲用；夜間供水時，供水控制器控制車頂水箱電磁閥開通，水通過管道流過熔鹽系統(tǒng)循環(huán)換熱，水溫迅速升高進入開水爐溫水區(qū)。系統(tǒng)設(shè)有過濾系統(tǒng)去除太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的水垢等雜質(zhì)，具備防漏電、防干燒、防雷擊保護功能。

電熱開水爐結(jié)構(gòu)見圖2所示[2]，主要由電器箱、進水組件、電磁閥、溫水箱、煮水箱、噴水管、開水箱（內(nèi)設(shè)3個電極探頭）、保溫管、溫控器等構(gòu)成。

圖2 電熱開水爐結(jié)構(gòu)圖

2 鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統(tǒng)工作原理

鐵路車輛載客量大，特別對于長途列車，乘客開水消耗量較多。車輛通過電熱開水爐進行熱水供應(yīng)，電能消耗較大。通過太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)在光照充足時甚至能夠直接供應(yīng)開水，有效減少電力消耗。熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熔鹽能量儲存系統(tǒng)能夠?qū)⒐庹掌陂g吸收儲存的熱能通過換熱系統(tǒng)換熱確保熱水系統(tǒng)在夜間持續(xù)工作。

2.1 太陽能電熱開水爐溫水供水系統(tǒng)工作原理

車頂設(shè)有太陽能水箱、熔鹽換熱系統(tǒng)、光照傳感器、電磁閥等，將傳統(tǒng)靜止太陽能集熱供水變?yōu)殍F路車輛移動式供熱，供水控制器根據(jù)傳感器信號自動控制熱水供給。平板集熱器與太陽能水箱集成設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)有過濾系統(tǒng)去除太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的水垢等雜質(zhì)，具備防雷擊保護功能。熔鹽換熱系統(tǒng)能夠保證太陽能電熱開水爐系統(tǒng)實現(xiàn)夜間熱水供應(yīng)；不同于太陽能熱站中熔鹽的工作原理，該系統(tǒng)中熔鹽并不需要流動，減少了防止熔鹽凝固而加熱的成本。太陽能電熱開水爐系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 太陽能電熱開水爐系統(tǒng)原理

車頂太陽能水箱在系統(tǒng)工作期間，溫度為60 ℃左右（按全年平均水溫），電熱開水爐只需將水加熱40 ℃便可成為開水為旅客飲用，節(jié)約大量的電能，系統(tǒng)工作時溫水通過電開水爐進水組件進行供水。

平板集熱器吸收太陽光熱與太陽能水箱進行熱量交換。熔鹽換熱系統(tǒng)在太陽光照期間吸收熱量儲能，正常模式下供夜間換熱使用。車頂太陽能水箱光照傳感器檢測到光照信號時，電磁閥1在電開水爐使用期間始終處于關(guān)斷狀態(tài)；陰雨天及夜晚時供水控制器自動關(guān)斷電磁閥1，開通電磁閥2，系統(tǒng)由換熱系統(tǒng)供水。

供水控制器采集車頂太陽能水箱溫度傳感器信號，在水溫大于95 ℃時，換熱系統(tǒng)始終處于關(guān)閉狀態(tài)；熔鹽換熱系統(tǒng)溫度傳感器與車頂太陽能水箱溫度傳感器信號通過供水控制器實時檢測，熔鹽溫度等于水溫時，停止換熱，供水期間電磁閥1始終處于關(guān)斷狀態(tài)；電開水不需要補水時（通過采集電開水爐水位傳感器），電磁閥1和電磁閥2處于關(guān)斷狀態(tài)；太陽能水箱及換熱系統(tǒng)供水不足95 ℃時，供水控制器控制電開水爐加熱器加熱。鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統(tǒng)通過智能顯示屏進行人機交互，實時處理系統(tǒng)信息。

2.2 電熱開水爐系統(tǒng)工作原理

當打開車頂水箱溫水進水組件水閥，接通電源后，電開水爐在規(guī)定的正常水壓、電壓情況下工作時，自來水經(jīng)過過濾器→電磁閥→進水組件→溫水箱→煮水箱→煮沸后通過噴水管向上噴入開水箱內(nèi)。

電開水爐工作時，若溫水箱水位低于9號電極，電磁閥自動通電進水，當溫水箱水位高于10號電極時，電磁閥自動斷電停止進水。若溫水箱水位高于8號電極，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管開始通電工作，當溫水箱水位低于7號電極時，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管自動斷電停止工作。當開水箱的開水水位高于4號電極時，保溫發(fā)熱管開始通電工作，開水箱的開水水位高于6號電極，煮水箱內(nèi)的電熱管斷電停止工作，開水箱的開水水位低于5號電極，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管通電煮水。

電熱開水爐專為鐵路車輛旅客飲用開水而設(shè)計，具有抗振、缺水保護功能，缺水時能自動切斷電源，防止燒壞開水爐；設(shè)有低水壓、高可靠性自動控制供水閥及方便拆洗的供水過濾器；供應(yīng)開水快，接通電源約8 min，發(fā)熱筒內(nèi)的水即可沸騰噴入開水箱內(nèi)，約10 min即可有開水供應(yīng)，并可以連續(xù)不停地以額定流量供應(yīng)開水；設(shè)有開水保溫功能，開水箱內(nèi)有電熱管保溫裝置。儲存在開水箱內(nèi)的開水，可保證在 90 ℃以上。

3 經(jīng)濟效益與CO2減排分析

峰值日照時間是指將當?shù)氐奶栞椛淞?，折算成標準測試條件下的時數(shù)，即一段時間內(nèi)（逐年或逐月）太陽總輻射量H與地表面上標準輻照度G之比（輻照度G=1 000 W/m2），有時也稱之為等效利用時數(shù)。鐵路車輛運行在祖國大江南北，穿越不同的太陽輻射帶，取峰值日照時間 1 750 h/年。

3.1 經(jīng)濟效益

車頂太陽能水箱容量為400 L=0.4 m3，水箱、水管及熔鹽換熱系統(tǒng)具有保溫層，可減少熱量散失。按照峰值日照時間折算列車每日日間運營5 h，消耗熱水量400 L，水箱吸收的總能量Q如下（按一年計）：

式中，m——水的質(zhì)量，取400 kg；c——水的比熱容（specific heat），取 4.2×103 J/（kg·℃）；Δt—— 水溫變化量，取60 ℃；T——系統(tǒng)工作天數(shù)，取365。

熔鹽換熱系統(tǒng)工作溫度設(shè)計為250 ℃，通過保溫系統(tǒng)與外界隔熱。為了達到與日間相同的節(jié)能效果，供熱系統(tǒng)每日換熱量Q換=Q/365 J=108J=28 kWh，所需熔鹽質(zhì)量m為：

式中，m——熔鹽的質(zhì)量；c——熔鹽的比熱容，取1.42×103 J/（kg·℃ )；Δt—— 熔鹽溫度變化量，取 200 ℃。

太陽能電熱開水爐系統(tǒng)每輛車全年可節(jié)約能量為Q每輛/年=2Q=20 440 kWh。熔鹽材料價格成本 526 元 /kWh，每輛車熔鹽造價1.5萬元；車頂太陽能水箱部分為車輛原裝，幾乎不需要增加成本；太陽能平板集熱器、保溫及供熱控制器造價0.5萬元；總的太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)造價為2萬元。車輛設(shè)計壽命為30年，應(yīng)用太陽能電熱開水爐系統(tǒng)后共計可節(jié)約電量61 320 kWh，將近6萬余元。

3.2 CO2減排分析

太陽能作為綠色可再生能源，能夠減少能源消耗對環(huán)境的CO2排放量。太陽能電熱開水爐系統(tǒng)CO2減排潛力公式為[3]：

式中，PM——二氧化碳減排潛力（kg）；K——綜合系統(tǒng)效率，取0.7；P0——太陽能系統(tǒng)功率（折算功率），為1.17 kW；Yr——太陽能年峰值日照時數(shù)（加上夜晚折算時數(shù)），取2 100 h；N——壽命周期年數(shù)，取30年；EI——CO2排放指數(shù)，我國為 0.814 kg/（kWh）。

經(jīng)計算，每輛車預(yù)計30年可減少CO2排放量為42 t。

4 結(jié)語

太陽能電熱開水爐系統(tǒng)綠色環(huán)保，能夠減少CO2排放量，促進軌道交通產(chǎn)業(yè)循環(huán)發(fā)展。太陽能技術(shù)能夠降低車輛運營成本，增加鐵路運營收益。高鐵裝備作為“一帶一路”標志產(chǎn)品，綠色制造運營能夠提高大國制造競爭力。太陽能電熱開水爐系統(tǒng)全生命周期每輛車可為運營單位節(jié)約成本4萬元，具有較好的發(fā)展前景。