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卢衍伟,张军民
（青岛中车四方轨道车辆有限公司,山东 青岛 266111）
绿色是轨道交通装备技术的发展趋势。太阳能作为人类用之不竭的绿色可靠能源，对于促进经济发展、实现降本增效、推动轨道交通产业可持续健康发展具有积极的意义。太阳能电热开水炉在铁路车辆中的应用研究，一方面契合国家战略，另一方面能够减少能源消耗和二氧化碳排放，降低列车运营费用。对于促进列车创新创造、绿色制造、推进先进轨道交通装备制造业创新升级具有重要意义。
太阳能电热开水炉系统是利用集热器吸收太阳辐射能转化为热能，再将热能传递给水从而使水的温度不断升高。夜间系统通过熔盐储热系统进行换热传导，通过供水控制器控制电磁阀打开传热管道，凉水通过管道与熔盐系统进行热交换，实现开水炉温水供给。
太阳辐射起源于太阳在高温、高压下进行的热核聚变反应。热核聚变反应时4个氢核（proton）聚变成一个氦核，质量发生亏损，同时释放出巨大的能量，按照现有热核反应速率计算，太阳寿命有5×109年。
由于大气层的存在和影响，到达地球表面的太阳辐射可分为两个部分：直接辐射和散射辐射。一般来说，晴天直接辐射占总辐射的比例大；
阴雨天散射辐射占总辐射的比例大。到达地球陆地表面可利用的太阳能功率为1.785×1016W，我国太阳能资源丰富，理论储量达每年17 000亿t标准煤，有巨大的开发潜力。
铁路车辆太阳能电热开水炉系统由太阳能平板集热器、熔盐储能换热系统、供水控制器、车顶太阳能水箱、电热开水炉等构成，如图1所示。热水供应系统集成布置在车辆端部，通过供水管路、电热开水炉为旅客提供热水供应。
图1 太阳能电热开水炉系统框图
1.1 平板集热器
平板集热器结构简单、运行可靠、吸热面积大，可固定安装（不需跟踪太阳），可以同时利用直射辐射和散射辐射，能够较好地适应轨道列车运营。平板集热器是一种特殊的热交换器，其吸热体内的流体能与太阳辐射进行能量传递，获得有用的能量收益。为减少集热器与外界热传导造成热量损失，在吸热体的背部和侧面充填有保温材料。平板集热器能量平衡方程如下：
式中，QA——单位时间内吸热板吸收到的太阳辐射能量；
Qu——单位时间内集热器的有用输出能量；
QL——单位时间内集热器的热损失；
Qs——单位时间内集热器贮存的能量。
1.2 熔盐储能换热系统
太阳能熔盐储能换热技术是利用硝酸盐等原料作为传热介质，通过太阳辐射能与熔盐的内能转换来存储能量。熔盐储能换热系统具有很高的热熔和热传导值，蓄热密度高，蓄热装置结构紧凑，热稳定性和质量传递速度优良，具备日间储能夜间换热供水能力，并且其价格比较低。
熔盐储能[1]技术已经成功应用在太阳能热发电站中，其原理是利用太阳辐射能将熔盐加热至融化状态，熔盐通过管道流动与水换热，产生水蒸气发电。熔盐储能换热系统与之不同的是：熔盐直接吸收太阳辐射能和太阳能平板集热器的热能后通过管道中的水的流动进行换热，降低了系统复杂度和维护费用，节约了成本，更适合应用在移动列车上。
1.3 电热开水炉
铁路车辆客室电热开水炉设有温度传感器，电热开水炉设有温水区和开水区。通过控制管路电磁阀可以实现车顶水箱为开水炉温水区供水，供水控制器通过水温检测控制开水炉电加热器对温水加热，水开后通过喷水管喷入开水箱供乘客饮用；
夜间供水时，供水控制器控制车顶水箱电磁阀开通，水通过管道流过熔盐系统循环换热，水温迅速升高进入开水炉温水区。系统设有过滤系统去除太阳能集热系统产生的水垢等杂质，具备防漏电、防干烧、防雷击保护功能。
电热开水炉结构见图2所示[2]，主要由电器箱、进水组件、电磁阀、温水箱、煮水箱、喷水管、开水箱（内设3个电极探头）、保温管、温控器等构成。
图2 电热开水炉结构图
铁路车辆载客量大，特别对于长途列车，乘客开水消耗量较多。车辆通过电热开水炉进行热水供应，电能消耗较大。通过太阳能热水供应系统在光照充足时甚至能够直接供应开水，有效减少电力消耗。热水供应系统的熔盐能量储存系统能够将光照期间吸收储存的热能通过换热系统换热确保热水系统在夜间持续工作。
2.1 太阳能电热开水炉温水供水系统工作原理
车顶设有太阳能水箱、熔盐换热系统、光照传感器、电磁阀等，将传统静止太阳能集热供水变为铁路车辆移动式供热，供水控制器根据传感器信号自动控制热水供给。平板集热器与太阳能水箱集成设计，系统设有过滤系统去除太阳能集热系统产生的水垢等杂质，具备防雷击保护功能。熔盐换热系统能够保证太阳能电热开水炉系统实现夜间热水供应；
不同于太阳能热站中熔盐的工作原理，该系统中熔盐并不需要流动，减少了防止熔盐凝固而加热的成本。太阳能电热开水炉系统工作原理如图3所示。
图3 太阳能电热开水炉系统原理
车顶太阳能水箱在系统工作期间，温度为60 ℃左右（按全年平均水温），电热开水炉只需将水加热40 ℃便可成为开水为旅客饮用，节约大量的电能，系统工作时温水通过电开水炉进水组件进行供水。
平板集热器吸收太阳光热与太阳能水箱进行热量交换。熔盐换热系统在太阳光照期间吸收热量储能，正常模式下供夜间换热使用。车顶太阳能水箱光照传感器检测到光照信号时，电磁阀1在电开水炉使用期间始终处于关断状态；
阴雨天及夜晚时供水控制器自动关断电磁阀1，开通电磁阀2，系统由换热系统供水。
供水控制器采集车顶太阳能水箱温度传感器信号，在水温大于95 ℃时，换热系统始终处于关闭状态；
熔盐换热系统温度传感器与车顶太阳能水箱温度传感器信号通过供水控制器实时检测，熔盐温度等于水温时，停止换热，供水期间电磁阀1始终处于关断状态；
电开水不需要补水时（通过采集电开水炉水位传感器），电磁阀1和电磁阀2处于关断状态；
太阳能水箱及换热系统供水不足95 ℃时，供水控制器控制电开水炉加热器加热。铁路车辆太阳能电热开水炉系统通过智能显示屏进行人机交互，实时处理系统信息。
2.2 电热开水炉系统工作原理
当打开车顶水箱温水进水组件水阀，接通电源后，电开水炉在规定的正常水压、电压情况下工作时，自来水经过过滤器→电磁阀→进水组件→温水箱→煮水箱→煮沸后通过喷水管向上喷入开水箱内。
电开水炉工作时，若温水箱水位低于9号电极，电磁阀自动通电进水，当温水箱水位高于10号电极时，电磁阀自动断电停止进水。若温水箱水位高于8号电极，煮水箱内的发热管开始通电工作，当温水箱水位低于7号电极时，煮水箱内的发热管自动断电停止工作。当开水箱的开水水位高于4号电极时，保温发热管开始通电工作，开水箱的开水水位高于6号电极，煮水箱内的电热管断电停止工作，开水箱的开水水位低于5号电极，煮水箱内的发热管通电煮水。
电热开水炉专为铁路车辆旅客饮用开水而设计，具有抗振、缺水保护功能，缺水时能自动切断电源，防止烧坏开水炉；
设有低水压、高可靠性自动控制供水阀及方便拆洗的供水过滤器；
供应开水快，接通电源约8 min，发热筒内的水即可沸腾喷入开水箱内，约10 min即可有开水供应，并可以连续不停地以额定流量供应开水；
设有开水保温功能，开水箱内有电热管保温装置。储存在开水箱内的开水，可保证在 90 ℃以上。
峰值日照时间是指将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件下的时数，即一段时间内（逐年或逐月）太阳总辐射量H与地表面上标准辐照度G之比（辐照度G=1 000 W/m2），有时也称之为等效利用时数。铁路车辆运行在祖国大江南北，穿越不同的太阳辐射带，取峰值日照时间 1 750 h/年。
3.1 经济效益
车顶太阳能水箱容量为400 L=0.4 m³，水箱、水管及熔盐换热系统具有保温层，可减少热量散失。按照峰值日照时间折算列车每日日间运营5 h，消耗热水量400 L，水箱吸收的总能量Q如下（按一年计）：
式中，m——水的质量，取400 kg；
c——水的比热容（specific heat），取 4.2×10³ J/（kg·℃）；
Δt—— 水温变化量，取60 ℃；
T——系统工作天数，取365。
熔盐换热系统工作温度设计为250 ℃，通过保温系统与外界隔热。为了达到与日间相同的节能效果，供热系统每日换热量Q换=Q/365 J=108J=28 kWh，所需熔盐质量m为：
式中，m——熔盐的质量；
c——熔盐的比热容，取1.42×10³ J/（kg·℃ )；
Δt—— 熔盐温度变化量，取 200 ℃。
太阳能电热开水炉系统每辆车全年可节约能量为Q每辆/年=2Q=20 440 kWh。熔盐材料价格成本 526 元 /kWh，每辆车熔盐造价1.5万元；
车顶太阳能水箱部分为车辆原装，几乎不需要增加成本；
太阳能平板集热器、保温及供热控制器造价0.5万元；
总的太阳能热水供应系统造价为2万元。车辆设计寿命为30年，应用太阳能电热开水炉系统后共计可节约电量61 320 kWh，将近6万余元。
3.2 CO2减排分析
太阳能作为绿色可再生能源，能够减少能源消耗对环境的CO2排放量。太阳能电热开水炉系统CO2减排潜力公式为[3]：
式中，PM——二氧化碳减排潜力（kg）；
K——综合系统效率，取0.7；
P0——太阳能系统功率（折算功率），为1.17 kW；
Yr——太阳能年峰值日照时数（加上夜晚折算时数），取2 100 h；
N——寿命周期年数，取30年；
EI——CO2排放指数，我国为 0.814 kg/（kWh）。
经计算，每辆车预计30年可减少CO2排放量为42 t。
太阳能电热开水炉系统绿色环保，能够减少CO2排放量，促进轨道交通产业循环发展。太阳能技术能够降低车辆运营成本，增加铁路运营收益。高铁装备作为“一带一路”标志产品，绿色制造运营能够提高大国制造竞争力。太阳能电热开水炉系统全生命周期每辆车可为运营单位节约成本4万元，具有较好的发展前景。
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