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浅谈道路馈电装备与集电车辆的可行性

目前世界上仍在应用的无轨电车其供电设备是路面上方的直流供电接触网线,车辆顶上有集电杆。两者之间的供电方式为接触式馈电方式。车辆驱动电机所用电力由直流电供给,称之为“有线集电车”,简称为“有线电车”。未来电动车辆供电方式将由铺在路面的供电设备提供,行驶于上面的车辆的底盘上有集电设备。两者之间在有效距离范围内形成馈电、集电状态,使车辆在行驶中集电,供驱动电机用电,这称之为“无线集电车”,简称为“无线电车”。

  1.建设直流供电系统的可行性

  目前世界上的城市道路、城乡道路、城际道路、高速公路、干线公路上都配有专门电力设施,为路灯、智能交通、治安监控等设备提供电力,220伏/380伏交流电。而道路用电设备大多已采用直流电,故需电源转换设备将交流电转换成直流电。比如,路灯已开始由钠灯、金属卤素灯向LED转化,LED路灯是用直流电源的。未来道路电力将以直流供电为主,而交流电则去之。

  目前道路上行驶的车辆绝大部分是燃油汽车,唯有城市道路上有少量无轨电车运营。他们依靠路面上方悬空架设的600伏直流电接触线网供电。电车顶上有2根“辫子”(集电杆)与接触线网形成输、集电关系,使电动机驱动电车行驶。相对于有轨电车而言,这种电车被称为无轨电车,但相对于有车载电池组的纯电动公交车而言,应称之为“有线电车”更合适。有线电车行驶中无污染物排放,低噪声、低热量、省电高效。世界上目前有350多个城市的公交上运用之,并呈现进一步扩大之势。

  如果道路采用直流供电,那么动力部分,照明部分供给路灯、广告箱、指路牌、路边景观亮化设备,信息部分供给智能交通、治安监控等设备,就形成了道路供电的全直流化。道路直流供电由电网公司10千伏交流电引入道路镇流站,经降压镇流后输出600伏直流电,经架空接触网线传到路边上方,供相关道路设备电车等用电,形成道路供电用电系统。电车工作时间一般从早上5时到晚上22时或24时左右,路灯由傍晚到天亮工作12个小时左右,信息设备一天工作20小时。因此道路直流供电系统是24小时工作的,只是用电负荷分时段而有变化。而镇流站输出功率是随用电量多少而变化。若有电动汽车需要充电也可以在此系统中安装充电机及智能计费装置刷卡充电。

  在路面上方架设光伏板,或在路边两侧附件的建筑物及空闲场地上安装光伏板,再者利用路面路边的空余合适地方装置微型风力发电机,所发电经逆变整流后以直流电600伏的电源直接并入道路直流供电系统中,现发现用,不必为并入电网或储能而费周折,且电力利用效率高。这样形成道路直流供电、发电、用电三者一体化。由于道路设施用电设备都采用直流电,再加上有线电车的恢复及再兴,未来道路直流供电是大势所趋。若风光新能源发电并入其中,那就比较完整和完美了,这与当前国家战略性新兴产业完全相符且完整集成一体了。而相关技术都各自独立相对成熟,在此只是集成整合。

  道路直流供电系统基于供电的设施,为公交电气化公交绿色化提供了能源供应基础设施,为新能源汽车商业化提供了可行的捷径和必由之路,而且技术成熟工作可靠。同时若设计专用车道,架设专门的直流供电线网,即比电车公交线网的架设高度降低,就可以给微卡、微客、轿车供直流电,那么这类电动汽车的车载电池组就大大缩小,减轻重量、省电而高效。它们如有线电车一般在行驶中集电供电机驱动车辆和为电池充电,这是电驱化专用道路。若未来每条城市道路都采用直流供电,那么电动汽车商业化就用了基础设施,其发展就势不可挡了。若这些车辆改为有线电车,只需在车顶上安装一个集电装置即可,只要车辆工作电压与接触线网的电压相符就行,就不再为充电问题而烦恼了。

  道路直流供电系统包括整流站、接触线网、电杆等道路装备设施。其中电杆将整合原先各类各式灯杆,一体化标准规范系列化,不再五花八门。用电设备中的路灯LED为条杆状,与接触线网整合一体。智能交通等小功率用电设备要专门的直流降压设备供应相应电压的电源。风光发电设备利用现有规格产品经逆变器电度表之后直接并入系统中。道路直流供电系统是一个独立专门微型智能电网,可以是一条道路一个区域乃至一个城市范围规模。由供电公司维护运行,发电供电用电卖电,政府参与或政府采购都行。

  在此系统中用电的公交大客车,微卡、微客、轿车只需配集电系统及相应电器就行。

  道路直流供电系统包括直流供电的道路装备、照明亮化、风光发电、专用电器、有线电车等产品、产业,若整体集成整体承包建设则可形成较强竞争力和优势,从设计、装备制造、工程施工、日常维护、供电业务、公用事业、路灯、电车的运行等。

  相关技术创新、相关知识产权、专门产品制造、专有商业模式等要素形成准入门槛,就能形成竞争高地位。

  2.道路馈电与无线集电车的可行性

  在现有道路上的有关用电设备改由直流供电后,原有道路上的交流供电设施成了闲置设备,为有效利用交流供电设施,可以引入非接触馈电设备,给行驶中的电动轿车、微型汽车馈电,而非接触馈电设备所用电源是交流电,正好有效利用之。

  非接触馈电设施是将馈电线圈(设备)装置于路面上或场地上,车辆底盘下面有集电设备,馈电设备与集电设备对准在有效范围内,就能形成有效的馈受电作业。目前已有停车充电的应用。但是非接触馈受电若仅应用于停车充电作业,其价值不大,形成了技术上可行,商业上不可行的状况。若将非接触馈电发展为给“行驶途中的车辆馈电”那其商业价值就大了。它必将为电动车辆的商业化带来推动力,走出当前电动汽车商业化的窘境。

  非接触馈电设备能装置在道路上给行驶途中的电动车辆馈电,为车载电池组即时充电。这类电动车的车载电池组容量可大幅缩小,只需50千米/80千米左右的储电量即可,使这些车辆减轻电池组重量而降低自身重量,同时电机功率可相应减小一些,最终使它成本相应降低,或许将来不够补贴也有竞争力了。同时有了道路接触式和非接触式馈电设施后,电动车辆对地面固定充电设施的依赖程度就大为降低了。则需作为临时应急充电了,目前充电设施的困扰会得于缓解乃至得到解决。

  将现有固定馈电设备安装于道路上,给行驶途中的电动车辆集电,是一个有待突破的问题。它涉及道路交流供电、道路建设、使用和维护等方面要素。若要达成此目标有赖于投资方、供电设备制造安装使用维护及具有行驶途中集电功能的车辆制造商等多方合力,不然就面临各方阻力,使突破面临困难,难以做到颠覆性创新。

  非接触馈电设备由发射设备和馈电设备等组成,发射设备的工作电源是现有道路上的电源,不必再另建供电电源。馈电设备是在路面或场地按设计要求排列成带状,供路面上行驶的车辆集电。馈电设备的设计制造安装维护是此技术成败的关键和先决条件,它是当务之急。

  道路直流供电系统中,动力电源供无轨电车(有线电车)用电及LED路灯照明、智能交通、治安监控等设备用电。同时直流接触网线架空于四五米左右高度,对于公交车、厢式货车而言是合适的。但对于轿车、微型卡车、微型客车而言是不方便不合适的。若将原道路的交流电源给非接触馈电设备供电,使之安装于行驶轿车、微车的车道上,在路面供电和在车底集电,非常合适和有效。这样道路上有交流和直流两套供电系统,能为多种车型、多种车辆供电,电动汽车商业化就有基础设施保证了,也使电动车汽车具有竞争力了。电动汽车对电池的依赖程度由关键零部件降格为辅助零部件了,由决定要素专为次要因素,使“电池系列问题”得到根本解决。

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