軌道交通太陽能光伏發電系統應用研究
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摘要：介紹太陽能光伏發電系統的應用條件、原理、組成及結合軌道交通的特點，提出適合軌道交通光伏發電系統設計方案，并進行了能源、經濟、社會、環境的效益分析。
隨著經濟和社會的發展，能源和環境問題逐漸引起社會的關注，對可再生能源的利用與開發越來越迫切。隨著經濟的快速發展，我國面臨著電力、煤炭、石油等傳統能源急劇消耗導致供應緊張的局面，經濟社會發展的主要制約因素是能源消耗與環境保護。因此，合理開發和利用可再生能源是改善能源結構、增強能源持續供給能力、保障能源安全、恢復自然環境的有效措施。太陽能光伏發電作為重要的可再生能源形式，已是當今世界上公認的最有發展前景的新能源技術之一。各發達國家都投入了巨大的人力物力進行這方面的技術研發，并投入巨額資金積極推進產業化進程，大力開拓和培育光伏產業市場。利用太陽能主要有兩種方式，一種是光熱轉換，另一種就是光電轉換（即通常所說的光伏發電），其中重點是后者。城市軌道交通的能源消耗量巨大，已成為重點用能單位，利用太陽能光伏發電為軌道交通沿線用電負荷供電，不僅可以減少軌道交通對市電的需求，降低運營的成本；同時還可積極響應節能減排目標，有效推動新能源的發展。
1利用光伏發電技術的主要條件
1.1光照資源
太陽能資源的分布與各地的海拔高度、緯度、氣候條件和地理狀況有關，我國有著豐富的陽能資源，全國總面積2/3以上地區全年日照時數大于2200h。光伏發電系統設置的位置需要有富集的太陽光照資源，以保證系統較穩定的發電量。為了便于太陽能資源的開發與利用，我國把年輻射量大于9260MJ/m2的西藏西部地區除外的地區分為五類，太陽能資源地區分類如表1所示。
1.2場地條件
軌道交通工程項目中光伏發電系統的設置需要充分考慮建筑物形式和周邊環境。（1）為地面上的建筑物，能有足夠的面積安裝滿足用電容量需求的太陽能電池板、蓄電池等發電設施；（2）光伏組件的布置要避開或遠離遮陰物；（3）靠近主干電網，以減少新增輸電線路的投資。
2軌道交通光伏發電系統設計
根據軌道交通工程建筑形式，有條件設置光伏發電系統的主要有高架站（地面站）頂棚、車站出入口頂棚、車輛段頂棚等地方；由于車輛段庫房屋頂空間較大，而且比較開闊，適合設置較大型的光伏發電系統，本文主要以車輛段為例，介紹太陽能光伏發電系統應用在軌道交通工程中的設計方案。
2.1太陽能電池選擇
太能能電池（片）是光伏組件的基本元件，主要類型有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅與多晶硅電池是現在市場的主流產品；光電轉換率最高的是單晶硅電池，其商業化電池的轉換效率可以達到在15%~19%，且性能穩定，相同容量太陽能電池組件所需安裝面積小，相對成本較高；多晶硅電池生產效率高，光電轉換效率相較單晶硅略低，其商業化電池的轉換效率在13%~16%，產品使用期內轉換效率有一定衰減，相對成本較低；單晶硅與多晶硅電池的使用壽命都可以達到25年，使用期內功率衰減均能小于20％。隨著光伏產業的不斷推進與發展，材料技術的不斷提升，其綜合生產成本也會逐漸降低，在此本文選擇光電轉換效率高、性能穩定、技術成熟的單晶硅太陽能電池組件來進行方案介紹。
2.2光伏組件與建筑結合方式選擇
光伏組件與建筑結合方式分為兩類：一類是建筑與光伏系統結合，也稱為光伏附著設計，即BAPV（BuildingAttachedPhotovoltaic）結合方式，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計，實現建筑與光伏組件的良好結合，也稱為光伏和建筑的一體化集成設計，即BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic）結合方式。車輛段庫房頂棚一般采用鋼結構網架形式，設計時要考慮采光、隔熱、遮陽等因素，因此車輛段可采用BAPV與BIPV相結合的方案，頂棚采光帶部分采用BIPV方案，非采光部分的頂棚采用BAPV方案；本方案把太陽能的利用納入環境的總體設計，把建筑、技術和美學融為一體，太陽能設施成為建筑的一部分，相互間有機結合，減少對建筑的外形影響；利用太陽能設施取代部分屋頂覆蓋層，可減少成本，提高效益。
3光伏發電系統并網設計
針對軌道交通工程并網光伏發電系統有低壓并網及中壓并網兩種方案。
3.1低壓并網方案
低壓并網系統通常應用在系統裝機容量較小或光伏組件安裝場地面積有限的地方，在軌道交通工程中高架站（地面站）宜采用低壓并網方式；光伏發電系統分別接入變電所低壓側兩段母線上，并設置防逆流裝置，避免對高壓側保護裝置造成干擾。根據軌道交通低壓負荷容量及等級要求，本方案建議低壓并網系統主要給車站二、三級負荷供電，如正常照明、路燈照明、廣告照明和一般動力等負荷。
3.2中壓并網方案
中壓并網系統通常用在系統裝機容量較大或有足夠場地安裝光伏組件的地方，在軌道交通工程中車輛段、停車場宜采用中壓并網方式，該并網方式和逆變器的匹配更佳，可提高逆變器的轉換效率。并網系統通過升壓變壓器接入35kV中壓環網，光伏發電系統分別接入車輛段變電所35kV側兩段母線。
4效益分析
4.1能源及經濟效益
本文太陽能資源在四類區，以杭州市的軌道交通某車輛段工程為例進行分析，車輛段庫房屋頂一般可提供安裝場地的面積約50000m2，屋頂利用率按50%計算；該地區平均年輻射總量取4800MJ/m2。按現有光伏組件市場的常用參數，選取額定功率為285Wp，尺寸為2100mm×1130mm的組件參數來計算分析。由于安裝傾角、陽光遮擋、灰塵、逆變器效率、輸電線損等因素對光伏發電系統的效率會產生影響，因此計算系統效率時應綜合考慮以上因素，本文系統綜合效率取75%，系統年上網電量和節能減排測算如表2所示。根據以上測算數據，可實現系統裝機容量為3002.5kWp。整個系統按照25年運營周期考慮，組件年衰減按照0.8%計算，系統運行25年預計發電總量約85277MWh，節約總標煤約33258t，減排二氧化碳總量約119388t。目前太陽能光伏發電系統的市場綜合造價指標為16元/W，按此指標計算本工程造價約為4804萬元；按目前杭州地鐵運營電價0.75元，且每年上漲2%測算，本工程投資回收期約為16年，25年內經濟收益約為3323萬元；若考慮政策補貼，工程投資的回收期會更短經濟收益也會更高。
4.2社會及環境效益
太陽能光伏發電是一種清潔、可再生能源，既不會產生污染物，也不會產生溫室氣體破壞大氣環境等問題，從節約煤炭和減排二氧化碳量可以看出環境效益是明顯的，該系統的應用可以響應節能號召，積極配合完成節能減排指標；充分利用可再生的清潔能源，即可減少化石能源的需求，同時也可減少環境污染、保護人類的生態環境，其社會效益較為明顯。
5結語
隨著我國城市化進程不斷加快，軌道交通的建設也得到了大力推進，其場地上的優勢為太陽能光伏發電系統的應用提供了可能。軌道交通作為覆蓋范圍廣、客流量大的公共建筑，采用太陽能光伏發電系統，可起到良好的節能減排宣傳和示范作用。
參考文獻
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作者：李淼 單位：中鐵上海設計院集團有限公司
