專利名稱：太陽能動(dòng)力空調(diào)客運(yùn)列車的制作方法
太陽能動(dòng)力空調(diào)客運(yùn)列車
本發(fā)明提供以太陽能為動(dòng)力的又具有空調(diào)功能的旅客列車技 術(shù)，屬于太陽能利用技術(shù)、車用空調(diào)技術(shù)。
鐵路運(yùn)輸耗能很大。當(dāng)前火車的能源主要為柴油，其次為電
力，它們直接間接地排放大量co2。為減排，日本近日有首列混
合動(dòng)力火車投入運(yùn)行。它每節(jié)車廂底部都安裝有1臺(tái)柴油機(jī)和2 部電動(dòng)機(jī)(頂部各置一塊鋰電池)?；旌蟿?dòng)力火車可提高燃油利用 率20%，同時(shí)減排近60%。但這種火車造價(jià)是常規(guī)火車的2倍。
至今沒有科學(xué)家提出利用太陽能作動(dòng)力的火車。太陽能的密度低， 為提高其效率，傳統(tǒng)的技術(shù)是各種方式的聚焦裝置；太陽位置變 化大，最新技術(shù)是一套復(fù)雜的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)。但火車方向與速度 變化均大，又有劇烈震動(dòng)，故無論是簡單聚焦，或既跟蹤又有聚 焦的復(fù)雜裝置，都無人去想將太陽能用于火車。
本人已發(fā)明了 "太陽能立面髙效采集與全方位傳輸技術(shù)"，其 產(chǎn)品"光導(dǎo)塊"可在不經(jīng)聚光、不跟蹤太陽的條件下，在大角度 范圍內(nèi)高效采集陽光(在一定角度內(nèi)100%地采集陽光)，解決了 火車運(yùn)行中方向變化和震動(dòng)給太陽能利用造成的困難。本人還利 用光導(dǎo)塊和其它技術(shù)發(fā)明了 "負(fù)能耗全節(jié)省環(huán)境空調(diào)"，實(shí)現(xiàn)了不 產(chǎn)熱、不制冷、不耗電還有電併網(wǎng)(負(fù)能耗)f實(shí)現(xiàn)四季恒溫的環(huán) 境空調(diào)?，F(xiàn)在將立面采光技術(shù)和負(fù)能耗環(huán)境空調(diào)的構(gòu)件與原理應(yīng)
用于火車，實(shí)現(xiàn)不耗油、煤和電的，還具有四季空調(diào)功能的火車。 這火車不排放任何溫室氣體，而給乘客與車務(wù)人員以最舒適的環(huán)境。
本發(fā)明是這樣實(shí)施的(說明書附圖
)
附圖為車廂橫斷面示意圖示車廂的三層結(jié)構(gòu)。圖中1為車廂 的中層，它由絕熱性能良好的高硬度的工程塑料分段注塑成型， 其中埋有金屬方框，方框作用是提髙塑料件剛度。成型車身塑料 段中的金屬方框又連接縱肋，連接縱肋后，再用塑料充填粘合， 沒有金屬暴露(沒有"熱橋"傳熱)。2為光導(dǎo)塊和光伏電池構(gòu)成 的采光發(fā)電構(gòu)件。1與2之間有3cm間隙，這間隙為光伏電池降 溫(為提高光伏電池效率)也為寒冷地區(qū)保溫為車廂外層。車頂 的1與2的間隙較大(可達(dá)5cm)，此間隙的功能除為光伏電池降 溫外，還有在停車時(shí)為車廂通風(fēng)降溫。3為車廂內(nèi)層。4為車廂底 座。5為車架。6為鋰電池，它與光伏電池連接，可貯存由光伏電 池產(chǎn)生的電能，所貯電能供夜間和陰雨天驅(qū)動(dòng)本車廂的電動(dòng)機(jī)(電 動(dòng)機(jī)與變速裝置等，圖中均未畫出)。7為車輪。8為車軸。9為窗 戶，由光導(dǎo)塊制定，它可高效采集陽光，所采集陽光足夠在寒帶 冬天取暖所需。但在夏天它拒陽光入射。
太陽能供車廂動(dòng)力的可行性太陽的采集率與光導(dǎo)塊法線和 光線的夾角(e)有關(guān)，在一段情況下，為余弦效應(yīng)，即cos0， e =0， cose=l;當(dāng)0=90°時(shí)，cos 9=0。在光導(dǎo)塊的條件下， 當(dāng)6 <40°時(shí)，采光效率ri恒為1;這就成幾倍地提高陽光采集率。
火車運(yùn)行方向有變化，但多為較固定的方向(如南北向的京廣線， 東西向的隴海線，南西一北東方向的沈陽一哈爾濱線)，或雖多彎 曲，但有主導(dǎo)方向。冬季時(shí)太陽高度角低，這季節(jié)既要用陽光發(fā) 電，也要用陽光熱能取暖。很低的太陽高度角，對(duì)冬季取光發(fā)電 和取暖都是很有利的。 一個(gè)朝正南(在南半球?yàn)槌?的光導(dǎo) 塊立面組就可全部或近乎全部地將太陽光采集利用，在從日出到 日落的整天內(nèi)。車廂頂面(水平面)能部分地采集陽光。正北面 的光導(dǎo)塊全天不進(jìn)陽光。冬至以后，太陽高度角漸增，立面能采 集的太陽能漸減，平面采集的陽光漸增。至夏至，太陽高度到極
限，平面采集的陽光最多；南立面的陽光采集率為零。夏至后， 平面的陽光采集率漸減，而北立面的陽光采集率漸增。在春天到 冬初的半年內(nèi)，在我國極大多數(shù)地區(qū)不必采暖，故有更多的陽光 發(fā)電供動(dòng)力用。由于車廂的表面積的一半以上可以發(fā)電和(冬季 窗戶取光采暖)目前光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率在20%左右(最近報(bào) 導(dǎo)，美國已試驗(yàn)成達(dá)42%轉(zhuǎn)換效率的)。它的電能大部分可直接用 于動(dòng)力，多余的可貯于鋰電池，供夜間和陰雨天用。為防止多天 陰雨，可采用兩種辦法像現(xiàn)在的列車一樣，配備柴油機(jī)車(車 頭)備用；增強(qiáng)陽光采集的時(shí)間與效率，將更多的光電貯存，使 所貯電量足夠陰雨天使用；也可以用網(wǎng)電貯電于鋰電池。
太陽能采暖空調(diào)的可行性火車車廂的空調(diào)有三大特點(diǎn)隨 外界溫度變化大小與車行范圍和方向而異。例如，冬天從哈爾濱 到廣州的火車，在2 3天內(nèi)經(jīng)歷零下幾十?dāng)z氏度到零上二十余攝
氏的環(huán)境溫度；車廂與車廂外的空氣的相對(duì)流動(dòng)速度大，故熱交 換速度大；在絕熱保溫良好的車廂，人體是僅次于太陽的熱源， 故在夏天車廂降溫的主要冷量是抵消人體的散熱。車廂空調(diào)必須 考慮這三大特點(diǎn)。
1、加強(qiáng)隔熱和貯熱(冷)附圖中，1是由塑料構(gòu)成的車廂 中層，它除了車廂兩端供進(jìn)出的門外，整個(gè)都是由導(dǎo)熱系數(shù)很小 塑料組成的閉封體，當(dāng)車門(它的密閉性也盡可能地好)關(guān)閉時(shí)， 只有很少熱量經(jīng)它傳導(dǎo)向外散失。車廂內(nèi)設(shè)施圖中沒有畫出。車 廂內(nèi)層3的地面是由鋼材制成的，在它上面立墻和頂面以及車廂 內(nèi)的設(shè)施椅、桌、架等，由部分用鋼材(為了保證足夠的安全強(qiáng) 度)，部分用鋁材(為減輕車身重量)，即除座、臥具中部分必須 用非金屬外，其余都用熱容量大的金屬。為提高吸散熱效率，所 有金屬構(gòu)件都做成板狀、角鋼和槽鋼，以增大散(吸)熱面積； 對(duì)必須做成圓棒形的，就做成中空的管子，其兩端或上、下半位 置加孔或加縫隙，以利散(吸)熱。固體的熱容量是空氣的3000 4000倍，很大總體積和總表面積的金屬部件，是良好的貯熱和吸 散熱器件。這是調(diào)節(jié)冷熱的最佳措施。
車廂中底面塑料1與其上的車頂內(nèi)層3鋼板底和車廂底座4 的形狀是完全一樣的，即這三者之間是密切接觸的。這種三明治 式結(jié)構(gòu)，可以保證中底面的塑料層所受壓強(qiáng)較小且一致，也不超 過其極限強(qiáng)度。在車頂，金屬內(nèi)層3塑料中層1和外層2也構(gòu)成 三明治結(jié)構(gòu)。這里中層塑料1所受的壓強(qiáng)很小，沒有上層的光導(dǎo)
塊和光伏電池的重量及可能承受的最大風(fēng)壓r而內(nèi)層3,由要承受
其下附掛的的全部重量如行李架、臥鋪等。在車廂底座4有橫向 矩形框和縱向矩形框，將整個(gè)車廂固定在底座上。在外層2和車 廂內(nèi)層3之間是沒有金屬件連接的(沒有熱橋)，所以所有頂上和 兩側(cè)的光導(dǎo)塊和光伏電池的重量以及可能承受的風(fēng)壓，都由這些 矩形框承受。矩形框還要承受車廂加減速的力和轉(zhuǎn)向的離心力等。 所以，這金屬框的強(qiáng)度及其上如何可靠安裝光導(dǎo)塊和電池板，是 重要而又復(fù)雜的問題。
2、 加強(qiáng)陽光的采集與調(diào)控光導(dǎo)塊可在光導(dǎo)塊與光線夾角 40°的范圍內(nèi)將陽光100%地引入車廂，比常規(guī)玻璃室引入熱量4 倍以上。白天的陽光熱量足以使車廂內(nèi)的空氣和所有固體都達(dá)到 23° 24° (人體最舒適的溫度)。夜間和陰雨天，固體將熱量散 發(fā)，加熱車廂內(nèi)的空氣?？傮w積很大的固體所貯的熱量，在總表 面積很大的條件下放出的熱量，足以補(bǔ)償車廂中層塑料層所向外 散發(fā)的熱量，從而達(dá)到空氣溫度不變(夜間)或無明顯降溫(在 陰雨天連夜間長時(shí)間無陽光時(shí))。
在夏天夜間，將進(jìn)風(fēng)口全部打開以夜間冷空氣將車廂內(nèi)的固 體冷卻，貯冷于固體，它為白天吸熱降溫。
3、 改進(jìn)車廂兩端的保溫隔熱條件增加門的密封性；將門的 材料由金屬的改為工程塑料在洗手間內(nèi)側(cè)增加推拉門，并避免車 門與此門同時(shí)打開，以避免冷(熱)風(fēng)直入。
4、 利用車廂中層1與外層2之間的空隙，將火車行駛時(shí)產(chǎn)生
的風(fēng)有控制地引入車廂內(nèi)。由車廂溫度自動(dòng)控制車廂空隙前端開 口 (板狀風(fēng)閥)的大小。氣溫對(duì)人體的舒適度的因素有三，氣溫高低(最舒適為23°(: 24°0;相對(duì)濕度大小(相對(duì)濕度過大，會(huì) 使人有悶熱感)，風(fēng)的大小(風(fēng)速大，在同樣溫度和同樣相對(duì)濕度 下，人有涼爽感)。當(dāng)溫度達(dá)不到23""C時(shí)，可加大風(fēng)速。
5、對(duì)行駛于熱帶、亞熱帶或其它濕熱地區(qū)的火車，配備"火 車中央空調(diào)"，這種空調(diào)的特點(diǎn)直接用太陽能或貯于鋰電池的光 電；只制冷、不產(chǎn)熱；出風(fēng)管為復(fù)合的，內(nèi)管送冷空氣，同心的 外管流由大氣取得的常溫空氣。這常溫空氣在流經(jīng)內(nèi)管之外、外 管之內(nèi)的空隙時(shí)，其中所含的水汽會(huì)凝成水珠而析出。析出的水 珠可將空氣中所含的有害化學(xué)成分溶解，將粉塵和微生物吸附清 除——這就使空氣完全凈化，其潔凈衛(wèi)生程度大大高于環(huán)境空氣 的質(zhì)量。這時(shí)的相對(duì)濕度是100%的。但在離冷風(fēng)源較遠(yuǎn)外，空氣 又被略為升溫，體積增大，相對(duì)濕度降低。所以，經(jīng)過處理的空 氣是超潔凈衛(wèi)生的，是溫度和濕度最佳的。
本發(fā)明稍經(jīng)改動(dòng)后，取代地面(架線)電車。簡化后亦可用 于貨運(yùn)列車。
權(quán)利要求
1.以太陽能為唯一能源的旅客列車，其特征在于a、將太陽光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換用作每節(jié)車廂的動(dòng)力；b、采暖空調(diào)的能源直接利用太陽能；c、無產(chǎn)熱制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)四季常溫；d、將車廂內(nèi)外的熱交換降至極低；e、利用光導(dǎo)塊高效采集太陽光；f、利用車廂的兩側(cè)面和頂面采集陽光。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述特征，以鋰電池貯存光電，鋰電池置 于車廂底座之下。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述特征，車廂有3層，外層為光導(dǎo)塊與 光伏電池，中層為工程塑料，內(nèi)層為鋼板等。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述特征，車廂由縱、橫向的矩形鋼框固定于車廂底座之上，車廂中層與其內(nèi)外層整體緊密接觸，靠矩形 鋼框壓緊，內(nèi)外層之間無熱橋。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，車廂外層的光導(dǎo)塊在外，光伏 電池在內(nèi)，迭合成塊，固定于矩形方鋼框之上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，車廂外層與中層之間有3-5cm 的空隙，空隙在車廂兩端有可控風(fēng)量的板狀風(fēng)閥。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，以車廂內(nèi)的溫度高低控制板狀 風(fēng)閥的開關(guān)和張開的程度，使車廂溫度達(dá)設(shè)定值。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，在列車前方配置常規(guī)柴油機(jī)車 (備用)，它本身在平常時(shí)由太陽能光電的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。只在光電不足以驅(qū)動(dòng)列車時(shí)，才啟用柴油機(jī)作動(dòng)力。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，在熱帶、亞熱帶地區(qū)行駛的列 車，設(shè)有備用的"列車中央空調(diào)"，它只用于炎熱高溫日白天的降 溫，只用光電制冷，不制熱。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述特征，車廂內(nèi)的設(shè)施選用金屬為主, 制成板狀、帶孔管狀，利用它們貯的熱(冷)量和高效散熱，穩(wěn) 定車廂內(nèi)溫度。
全文摘要
太陽能火車以太陽光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，以光電直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)或經(jīng)鋰電池貯存，于無陽光時(shí)用于電動(dòng)機(jī)；可以替代目前的柴油機(jī)車、架線電力機(jī)車和蓄電池機(jī)車。它還直接利用太陽熱能實(shí)現(xiàn)無機(jī)械裝置和不耗電的空調(diào)。太陽能火車不用其它能源實(shí)現(xiàn)列車正常運(yùn)轉(zhuǎn)和空調(diào)的措施是成幾倍地提高太陽光采集率；最合理地利用太陽能；最大程度地減少車廂的熱(冷)損失，車廂左右上下都做成三層，內(nèi)外層之間無熱橋；利用中層與外層之間的空隙和車速形成的氣流，自動(dòng)調(diào)控車廂內(nèi)的溫度；利用車廂內(nèi)的固體貯熱(冷)量與穩(wěn)定車廂溫度；以夜間的低溫空氣冷卻固體，以此冷卻固體在白天為車廂降溫。
文檔編號(hào)H02J7/35GK101367383SQ20071014330
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日
發(fā)明者李茂豐, 楊家昱, 鐘顯亮 申請人:李茂豐