周 超

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 成都610031)

太陽(yáng)能是資源最豐富的可再生能源，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和巨大的開發(fā)利用潛能。充分利用太陽(yáng)能有利于保持人和自然的和諧及能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。人類對(duì)太陽(yáng)能的早期利用主要是光和熱，光伏發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)為太陽(yáng)能的利用提供了廣闊的空間。

發(fā)展城市軌道交通特別是地鐵，成為我國(guó)緩解城市交通壓力的首選。同時(shí)，城市軌道交通又是能耗大戶，節(jié)能降耗亦是一項(xiàng)重要的任務(wù)和必須貫徹的設(shè)計(jì)原則。將光伏發(fā)電技術(shù)與城市軌道交通相結(jié)合，不僅是響應(yīng)國(guó)家節(jié)能降耗的號(hào)召，也是降低城市軌道交通運(yùn)營(yíng)成本的需要，同時(shí)也可在市民中起到良好的示范作用，凸顯“綠色交通”的新理念。深圳地鐵6號(hào)線高架車站的應(yīng)用實(shí)踐，推動(dòng)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)為太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與城市軌道交通的結(jié)合提供了參考案例。

1 項(xiàng)目概況

深圳地鐵6號(hào)線沿深圳市中部發(fā)展軸布設(shè)，串聯(lián)龍華新區(qū)、光明新區(qū)和寶安區(qū)，全線長(zhǎng)37.621 km，其中高架段長(zhǎng)27.171 km，地下段長(zhǎng)3.365 km，過渡段長(zhǎng)0.835 km，山體隧道段長(zhǎng)6.250 km。全線共設(shè)置20座車站，其中地下車站3座，高架車站17座。高架車站中有14座具備設(shè)置太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件。

深圳地鐵6號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)高架車站一般為地面三層車站，地面一層為設(shè)備層，地面二層為站廳層，地面三層為站臺(tái)層，站臺(tái)頂棚面積約3 100 m1。頂棚采用門式弧形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，屋外面板采用直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板;為滿足采光要求，在站臺(tái)上方頂棚處設(shè)置采光帶，其效果圖見圖1。

圖1 深圳地鐵6號(hào)線高架車站效果

2 利用光伏發(fā)電技術(shù)的可行性

2.1 太陽(yáng)能資源豐富

深圳市地處東經(jīng)113°46'-114°37'之間，北緯22°27'-22°52'之間，海拔65 m，日照條件較為充足，日照系數(shù)1.0～1.1，年輻射量約5 225 MJ/m1，1年中300 d左右的太陽(yáng)能可以得到有效利用，屬于太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)［1］。

2.2 基礎(chǔ)條件好

深圳市地鐵6號(hào)線全線72%為高架線路，20座地鐵車站中有17座為高架車站。高架車站沿道路路中或路側(cè)布置，車站最小無遮擋空間平均斷面寬度約70 m;車站站臺(tái)頂棚采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，頂棚面積較大。因此，有設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)條件。

2.3 節(jié)能政策支持

響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排政策，設(shè)置太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可有效推動(dòng)我國(guó)可再生能源的發(fā)展，并增強(qiáng)市民的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，產(chǎn)生明顯的環(huán)保效益和社會(huì)效益。

2.4 光伏發(fā)電成本降低

我國(guó)作為光伏組件及設(shè)備主要生產(chǎn)國(guó)及出口國(guó)，已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，擁有成熟的技術(shù)。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，光伏組件及設(shè)備的成本大幅下降，另外國(guó)家關(guān)于分布式光伏發(fā)電的補(bǔ)貼政策，使光伏發(fā)電產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 光伏建筑一體化設(shè)計(jì)

3.1 太陽(yáng)能電池選擇

太陽(yáng)能電池是光伏組件的核心部件，是利用光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為電能的元件。光電轉(zhuǎn)換效率和制造成本是制約太陽(yáng)能電池發(fā)展的兩個(gè)重要因素。目前，商業(yè)化的太陽(yáng)能電池主要有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、非晶硅太陽(yáng)能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等，性能對(duì)比詳見表1［2］。

表1 太陽(yáng)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(duì)快，僅適用于小批量的示范項(xiàng)目;晶體硅電池轉(zhuǎn)換效率高、產(chǎn)能大、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、技術(shù)成熟、應(yīng)用范圍廣、并網(wǎng)電站用量多，適合在城市軌道交通項(xiàng)目中應(yīng)用。綜合價(jià)格、規(guī)模及轉(zhuǎn)化效率等因素，在深圳地鐵6號(hào)線高架車站太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中選擇轉(zhuǎn)換效率最高、技術(shù)最成熟、性能最穩(wěn)定的單晶硅太陽(yáng)能電池組件。

3.2 光伏組件與車站頂棚結(jié)合方案

3.2.1 光伏組件的分類

光伏組件分為建材型光伏組件和普通型光伏組件。建材型光伏組件將太陽(yáng)能電池與建筑材料復(fù)合在一起，成為不可分割的建材;普通型光伏組件在維護(hù)更換時(shí)不影響建筑的既有功能，一般采用支架式安裝。光伏組件的實(shí)例如圖2所示。

圖2 光伏組件實(shí)例

3.2.2 光伏與建筑物結(jié)合形式分類

光伏與建筑物的結(jié)合形式大體可分為兩類［3］:一類是建筑與光伏系統(tǒng)結(jié)合，也稱為光伏附著設(shè)計(jì)，即BAPV(building attached photovoltaic)結(jié)合方式，它不需要改變建筑物本身，只需將組件固定在建筑物上，即在建筑物上鋪一層光伏組件;另一類是通過專門的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)建筑與光伏組件的良好結(jié)合，也稱為光伏和建筑的一體化集成設(shè)計(jì)，即BIPV(building integrated photovoltaic)結(jié)合方式。BAPV結(jié)合方式僅把建筑物作為光伏系統(tǒng)安裝場(chǎng)所考慮，把實(shí)現(xiàn)發(fā)電作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的最高目標(biāo);BIPV方式則注重建筑與光伏組件的結(jié)合，強(qiáng)調(diào)在保證發(fā)電量的前提下，如何最大化保持建筑的外觀、性能及功能要求［4］。根據(jù)地鐵高架車站的特點(diǎn)，深圳地鐵6號(hào)線選用光伏建筑一體化(BIPV)設(shè)計(jì)，光伏系統(tǒng)與建筑同步設(shè)計(jì)、同步施工，將建筑、技術(shù)、美學(xué)融為一體，提高了車站的整體美觀性。

3.2.3 結(jié)合方案設(shè)計(jì)

深圳地鐵6號(hào)線高架車站頂棚采用門式弧形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，頂棚設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了采光、遮陽(yáng)、隔熱等多種因素。車站頂棚采用合金屋面板，合金屋面板每隔400 mm設(shè)板肋一道;同時(shí)在站臺(tái)上方頂棚處設(shè)有透明的采光帶以滿足車站采光的要求。在非采光帶部分，頂棚選用普通型光伏組件。光伏組件整體平鋪于車站頂棚，與頂棚的傾角一致，利用支架結(jié)構(gòu)通過夾具與屋面鎖邊肋板相連接，既保證了結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度又不影響屋面結(jié)構(gòu)布置及防水。在頂棚采光帶部分選用建材型透光鋼化夾膠結(jié)構(gòu)雙玻光伏組件。光伏組件作為頂棚材料安裝于頂棚鋼結(jié)構(gòu)上，同時(shí)構(gòu)成防雨結(jié)構(gòu)。該方案既滿足車站本身的美觀性、采光性，也可達(dá)到光伏組件布置的合理性、發(fā)電的高效性以及建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性;同時(shí)，在站臺(tái)候車的乘客也可以看到太陽(yáng)電池板，起到良好的節(jié)能示范作用。由于太陽(yáng)能電池組件吸收了太陽(yáng)能輻射量，因此這種結(jié)構(gòu)比單純的金屬屋面有更好的隔熱效果。光伏組件在車站頂棚的布置及效果如圖3～4所示。

圖3 光伏組件在車站頂棚的平面布置(局部)

圖4 光伏組件與車站頂棚結(jié)合效果

3.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)供電分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類。前者把太陽(yáng)輻射能量直接轉(zhuǎn)化為電能供給負(fù)載，并將多余的電能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中;后者將接收的太陽(yáng)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(dú)立發(fā)電系統(tǒng)省掉蓄電池，從而使發(fā)電成本大幅降低?？紤]到地鐵供電系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性要求，地鐵高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)宜選用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有高壓并網(wǎng)和低壓并網(wǎng)兩種方案。由于地鐵車站用電負(fù)荷較大，可供安裝太陽(yáng)能光伏組件頂棚的面積又有限，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(jì)，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(diǎn)，在白天車站負(fù)荷優(yōu)先使用光伏發(fā)電電能，當(dāng)光伏發(fā)電量不夠時(shí)，不足部分由地鐵電網(wǎng)補(bǔ)給;在夜間或陰雨天光伏系統(tǒng)不能發(fā)電時(shí)，車站負(fù)荷由地鐵電網(wǎng)供電。

根據(jù)地鐵低壓供電系統(tǒng)采用單母線分?jǐn)嗟闹鹘泳€方案，以及兩臺(tái)變壓器各帶一半用電負(fù)荷的特點(diǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入變電所低壓側(cè)兩段母線上，通過兩段母線給車站低壓用電設(shè)備供電，系統(tǒng)主接線及控制方式如圖5所示。在并網(wǎng)接入點(diǎn)各設(shè)置一面防逆流控制箱，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電所0.4 kV進(jìn)線斷路器的電壓和電流，一旦發(fā)現(xiàn)向高壓側(cè)輸入電能，會(huì)立即通過通信控制逆變器降低輸出電流，減少光伏系統(tǒng)發(fā)電功率;當(dāng)出現(xiàn)通信故障或其他故障時(shí)(變電所故障或光伏系統(tǒng)故障)，防逆流控制器會(huì)控制光伏交流并網(wǎng)柜的輸出，接觸器斷開，從而斷開并隔離光伏發(fā)電系統(tǒng)與車站供電系統(tǒng)，避免故障的擴(kuò)大或相互影響，確保供電的可靠性［5］。

圖5 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)

3.4 光伏監(jiān)控系統(tǒng)

為更好地掌握光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和進(jìn)行故障檢測(cè)，設(shè)置了光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。把逆變器發(fā)電數(shù)據(jù)、故障報(bào)警和環(huán)境數(shù)據(jù)通過R485連接到數(shù)據(jù)采集器，然后再連接到計(jì)算機(jī)，在屏幕上顯示光伏發(fā)電系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控并保存數(shù)據(jù)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有開放的接口協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)通訊接口，將光伏發(fā)電的狀況、故障以及系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備信息按要求發(fā)送至車站綜合監(jiān)控系統(tǒng)，由綜合監(jiān)控系統(tǒng)將運(yùn)行情況、節(jié)能減排指標(biāo)及各類信息按要求發(fā)送至車站PIS(乘客信息系統(tǒng))，并按約定時(shí)間在車站顯示屏上插播。將光伏發(fā)電相關(guān)信息發(fā)送至車站能源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、用電評(píng)價(jià)指標(biāo)的記錄計(jì)算。通過能源管理系統(tǒng)，控制中心可對(duì)全線光伏發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視［5］。

3.5 光伏系統(tǒng)防雷接地

太陽(yáng)能光伏組件安裝于車站頂棚上，在雷暴發(fā)生時(shí)，容易受到雷擊而毀壞，為避免因雷擊和浪涌而造成的經(jīng)濟(jì)損失，有效的保護(hù)措施必不可少。太陽(yáng)能光伏發(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(shè)置綜合接地裝置，有效地將入侵雷導(dǎo)入大地［6］。

車站頂棚電池組件的金屬框架與支承結(jié)構(gòu)、電纜橋架及光伏匯流箱相互連通形成均壓環(huán)，在頂棚上成為一個(gè)等電位面，并與金屬屋面防雷系統(tǒng)可靠連接;在光伏匯流箱、直流柜和交流并網(wǎng)柜中逐級(jí)加裝防雷保護(hù)器，實(shí)行多級(jí)防雷保護(hù)，使雷擊或開關(guān)浪涌電流經(jīng)過多級(jí)防雷器件泄流，并對(duì)引入光伏設(shè)備室的線槽進(jìn)行可靠接地處理以削減雷電波侵入的幅值。

光伏發(fā)電設(shè)備的安全保護(hù)接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用車站綜合接地系統(tǒng)，接地電阻不大于4Ω［7］。另外，數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸電纜的屏蔽層應(yīng)具有良好的接地效應(yīng)，各種設(shè)備、機(jī)箱外殼、金屬線管等所有金屬物都應(yīng)做好等電位連接。

4 預(yù)期效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

以深圳地鐵6號(hào)線一座標(biāo)準(zhǔn)高架車站的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。地鐵高架車站站臺(tái)頂棚面積為3 100 m1，組件有效安裝面積約為2 200 m1，裝機(jī)容量為230.55 kWp。25年內(nèi)年平均發(fā)電量可達(dá)23.49萬kWh，可滿足車站動(dòng)力照明用電的30%。深圳地區(qū)按年標(biāo)準(zhǔn)有效利用日照數(shù)1 461 h計(jì)算，光伏組件在10年使用期限內(nèi)輸出功率不低于90%，25年使用期限內(nèi)不低于80%計(jì)算發(fā)電量。表2為一座標(biāo)準(zhǔn)車站25年的發(fā)電量及節(jié)能減排預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)表。

表2 發(fā)電量及節(jié)能減排預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)

深圳地鐵6號(hào)線一座標(biāo)準(zhǔn)車站太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)約為326萬元，發(fā)電效益按深圳地鐵目前電價(jià)0.88元/kW·h且每年上漲2%測(cè)算。

1)不考慮政策補(bǔ)貼。本項(xiàng)目投資回收期約為13.3年，25年內(nèi)經(jīng)濟(jì)收益約為330萬元，平均電價(jià)約為0.56元/kWh。

2)考慮政策補(bǔ)貼。根據(jù)2013年8月《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，對(duì)分布式光伏發(fā)電實(shí)行按照全電量補(bǔ)貼的政策，電價(jià)補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kWh。本項(xiàng)目投資回收期約為9.4年，25年內(nèi)經(jīng)濟(jì)收益為576.7萬元，平均電價(jià)約為0.14元/kWh。

因此，無論是否考慮國(guó)家的節(jié)能政策補(bǔ)貼，光伏發(fā)電平均成本均低于目前深圳地鐵的用電電價(jià)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在深圳地鐵6號(hào)線中的應(yīng)用有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 環(huán)境及社會(huì)效益

從表2中二氧化碳的減排量可以看出環(huán)境效益是明顯的。在碳排放權(quán)日益重要的今天，減排二氧化碳有著重要的意義，在滿足地鐵本身的減排目標(biāo)后，還可在碳排放市場(chǎng)進(jìn)行交易。

深圳地鐵6號(hào)線太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)與地鐵高架車站采用光伏建筑一體化設(shè)計(jì)，從造型和美學(xué)角度實(shí)現(xiàn)光伏與建筑的完美結(jié)合，給人一種視覺享受。城市軌道交通作為覆蓋范圍廣、客流量大的公共建筑，采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可起到良好的節(jié)能減排宣傳和示范作用。作為國(guó)內(nèi)首條太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在城市軌道交通中大規(guī)模應(yīng)用的線路，其示范意義更加重大。

5 注意的問題

由于地鐵高架車站頂棚規(guī)模小、建筑環(huán)境的局限性及并網(wǎng)供電容量不大等特點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需充分考慮這些因素。通過在深圳地鐵6號(hào)線的應(yīng)用實(shí)踐，筆者認(rèn)為應(yīng)注意以下問題。

1)光伏發(fā)電系統(tǒng)的選址應(yīng)對(duì)車站所處地的地理氣候條件及太陽(yáng)能資源進(jìn)行評(píng)估，考慮車站周邊的環(huán)境條件是否適合，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

2)光伏發(fā)電系統(tǒng)依附于高架車站，它的設(shè)計(jì)應(yīng)以不損壞和影響車站建筑整體效果、結(jié)構(gòu)安全、功能及使用安全為基本條件。

3)車站頂棚設(shè)計(jì)應(yīng)與光伏發(fā)電系統(tǒng)緊密配合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮組件的荷載，并與光伏發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)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(yùn)輸、安裝、維護(hù)通道等。

4)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備、器件類型的正確選擇，包括其先進(jìn)性、可靠性、兼容性、可維護(hù)性等技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于今后的應(yīng)用效果有直接影響。

［1］深圳市國(guó)家氣候觀測(cè)臺(tái)(深圳市氣候中心).深圳市太陽(yáng)能、風(fēng)能資源評(píng)估報(bào)告［R］.深圳，2011.

［2］周超.太陽(yáng)能光伏發(fā)電在城市軌道交通中應(yīng)用［J］.都市快軌交通，2013，26(2):77-80.

［3］JGJ 203—2010民用建筑太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［4］李現(xiàn)輝，郝斌.太陽(yáng)能光伏建筑一體化工程設(shè)計(jì)與案例［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［5］中鐵二院.深圳市城市軌道交通6號(hào)線工程太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)［R］.深圳，2013.

［6］GB 50057—2010建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

［7］梅勇成，陳華暉.獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)防雷技術(shù)探討［J］.氣象科技，2009，37(6):763-766.