周 超

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

太陽能光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應用

周 超

(中鐵二院工程集團有限責任公司 成都 610031)

分析將太陽能光伏發(fā)電應用到城市軌道交通的必要性，介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理、組成及應用現(xiàn)狀。結(jié)合城市軌道交通的特點，提出適合城市軌道交通的光伏發(fā)電系統(tǒng)方案，并指出在應用中需注意的相關問題，為太陽能光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應用提供指導。

城市軌道交通;太陽能光伏發(fā)電;光伏組件;并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

隨著煤炭和石化能源的大量消耗，不可再生能源正面臨著資源枯竭和環(huán)境惡化的雙重壓力，開發(fā)利用可再生能源是增加能源持續(xù)供給能力、改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、逐步恢復自然環(huán)境的重要措施。在新型可再生能源中，太陽能以其資源豐富、沒有地域界線、獲取便捷等優(yōu)點，成為21世紀人們關注的熱點。目前，太陽能的利用主要是光熱利用、光化學轉(zhuǎn)換及光伏發(fā)電3種形式。由于太陽能光伏發(fā)電是以電能為最終形式，具有傳輸極其方便的特點，在通用性、可存儲性等方面具有前兩者無法替代的優(yōu)勢，因此它是各國競相發(fā)展的重點。城市軌道交通是能耗大戶，節(jié)能降耗是其一項重要的任務。將光伏發(fā)電技術與城市軌道交通相結(jié)合，符合國家節(jié)能降耗的要求，也是降低城市軌道交通運營成本的需要。

1 太陽能光伏發(fā)電應用現(xiàn)狀

當今世界各國(特別是發(fā)達國家)對太陽能光伏發(fā)電十分重視，針對其制定規(guī)范和政策，增加投入，大力發(fā)展。截至2011年，世界光伏電力裝機容量累計達到67.4 GW，其中2011年新增安裝容量27.7 GW，較上年末增長70%。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80%。截至2011年末，我國太陽能光伏發(fā)電裝機容量已達3 GW，占世界光伏發(fā)電裝機容量的4.45%，預計在2012年末突破5 GW;同時，我國是世界上最大的光伏組件生產(chǎn)國，2011年的光伏組件產(chǎn)量達到18.2 GW。

近年來，太陽能光伏建筑集成及并網(wǎng)發(fā)電得到了快速發(fā)展。建筑光伏集成具有建筑的功能，同時又可用來發(fā)電，是太陽能光伏系統(tǒng)與建筑的完美結(jié)合，是電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理想范例，受到國際社會的重視。并網(wǎng)發(fā)電技術是當今世界光伏發(fā)電的發(fā)展趨勢，并網(wǎng)光伏發(fā)電技術是光伏技術步入大規(guī)模發(fā)電階段而成為電力工業(yè)組成部分的重大技術步驟。與獨立運行的太陽能光伏電站相比，并網(wǎng)不必考慮供電負載的穩(wěn)定性;光伏電池可以始終運行在最大功率點，大電網(wǎng)可以接納太陽能所發(fā)的全部電能，提高了太陽能發(fā)電的效率;省略了蓄電池作為儲能的環(huán)節(jié)，大大降低了光伏電站的建設和運營成本。

太陽能光伏發(fā)電在國內(nèi)大型交通樞紐中應用較多，如上海虹橋樞紐光伏發(fā)電裝機容量達6.57 MW、杭州東站樞紐光伏發(fā)電裝機容量達10 MW、南京南站樞紐光伏發(fā)電裝機容量達10.67 MW等。城市軌道交通與交通樞紐建筑相比，站房空間偏小，頂棚有一定弧度，項目一般位于城市建筑群密集地方。目前，國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市軌道交通結(jié)合還沒有成熟應用的案例。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

太陽能光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術，其關鍵元件是太陽能電池。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、控制器、逆變器及相關附屬設施組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.1 太陽能電池方陣

太陽能電池方陣是由若干個太陽能電池組件或太陽能電池板構(gòu)成的直流發(fā)電單元，在機械和電氣上按一定方式組裝在一起，并且具有固定的支撐結(jié)構(gòu)。它是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，也是價值最高的部分，其作用是將太陽輻射能量轉(zhuǎn)化為電能。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 蓄電池組

蓄電池組用在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用來儲存太陽能電池方陣受光照時所發(fā)出的電能，并可隨時向負載供電。并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要蓄電池組，直接與供電網(wǎng)絡并網(wǎng)供電。

2.3 控制器

光伏控制器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件之一，也是平衡系統(tǒng)的主要組成部分，其作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。光伏控制器的功能主要有:防止蓄電池過充過放電保護，系統(tǒng)短路保護、系統(tǒng)極性接反保護、夜間防反充保護，防雷擊引起的擊穿保護，溫度補償，顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)。

2.4 逆變器

逆變器是將太陽能光伏組件所產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能的轉(zhuǎn)換裝置，它使轉(zhuǎn)換的交流電的電壓、相位、頻率等電氣特性滿足各種交流用電裝置、設備供電及并網(wǎng)需求。

2.5 相關附屬設施

附屬設施包括直流配線系統(tǒng)、交流配線系統(tǒng)、運行監(jiān)控和檢測系統(tǒng)、防雷和接地系統(tǒng)，是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)必不可少的組成部分。

3 城市軌道交通太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)

在城市軌道交通中，高架車站頂棚、高架區(qū)間聲屏障、車輛段及停車場頂棚、辦公樓及物業(yè)開發(fā)樓立面等，具備利用太陽能進行光伏發(fā)電的條件。

由于光伏組件垂直安裝在高架區(qū)間聲屏障上，其發(fā)電效率較低，安裝區(qū)域長且面積又有限，發(fā)電點距用電設備地點遠、輸電損耗大，所以光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性較差;為了節(jié)約土地，車輛段及停車場的設計大多數(shù)都與物業(yè)開發(fā)相結(jié)合，安裝太陽能光伏發(fā)電的技術條件不理想;辦公樓及物業(yè)開發(fā)樓立面采用光電幕墻進行光伏發(fā)電，與民用建筑進行光伏發(fā)電區(qū)別不大，目前應用已很成熟。因此，下面主要以高架車站為例，介紹城市軌道交通的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)方案。

3.1 太陽能電池選擇

目前，市面上商業(yè)化的太陽能電池主要有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等，性能對比見表1。

表1 太陽能電池性能比較

薄膜電池由于轉(zhuǎn)換效率低、功率衰減相對快、適用于小批量的示范項目，不適合大批量使用。晶體硅轉(zhuǎn)換效率高、全球產(chǎn)能最大、性能最穩(wěn)定、使用壽命最長、技術最成熟、應用范圍最廣、并網(wǎng)電站用量最多，適合在城市軌道交通中應用。

經(jīng)過多年的發(fā)展，多晶硅與單晶硅在性能上基本相當，在城市軌道交通中選擇單晶硅或多晶硅的電池都是可行的，但價格上單晶硅仍要略高于多晶硅。如果建設規(guī)模較大，為了降低建設成本，可以考慮采用多晶硅太陽能電池;對于較小的建設規(guī)模，可以考慮采用價格相對較貴的單晶硅太陽能電池。

3.2 光伏組件與高架車站頂棚結(jié)合

太陽能光伏組件與地鐵高架車站頂棚相結(jié)合，有兩種方案可供選擇:一種是頂棚與光伏組件的結(jié)合，電池組件以支架等形式安裝在頂棚之上，車站頂棚作為光伏組件的載體，起支承作用，即BAPV方案(building attached photovoltaic unit);另一種是頂棚與光伏組件集成，太陽能光伏組件兼做頂棚建筑材料，光伏組件成為車站頂棚不可分割的一部分，即BIPV方案(building integrated photovoltaic unit)。兩種光伏組件與建筑的結(jié)合方案在國內(nèi)外都有大量成熟應用的案例。

3.2.1 BAPV 方案

采用BAPV方案，不需要改變建筑物本身，只需將組件固定在頂棚上，即在頂棚上鋪一層光伏組件。該方案適應面廣，新舊屋頂均可安裝，光伏組件選擇的通用性強，不用特殊定制，組件可按最佳角度安裝，光伏發(fā)電成本相對較低。圖2為BAPV結(jié)合方案的實例。

3.2.2 BIPV 方案

圖2 BAPV結(jié)合方案實例

BIPV方案是將光伏組件作為一種建筑材料應用在建筑物上，是集發(fā)電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能為一體的新型功能性建筑形式。BIPV使建筑物整潔且有線條感，整體性效果更好;既增加了建筑的透光率，又有良好的遮陽效果，可以突出建筑物的美學光影關系，體現(xiàn)節(jié)能減排的觀感效應，增強再生能源的可持續(xù)性發(fā)展。圖3為BIPV結(jié)合方案的實例。

圖3 BIPV結(jié)合方案實例

地鐵高架車站頂棚一般采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，頂棚設計時要綜合考慮采光、遮陽、隔熱等多種因素。車站頂棚通常采用金屬面板，同時在頂棚上設有透明的采光帶來滿足車站的采光要求。因此，地鐵高架車站可采用BAPV與BIPV相結(jié)合的方案。在非采光帶部分的頂棚采用BAPV方案，光伏組件整體平鋪于車站頂棚，組件與頂棚的傾角一致;在頂棚采光帶部分采用BIPV方案，光伏組件作為頂棚材料安裝于頂棚鋼結(jié)構(gòu)上。該方案既滿足車站本身的美觀性、采光性，也可達到光伏組件布置的合理性、發(fā)電的高效性、建設的經(jīng)濟性;同時，在站臺候車的乘客也可以看到太陽能電池板，可起到良好的節(jié)能示范作用。由于太陽能電池組件吸收了太陽能輻射能量，這種結(jié)構(gòu)比單純的金屬屋面有更好的隔熱效果。圖4為高架車站光伏組件與車站頂棚結(jié)合的效果。

圖4 高架車站光伏組件與車站頂棚結(jié)合的效果

3.3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電方式

光伏發(fā)電系統(tǒng)供電分為兩類，一類是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路;另一類是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標準接口連接，像一個小型的發(fā)電廠。獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)首先把太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能供給負載，并將多余的電能以化學能的形式儲存在蓄電池內(nèi)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將接收太陽輻射能量轉(zhuǎn)換成直流電后，經(jīng)過逆變器向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓、相位、頻率等電氣特性一致的正弦交流電。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)較獨立發(fā)電系統(tǒng)省掉了蓄電池，從而使發(fā)電成本大幅降低。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有高壓并網(wǎng)及低壓并網(wǎng)兩種方案。由于車站用電負荷較大，可供安裝太陽能光伏組件的頂棚面積又有限，僅靠光伏發(fā)電不能滿足所有的用電要求，此外小型光伏電站采用高壓并網(wǎng)也不經(jīng)濟，故高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)宜采用低壓并網(wǎng)方式。根據(jù)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，在白天車站負荷優(yōu)先使用光伏發(fā)電電能，在光伏發(fā)電量不夠時，不足部分由地鐵電網(wǎng)補給;在夜間或陰雨天光伏系統(tǒng)不能發(fā)電時，車站負荷由地鐵電網(wǎng)供電。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入變電所低壓側(cè)兩段母線上，如圖5所示。通常，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過兩段母線給車站低壓用電設備供電;當供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)停止供電，供電系統(tǒng)采取原有的保護措施。

圖5 車站太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)

在太陽能輻射能量較大時，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可能超過車站低壓側(cè)的用電量。由于城市軌道交通對供電的可靠性要求非常高，為防止光伏系統(tǒng)電能向高壓側(cè)倒送，避免對高壓側(cè)保護裝置造成干擾，光伏系統(tǒng)設置防逆流裝置。在發(fā)電量超過車站低壓側(cè)用電量時，防逆流裝置通過光伏控制器來減少光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量來避免電能倒送。

3.4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷接地

太陽能光伏組件安裝于車站頂棚上，在雷暴發(fā)生時，尤其容易受到雷擊而被毀壞，并且太陽能電池組件和逆變器比較昂貴，為避免因雷擊和浪涌而造成經(jīng)濟損失，有效的保護措施必不可少。因此，城市軌道交通太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)要與車站一起綜合考慮防雷接地設計，包括外部防雷保護和內(nèi)部防雷保護。

3.4.1 外部防雷保護

光伏發(fā)電系統(tǒng)外部防雷的作用是為直擊雷電流提供泄放通道，使雷電不會直接擊中電池板，保護頂棚的太陽能電池板不被直擊雷損壞。光伏發(fā)電系統(tǒng)與高架車站采用統(tǒng)一的防雷系統(tǒng)，利用車站頂棚的金屬構(gòu)件作為接閃器，選擇車站墩柱的鋼筋作為引下線，并在地面設置綜合接地裝置，接地裝置的接地電阻不大于4 Ω，并將頂棚金屬構(gòu)件與太陽能電池板金屬邊框進行局部等電位連接。

3.4.2 內(nèi)部防雷保護

光伏發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部防雷重點是做好各種配電線路的防護，采取層層設防、逐級泄放的原則。通過在帶電電纜上安裝浪涌保護器，減少電涌和雷電過電壓對設備造成的損壞。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的雷電和浪涌入侵途徑，除了太陽能電池方陣外，還有配電線路、接地線等。需要在逆變器的每路直流輸入端裝設浪涌保護裝置，在并網(wǎng)接入控制柜中安裝浪涌保護器，以防沿連接電纜侵入雷電波。另外，數(shù)據(jù)信號傳輸電纜的屏蔽層應具有良好的接地，各種設備、機箱外殼、金屬線管等所有金屬物都應做好等電位連接。

4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計應注意的問題

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與車站緊密結(jié)合，發(fā)電量及經(jīng)濟效益受多方面影響，是一個多專業(yè)的綜合性學科。除上述的技術方案外，在設計時還應注意以下問題。

1)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是依賴或依附于高架車站的一種新能源利用形式，其主體是車站，客體是光伏系統(tǒng)。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)應以不損壞和影響車站建筑整體效果、結(jié)構(gòu)安全、功能及使用壽命為基本原則。

2)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)首先應對車站所處地的地理氣候條件及太陽能資源進行評估，看其是否適合利用太陽能進行光伏發(fā)電;其次是考慮車站周邊的環(huán)境條件，如被其他建筑物遮擋，也不適合利用太陽能進行光伏發(fā)電。

3)為保證發(fā)電量，光伏組件應選擇在夏至日和冬至日均可接收到太陽光的區(qū)域安裝，盡量減少陰影對發(fā)電量的影響。作為一般設計原則，從上午9點至下午3點沒有陰影為好。

4)車站鋼結(jié)構(gòu)設計應與光伏發(fā)電系統(tǒng)緊密配合，結(jié)構(gòu)設計應考慮組件的荷載，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)，以此確定光伏組件的安裝方式、隱蔽走線方案以及光伏組件的運輸、安裝、維護通道等。

5)高架車站由于其頂棚有一定的弧度，所以太陽能電池組件一般可利用雨水自然清潔;如長時間沒下雨，需人工對組件上的灰塵或其他污物進行清潔，以保證系統(tǒng)的發(fā)電量。由于光伏組件安裝在頂棚上，設計時應考慮清潔水源，可在車站站臺兩端設置清洗水源，水壓要滿足在頂棚上清洗的用水要求。

5 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電是一種潔凈、可再生的新型發(fā)電形式，大規(guī)模的應用為子孫后代提供了可持續(xù)發(fā)展的空間。我國擁有豐富的太陽輻射資源，具備大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的條件。在過去十幾年中，太陽能光伏發(fā)電技術取得了長足的進步，并在實踐中得到了檢驗。城市軌道交通作為大力提倡的“節(jié)能、環(huán)?！钡某鲂蟹绞?，其場地上的優(yōu)勢為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用提供了可能。將城市軌道交通與太陽能光伏發(fā)電技術相結(jié)合，既可降低城市軌道交通的運營成本，同時也在市民中起到良好的示范作用，這將是城市軌道交通發(fā)展中的一大亮點。

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Application of Solar Photovoltaic Power Generation in Urban Rail Transit

Zhou Chao
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu 610031)

Abstract:On the basis of analyzing the necessity of applying solar photovoltaics to generate electricity for urban rail transit systems，the paper introduces the principles，composition and application of solar photovoltaics system.Considering the characteristics of urban rail transit，this paper proposes the options of solar photovoltaic technology adaptable to urban rail transit，and points out relevant issues to be addressed.This will provide effective guidance for the application of solar photovoltaic system in urban rail transit.

Key words:urban rail transit;solar photovoltaic;solar cell module;grid-connected solar photovoltaic system

U231.8

A

1672-6073(2013)02-0077-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.020

收稿日期:2012-06-17

2012-08-06

作者簡介:周超，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通供配電設計與研究工作，zhouchao1129@163.com

(編輯:郭 潔)