专利名称：太阳能动力空调客运列车的制作方法
太阳能动力空调客运列车
本发明提供以太阳能为动力的又具有空调功能的旅客列车技 术，属于太阳能利用技术、车用空调技术。
铁路运输耗能很大。当前火车的能源主要为柴油，其次为电
力，它们直接间接地排放大量co2。为减排，日本近日有首列混
合动力火车投入运行。它每节车厢底部都安装有1台柴油机和2 部电动机(顶部各置一块锂电池)。混合动力火车可提高燃油利用 率20%，同时减排近60%。但这种火车造价是常规火车的2倍。
至今没有科学家提出利用太阳能作动力的火车。太阳能的密度低， 为提高其效率，传统的技术是各种方式的聚焦装置；太阳位置变 化大，最新技术是一套复杂的光学跟踪系统。但火车方向与速度 变化均大，又有剧烈震动，故无论是简单聚焦，或既跟踪又有聚 焦的复杂装置，都无人去想将太阳能用于火车。
本人已发明了 "太阳能立面髙效采集与全方位传输技术"，其 产品"光导块"可在不经聚光、不跟踪太阳的条件下，在大角度 范围内高效采集阳光(在一定角度内100%地采集阳光)，解决了 火车运行中方向变化和震动给太阳能利用造成的困难。本人还利 用光导块和其它技术发明了 "负能耗全节省环境空调"，实现了不 产热、不制冷、不耗电还有电併网(负能耗)f实现四季恒温的环 境空调。现在将立面采光技术和负能耗环境空调的构件与原理应
用于火车，实现不耗油、煤和电的，还具有四季空调功能的火车。 这火车不排放任何温室气体，而给乘客与车务人员以最舒适的环境。
本发明是这样实施的(说明书附图
)
附图为车厢横断面示意图示车厢的三层结构。图中1为车厢 的中层，它由绝热性能良好的高硬度的工程塑料分段注塑成型， 其中埋有金属方框，方框作用是提髙塑料件刚度。成型车身塑料 段中的金属方框又连接纵肋，连接纵肋后，再用塑料充填粘合， 没有金属暴露(没有"热桥"传热)。2为光导块和光伏电池构成 的采光发电构件。1与2之间有3cm间隙，这间隙为光伏电池降 温(为提高光伏电池效率)也为寒冷地区保温为车厢外层。车顶 的1与2的间隙较大(可达5cm)，此间隙的功能除为光伏电池降 温外，还有在停车时为车厢通风降温。3为车厢内层。4为车厢底 座。5为车架。6为锂电池，它与光伏电池连接，可贮存由光伏电 池产生的电能，所贮电能供夜间和阴雨天驱动本车厢的电动机(电 动机与变速装置等，图中均未画出)。7为车轮。8为车轴。9为窗 户，由光导块制定，它可高效采集阳光，所采集阳光足够在寒带 冬天取暖所需。但在夏天它拒阳光入射。
太阳能供车厢动力的可行性太阳的采集率与光导块法线和 光线的夹角(e)有关，在一段情况下，为余弦效应，即cos0， e =0， cose=l;当0=90°时，cos 9=0。在光导块的条件下， 当6 <40°时，采光效率ri恒为1;这就成几倍地提高阳光采集率。
火车运行方向有变化，但多为较固定的方向(如南北向的京广线， 东西向的陇海线，南西一北东方向的沈阳一哈尔滨线)，或虽多弯 曲，但有主导方向。冬季时太阳高度角低，这季节既要用阳光发 电，也要用阳光热能取暖。很低的太阳高度角，对冬季取光发电 和取暖都是很有利的。 一个朝正南(在南半球为朝正北)的光导 块立面组就可全部或近乎全部地将太阳光采集利用，在从日出到 日落的整天内。车厢顶面(水平面)能部分地采集阳光。正北面 的光导块全天不进阳光。冬至以后，太阳高度角渐增，立面能采 集的太阳能渐减，平面采集的阳光渐增。至夏至，太阳高度到极
限，平面采集的阳光最多；南立面的阳光采集率为零。夏至后， 平面的阳光采集率渐减，而北立面的阳光采集率渐增。在春天到 冬初的半年内，在我国极大多数地区不必采暖，故有更多的阳光 发电供动力用。由于车厢的表面积的一半以上可以发电和(冬季 窗户取光采暖)目前光伏电池光电转换效率在20%左右(最近报 导，美国已试验成达42%转换效率的)。它的电能大部分可直接用 于动力，多余的可贮于锂电池，供夜间和阴雨天用。为防止多天 阴雨，可采用两种办法像现在的列车一样，配备柴油机车(车 头)备用；增强阳光采集的时间与效率，将更多的光电贮存，使 所贮电量足够阴雨天使用；也可以用网电贮电于锂电池。
太阳能采暖空调的可行性火车车厢的空调有三大特点随 外界温度变化大小与车行范围和方向而异。例如，冬天从哈尔滨 到广州的火车，在2 3天内经历零下几十摄氏度到零上二十余摄
氏的环境温度；车厢与车厢外的空气的相对流动速度大，故热交 换速度大；在绝热保温良好的车厢，人体是仅次于太阳的热源， 故在夏天车厢降温的主要冷量是抵消人体的散热。车厢空调必须 考虑这三大特点。
1、加强隔热和贮热(冷)附图中，1是由塑料构成的车厢 中层，它除了车厢两端供进出的门外，整个都是由导热系数很小 塑料组成的闭封体，当车门(它的密闭性也尽可能地好)关闭时， 只有很少热量经它传导向外散失。车厢内设施图中没有画出。车 厢内层3的地面是由钢材制成的，在它上面立墙和顶面以及车厢 内的设施椅、桌、架等，由部分用钢材(为了保证足够的安全强 度)，部分用铝材(为减轻车身重量)，即除座、卧具中部分必须 用非金属外，其余都用热容量大的金属。为提高吸散热效率，所 有金属构件都做成板状、角钢和槽钢，以增大散(吸)热面积； 对必须做成圆棒形的，就做成中空的管子，其两端或上、下半位 置加孔或加缝隙，以利散(吸)热。固体的热容量是空气的3000 4000倍，很大总体积和总表面积的金属部件，是良好的贮热和吸 散热器件。这是调节冷热的最佳措施。
车厢中底面塑料1与其上的车顶内层3钢板底和车厢底座4 的形状是完全一样的，即这三者之间是密切接触的。这种三明治 式结构，可以保证中底面的塑料层所受压强较小且一致，也不超 过其极限强度。在车顶，金属内层3塑料中层1和外层2也构成 三明治结构。这里中层塑料1所受的压强很小，没有上层的光导
块和光伏电池的重量及可能承受的最大风压r而内层3,由要承受
其下附挂的的全部重量如行李架、卧铺等。在车厢底座4有横向 矩形框和纵向矩形框，将整个车厢固定在底座上。在外层2和车 厢内层3之间是没有金属件连接的(没有热桥)，所以所有顶上和 两侧的光导块和光伏电池的重量以及可能承受的风压，都由这些 矩形框承受。矩形框还要承受车厢加减速的力和转向的离心力等。 所以，这金属框的强度及其上如何可靠安装光导块和电池板，是 重要而又复杂的问题。
2、 加强阳光的采集与调控光导块可在光导块与光线夹角 40°的范围内将阳光100%地引入车厢，比常规玻璃室引入热量4 倍以上。白天的阳光热量足以使车厢内的空气和所有固体都达到 23° 24° (人体最舒适的温度)。夜间和阴雨天，固体将热量散 发，加热车厢内的空气。总体积很大的固体所贮的热量，在总表 面积很大的条件下放出的热量，足以补偿车厢中层塑料层所向外 散发的热量，从而达到空气温度不变(夜间)或无明显降温(在 阴雨天连夜间长时间无阳光时)。
在夏天夜间，将进风口全部打开以夜间冷空气将车厢内的固 体冷却，贮冷于固体，它为白天吸热降温。
3、 改进车厢两端的保温隔热条件增加门的密封性；将门的 材料由金属的改为工程塑料在洗手间内侧增加推拉门，并避免车 门与此门同时打开，以避免冷(热)风直入。
4、 利用车厢中层1与外层2之间的空隙，将火车行驶时产生
的风有控制地引入车厢内。由车厢温度自动控制车厢空隙前端开 口 (板状风阀)的大小。气温对人体的舒适度的因素有三，气温高低(最舒适为23°(: 24°0;相对湿度大小(相对湿度过大，会 使人有闷热感)，风的大小(风速大，在同样温度和同样相对湿度 下，人有凉爽感)。当温度达不到23""C时，可加大风速。
5、对行驶于热带、亚热带或其它湿热地区的火车，配备"火 车中央空调"，这种空调的特点直接用太阳能或贮于锂电池的光 电；只制冷、不产热；出风管为复合的，内管送冷空气，同心的 外管流由大气取得的常温空气。这常温空气在流经内管之外、外 管之内的空隙时，其中所含的水汽会凝成水珠而析出。析出的水 珠可将空气中所含的有害化学成分溶解，将粉尘和微生物吸附清 除——这就使空气完全净化，其洁净卫生程度大大高于环境空气 的质量。这时的相对湿度是100%的。但在离冷风源较远外，空气 又被略为升温，体积增大，相对湿度降低。所以，经过处理的空 气是超洁净卫生的，是温度和湿度最佳的。
本发明稍经改动后，取代地面(架线)电车。简化后亦可用 于货运列车。
权利要求
1.以太阳能为唯一能源的旅客列车，其特征在于a、将太阳光经光电转换用作每节车厢的动力；b、采暖空调的能源直接利用太阳能；c、无产热制冷设备实现车厢内四季常温；d、将车厢内外的热交换降至极低；e、利用光导块高效采集太阳光；f、利用车厢的两侧面和顶面采集阳光。
2、 根据权利要求l所述特征，以锂电池贮存光电，锂电池置 于车厢底座之下。
3、 根据权利要求l所述特征，车厢有3层，外层为光导块与 光伏电池，中层为工程塑料，内层为钢板等。
4、 根据权利要求l所述特征，车厢由纵、横向的矩形钢框固定于车厢底座之上，车厢中层与其内外层整体紧密接触，靠矩形 钢框压紧，内外层之间无热桥。
5、 根据权利要求1所述特征，车厢外层的光导块在外，光伏 电池在内，迭合成块，固定于矩形方钢框之上。
6、 根据权利要求1所述特征，车厢外层与中层之间有3-5cm 的空隙，空隙在车厢两端有可控风量的板状风阀。
7、 根据权利要求1所述特征，以车厢内的温度高低控制板状 风阀的开关和张开的程度，使车厢温度达设定值。
8、 根据权利要求1所述特征，在列车前方配置常规柴油机车 (备用)，它本身在平常时由太阳能光电的电动机驱动。只在光电不足以驱动列车时，才启用柴油机作动力。
9、 根据权利要求1所述特征，在热带、亚热带地区行驶的列 车，设有备用的"列车中央空调"，它只用于炎热高温日白天的降 温，只用光电制冷，不制热。
10、 根据权利要求1所述特征，车厢内的设施选用金属为主, 制成板状、带孔管状，利用它们贮的热(冷)量和高效散热，稳 定车厢内温度。
全文摘要
太阳能火车以太阳光经光电转换，以光电直接驱动电动机或经锂电池贮存，于无阳光时用于电动机；可以替代目前的柴油机车、架线电力机车和蓄电池机车。它还直接利用太阳热能实现无机械装置和不耗电的空调。太阳能火车不用其它能源实现列车正常运转和空调的措施是成几倍地提高太阳光采集率；最合理地利用太阳能；最大程度地减少车厢的热(冷)损失，车厢左右上下都做成三层，内外层之间无热桥；利用中层与外层之间的空隙和车速形成的气流，自动调控车厢内的温度；利用车厢内的固体贮热(冷)量与稳定车厢温度；以夜间的低温空气冷却固体，以此冷却固体在白天为车厢降温。
文档编号H02J7/35GK101367383SQ20071014330
公开日2009年2月18日 申请日期2007年8月17日 优先权日2007年8月17日
发明者李茂丰, 杨家昱, 钟显亮 申请人:李茂丰