張曄

摘 要：文章從太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展概況進(jìn)行展開，然后論述光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)城市軌道交通的重要意義和使用光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件，進(jìn)而分析光伏發(fā)電技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用，以及在應(yīng)用中需注意的問題等。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；城市軌道交通；應(yīng)用分析

1 光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展

1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了“光生伏特效應(yīng)”，1954年美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。隨著20世紀(jì)70年代工業(yè)的發(fā)展，能源危機(jī)和大氣污染問題日益嚴(yán)重，可再生能源成為了人們改變能源結(jié)構(gòu)的希望。到了90年代后，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2011年，全球光伏新增裝機(jī)容量約為27.5GW，漲幅比2010年高52%，在國(guó)家的十三五能源戰(zhàn)略規(guī)劃中，給了太陽能光伏發(fā)電入網(wǎng)定價(jià)權(quán)，更加刺激了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2 城市軌道交通使用光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要意義

就中國(guó)來說，截至2015年底，全國(guó)城市軌道交通已開通運(yùn)營(yíng)的城市已達(dá)26個(gè)，地鐵運(yùn)營(yíng)線路達(dá)到85條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)達(dá)到2658km，并且預(yù)估在二十一世紀(jì)二十年代末實(shí)現(xiàn)城市交通軌道運(yùn)行6618公里的里程，并且在“十三五”期間使得CAGA達(dá)百分之12.84，可見地鐵在交通中的龍頭地位。那么，隨著能源的不斷消耗，地鐵也對(duì)新能源引起了重視，如果在地鐵建設(shè)過程中，能夠應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，即有助于節(jié)約能源，又對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)有重要開拓意義。

北京地鐵14號(hào)線張郭莊站光伏發(fā)電系統(tǒng)為我國(guó)首座屋頂太陽能光伏發(fā)電地鐵站，該項(xiàng)目采用半透光太陽能電池組件排布，日均發(fā)電量40至50千瓦，承擔(dān)了地鐵張郭莊站大約1/3的日用電量，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在地鐵中應(yīng)用的條件

地鐵擁有占地面積大，規(guī)模大，建筑群集中，用電負(fù)荷穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)是可行的，而光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的條件有：（1）太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其自身的發(fā)電特點(diǎn)，在安裝的過程中就需要對(duì)周邊的環(huán)境和安裝地的日照條件進(jìn)行調(diào)研，地鐵所在地日照充足，年日照時(shí)間長(zhǎng)，并且組件要和建筑單體相結(jié)合，滿足安裝、清潔、維護(hù)的要求，車輛段、高架車站屋頂面積大，適合安裝太陽能光伏發(fā)電裝置。（2）光伏發(fā)電系統(tǒng)需兼顧總功率和穩(wěn)定性兩個(gè)方

面：在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過成中，不僅需要考慮其日常運(yùn)行的固定工作時(shí)間，還考慮其使用的峰值和最大的荷載量，電器是純電阻性、電容性還是電感性，以及瞬間啟動(dòng)最大電流的流通量。（3）如遇到?jīng)]有日光照射的陰雨天氣，系統(tǒng)需連續(xù)工作的天數(shù)等。在太陽能光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需充分考慮上述因素，保證最大效率的使用。

4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用分析

4.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及應(yīng)用原理

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要通過太陽能電池方陣在光照條件下產(chǎn)生直流電，直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后并入低壓或高壓電網(wǎng)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由太陽能光伏組件、光伏控制器和交流逆變器及相應(yīng)的附屬設(shè)施組成。

4.1.1 太陽能光伏組件。光伏組件選型：地鐵中如車輛段光伏組件選型一般結(jié)合BAPV方式，不需要改變建筑物本身，只需將光伏組件固定在建筑物屋頂上。

4.1.2 光伏控制器。太陽能光伏控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

4.1.3 交流逆變器。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備，按照運(yùn)行方式，可以分為離網(wǎng)逆變器和并網(wǎng)逆變器，離網(wǎng)逆變器用于獨(dú)立運(yùn)行的太陽電池發(fā)電系統(tǒng)，為負(fù)載供電，并網(wǎng)逆變器用于并網(wǎng)運(yùn)行的太陽電池發(fā)電系統(tǒng)。

4.1.4 相關(guān)附屬設(shè)施。附屬設(shè)施包括直流配線系統(tǒng)、交流配線系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控和檢測(cè)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。

4.2 發(fā)電系統(tǒng)類型選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有三種：（1）獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（離網(wǎng)系統(tǒng)）。（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。（3）分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

地鐵在應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)時(shí)要相應(yīng)選擇適合自身的光伏發(fā)電裝置。一般來講根據(jù)是否帶有儲(chǔ)能設(shè)施可以劃分為兩種類型，還可根據(jù)電負(fù)荷的類型不同分為，直流電光伏發(fā)電系統(tǒng)、交流點(diǎn)光伏發(fā)電系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)。在實(shí)際的使用當(dāng)中，由于交通運(yùn)輸樞紐的用量大，電負(fù)荷高，所以一般采用，低壓并網(wǎng)方式。并且由于地鐵交通的穩(wěn)定與否是事關(guān)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的大事，其供電設(shè)施可靠與否是非常重要的，為了預(yù)防光伏發(fā)電裝置的電流往高電壓方向逆向輸送，一般在使用的過程中會(huì)在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)添置防逆流設(shè)備，以避免對(duì)高電壓一側(cè)的干擾。

4.3 光伏組件與地鐵高架車站頂棚的應(yīng)用

BAPV和BIPV兩種方案被用于地鐵高架車站頂棚。

BAPV方案是指通過簡(jiǎn)單的支撐結(jié)構(gòu)將光伏組件附著安裝在建筑上，不會(huì)增加建筑防風(fēng)、遮雨的性能。

BIPV方案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(xué)光影關(guān)系，體現(xiàn)節(jié)能減排的觀感效應(yīng)。

4.4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的避雷措施

無論是何種類型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)都要求其采光裝置有較好的朝向以及較長(zhǎng)時(shí)間面向太陽，受到成本的限制，我國(guó)打多數(shù)太陽能發(fā)電系統(tǒng)（包括光伏太陽能和發(fā)電系統(tǒng)），其安裝的位置要么出去開闊地帶，要么位于屋頂，這就造成了當(dāng)雷雨來臨時(shí)，較易會(huì)受雷擊的可能性比較大，并且太陽能電池組件和逆變器比較昂貴，因此必須采取有效保護(hù)措施。包括外部防雷保護(hù)和內(nèi)部防雷保護(hù)。

外部防雷即防止直擊雷，直擊雷會(huì)直接落到太陽能光伏組件、配電線、電氣設(shè)備上，基本措施就是安裝避雷針或避雷器，裝設(shè)位置應(yīng)盡量避免避雷針的投影落在太陽能電池組件上，外部防雷的防雷機(jī)制是通過外部的導(dǎo)體，將落雷直接引導(dǎo)至不會(huì)對(duì)太陽能光伏發(fā)電裝置（尤其是太陽能電池板）造成影響的地方，他的設(shè)備組成一般包括接閃器、引下線和接地地網(wǎng)等。

內(nèi)部防雷就是防止感應(yīng)雷的入侵。系統(tǒng)主要采取裝設(shè)電涌保護(hù)器，其作用就是把竄入電力線、信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過電壓限制在設(shè)備或系統(tǒng)所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，使設(shè)備或系統(tǒng)不受雷電流沖擊而損壞。

4.5 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題

4.5.1 光伏電站的容量設(shè)計(jì)方面，必須根據(jù)負(fù)載和現(xiàn)場(chǎng)的地理及氣象條件進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計(jì)。光伏組件陣列面盡量朝南傾斜設(shè)置，不能被其他建筑物遮擋。

4.5.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝時(shí)不能損壞和影響車站主體結(jié)構(gòu)及整體效果，因?yàn)檐囌臼侵黧w，光伏是客體。

4.5.3 城市軌道交通的落客點(diǎn)（車站）的建筑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)想結(jié)合。無論是建筑的形式、設(shè)備、荷載承受能力都需要在方案設(shè)計(jì)的階段，就考慮到與光伏發(fā)電裝備的結(jié)合問題，并且在施工圖深化的階段要將考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)具體的施工做法和后期安裝方式，在項(xiàng)目開工之后還要綜合考慮光伏發(fā)電部件的運(yùn)輸、進(jìn)場(chǎng)、管理和存放等問題。

4.5.4 地鐵光伏發(fā)電系統(tǒng)在清潔時(shí)主要利用雨水自然清潔，如果長(zhǎng)時(shí)間不下雨，就要進(jìn)行人工清潔，清掃污染物，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

城市軌道交通作為現(xiàn)代化普遍的交通工具，行業(yè)發(fā)展迅速，是未來的軌道交通主力，同時(shí)也帶來了巨大能源消耗，而太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的誕生和發(fā)展無疑是給地鐵提供了新的科技力量和動(dòng)力，既可降低城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也在起到良好的示范作用。光伏發(fā)電技術(shù)目前在軌道交通應(yīng)用的范圍還是比較狹窄，需要不斷依靠新的政策和科技實(shí)力進(jìn)行創(chuàng)新和推廣，才能擴(kuò)大應(yīng)用范圍。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在地鐵上的應(yīng)用推廣還有一些阻礙，但兩者的結(jié)合無疑是城市軌道交通發(fā)展中的一大亮點(diǎn)，是人類科技進(jìn)步的表現(xiàn)。