太阳能与氢能混合动力系统在无人驾驶地铁中的能效分析

摘要：在全球碳中和目标驱动下，城市轨道交通作为高耗能领域，亟需能源结构革新。基于此，本文分别从太阳能与氢能协同供电模式的创新、面向无人驾驶地铁的储能技术创新、提高混合动力系统整体效率的新方法、无人驾驶地铁特性下的系统优化、基于地铁线路布局的混合动力系统能效五个方面分析太阳能与氢能混合动力系统在无人驾驶地铁中的能效，以供参考。

关键词：太阳能；氢能混合动力；无人驾驶地铁；能源分析

引言：

传统地铁系统依赖电网供电，存在峰谷电耗不平衡、应急供电能力弱等瓶颈。太阳能与氢能作为可再生清洁能源，其时空互补性为轨道交通能源系统提供了新范式。因此，分析太阳能与氢能混合动力系统在无人驾驶地铁中的能效具有重要的实践与理论意义。

一、太阳能与氢能协同供电模式的创新

在无人驾驶地铁里，若改进为太阳能和氢能协同供电的模式，能效会大幅优化，白天在地铁车辆段和车站屋顶铺设高效的太阳能光伏板，能充分吸收太阳能并化为为电能，这些电能一部分直接为车站照明，通风等设备供电削减从电网取电。夜晚或者阴天时，太阳能会短缺，此时，氢燃料电池便会启动，氢气与氧气发生电化学反应以产生电能给地铁供电，这种协同模式达成了能源在时间与空间上的互补，避开了太阳能间歇性的限制、持续、稳定地为无人驾驶地铁供应电力，有效改进了能源利用效率，还削减了对传统电网的依赖。

二、提高混合动力系统整体效率的新方法

从系统视角出发，需采用新策略改进太阳能与氢能混合动力系统的整体效率，在能量转换环节，选用钙钛矿太阳能电池这类新颖且高效的太阳能光伏材料，其光电转换效率理论上可超40%，对比于传统晶硅电池改进幅度较大。改进氢燃料电池的催化剂配方，采用新型纳米结构催化剂以减小反应活化能，改进燃料电池的发电效率，于能量传送方面，运用高温超导电缆技术削减电能传送时的损耗，就像在地铁供电线路中使用高温超导电缆，传送损耗大致可缩减70%，凭借智能能量保留系统及时监测太阳能发电功率，氢能存储量，地铁用电需求等参数，精准调控各能源的输出与分配，确保系统始终维持高效运行的状态，全方位改进混合动力系统的整体能效。

三、面向无人驾驶地铁的储能技术创新

储能技术在太阳能与氢能混合动力的无人驾驶地铁系统中有重要意义，要革新性地采用固态锂电池和超级电容器相关联的复合储能形式。固态锂电池具备高能量密度、长循环寿命等优点，可储存大量电能，给予地铁持续且稳定的能量支持，超级电容器具有快速充放电特征，能应付地铁启动、推进等瞬间大功率用电情形，当无人地铁制动时，产生的再生制动能量会先被超级电容器快速回收并储存，等超级电容器存满后，剩余能量便充入固态锂电池之中。这种复合储能方式提升了能量回收利用的比率，并且扩展了储能设备的使用寿命。研发新型储氢材料即金属有机框架（MOF）材料，此材料有着超高的氢气吸附存储能力，能够在相对低的压力下存储大量氢气，这样就提升了氢能源的存储密度，给无人驾驶地铁赋予更持久的氢能，再进一步提升系统的能效。

四、无人驾驶地铁特性下的系统优化研究

无人驾驶地铁运行精准且启停频繁，要按照这些特性来提升太阳能与氢能混合动力系统。无人驾驶地铁有精准的运行时刻表，靠着这个可预先预测用电需求，合理调节太阳能发电和氢能发电的比例，高峰时段快到时，增大氢燃料电池发电功率，以保障有足够电力满足地铁频繁启停以及大客流量运输之需。在设计地铁车辆的时候，选用轻量化材料，开展空气动力学改进设计，从而减小车辆运行的阻力，减小能耗，并且借由智能控制系统达成地铁和混合动力系统的深度整合，按照路况和车辆状况随时动态调整能源输出，使系统能效同无人驾驶地铁的运行特性很好符合，最大程度发挥该混合动力系统在无人驾驶地铁中的能效优势。

五、基于地铁线路布局的混合动力系统能效​

地铁线路往往会横贯城市各个区域，各区域光照情况和空间条件差异大幅。若巧妙利用线路布局特点，便可改进太阳能与氢能混合动力系统能效，对于地面和高架线路占比较高的路段，需充分利用线路沿线的空旷空间，可在轨道旁，隔离带等处铺设太阳能光伏板。要结合线路站点分布状况，在大型换乘站或者客流量大的站点设置集中式制氢和储氢设施，这些站点周边常常有足够空间，便于原材料运输和设施，制氢所需电力优先从本站和周边线路太阳能发电剩余部分获取，储存的氢气可供途经列车使用。有些区域地下线路较多，其光照短缺，可在靠近地下站点的通风口，竖井处安装小型高效太阳能收集装置。即便收集量较少，并且地下线路的温度环境较为稳定，可用于改善氢燃料电池的工作条件，缩减环境温度波动造成的能量损耗。

结束语

未来，若氢能储运技术取得超越，智能调度算法得到改进，那么这个复合能源体系将成为城市轨道交通向低碳化转型的重要方向。政策给予支持，市场机制发挥效能，两者协同预判到2035年前后，其将在主要城市完成规模化应用，从而为形成零碳交通网络形成结实的基础。

参考文献：

[1]建设太阳能氢能一体化新能源体系[J].氯碱工业，2023，59（03）：47.

[2]刘炳利，麻晓亮，国春龙，等.CHA3A1型无人驾驶混合动力调车机车制动系统[J].铁道机车与动车，2021，（06）：14-16+21.

[3]李远，徐龙，李鸿博，等.重型混动商用车动力系统匹配及碳排放分析[J].汽车实用技术，2025，50（06）：28-33.

[4]王从鹤.混合动力系统效率分析与优化[J].中国汽车（中英文对照），2025，35（03）：179-188.

[5]翟宇凯，王炯超，吴寒逸，等.全光谱太阳能与氢能利用协同的分布式综合能源集成与优化[J].洁净煤技术，2024，30（12）：171-179.