光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

王 龍，聶金鋒

光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

王 龍，聶金鋒

分析了軌道交通用電負(fù)荷需求和特點(diǎn)，并結(jié)合光伏發(fā)電現(xiàn)狀、節(jié)約能源需求、光伏發(fā)電應(yīng)用條件，提出了光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用方案，為城市軌道交通在節(jié)能及新技術(shù)應(yīng)用方面提供了借鑒和參考。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；光伏發(fā)電系統(tǒng)；節(jié)能

0 引言

太陽能是一種綠色、清潔、可再生且取之不竭、用之不盡的能源，利用太陽能發(fā)電并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)生活中，已成為世界能源發(fā)展的趨勢(shì)和方向。我國國土遼闊、太陽能資源豐富，具有利用太陽能的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。

城市軌道交通近年來在國內(nèi)大中城市普遍發(fā)展，全國目前已有十八座城市建成運(yùn)營(yíng)線路，并有多個(gè)城市已開工或規(guī)劃建設(shè)，根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，未來幾年將是城市軌道交通發(fā)展建設(shè)的高峰期。

如何將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和城市軌道交通建設(shè)結(jié)合起來，利用太陽能向城市軌道交通工程提供電源，不僅在節(jié)約能源方面意義重大，更對(duì)指導(dǎo)新建軌道交通工程具有重要參考意義。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)

利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，可以獲取無限的能源，不僅可以減少煤炭、自然礦物資源、水資源等的開采利用，還可以減少二氧化碳、二氧化硫、粉塵及煤灰等有害氣體和雜質(zhì)的排放量，是節(jié)能減排的有效措施。

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在向負(fù)荷供電時(shí)，需通過變壓器、輸電線路、開關(guān)柜等電力設(shè)施將電能輸送至用戶。采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可省去這些輸配電設(shè)備的投資。若將光伏電源和電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，不僅能就地直接使用電能，還省去了蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)施。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝不破壞土地植被，不受安裝地點(diǎn)的限制，只要太陽能夠達(dá)到的地方，均可安裝太陽能電池組件。大城市內(nèi)建筑物和太陽能電池組件一體化建設(shè)時(shí)，不僅能夠美化建筑的結(jié)構(gòu)和外觀，還節(jié)約了土地，具有十分積極的效益。

光伏電源系統(tǒng)的特點(diǎn)決定了只要有太陽光的地方，就能夠設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，而且容量大小可根據(jù)負(fù)荷選取，不受外部電源的限制。特別是一些容量小的照明負(fù)荷，可獨(dú)立成系統(tǒng)，特別靈活實(shí)用。綜上所述，光伏發(fā)電系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、節(jié)省輸電設(shè)備、保護(hù)和節(jié)約土地、靈活配置發(fā)電容量的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。

2 城市軌道交通各類用電負(fù)荷分析

城市軌道交通用電負(fù)荷較多，但根據(jù)不同用途及性質(zhì)可歸為3類負(fù)荷：

（1）軌道交通車輛牽引供電負(fù)荷。該類負(fù)荷主要是向軌道交通車輛提供驅(qū)動(dòng)電源及車體內(nèi)部的低壓機(jī)電負(fù)荷電源，所需容量最大，一般一個(gè)牽引變電所約在2×25 00～2×3 000 kV·A左右。

（2）軌道交通運(yùn)營(yíng)動(dòng)力負(fù)荷。該類負(fù)荷主要是車站及區(qū)間內(nèi)為保證地鐵正常、安全運(yùn)營(yíng)而所需的一些機(jī)電設(shè)備、通信信號(hào)設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等，其負(fù)荷容量較大，每座地下車站約在1 000～1 200 kW；高架車站約在200～350 kW。

（3）軌道交通運(yùn)營(yíng)照明負(fù)荷。該類負(fù)荷主要是運(yùn)營(yíng)所需的各類正常照明、應(yīng)急照明、指示照明、廣告照明等，其負(fù)荷容量較小，每座地下車站約在200～300 kW；高架車站約在120～180 kW。

另外，每條地鐵線路都有一個(gè)車輛段和停車場(chǎng)，其中有不少動(dòng)力負(fù)荷和照明負(fù)荷，特別是車庫內(nèi)的照明負(fù)荷和車場(chǎng)內(nèi)的路燈照明負(fù)荷容量較大。

上述用電負(fù)荷中，牽引負(fù)荷、通信信號(hào)、消防通風(fēng)、消防監(jiān)控、應(yīng)急照明等是與行車及消防相關(guān)的可靠性要求極高的特別重要的一級(jí)負(fù)荷。

從負(fù)荷分類可以看出，牽引負(fù)荷用電不僅容量大，且是行車負(fù)荷，必須有極高的可靠性；動(dòng)力負(fù)荷中部分為行車及消防負(fù)荷，容量也較大，可靠性也必須保證；照明負(fù)荷中的應(yīng)急照明，該部分容量很小，但可靠性必須保證。從容量及負(fù)荷重要性，以及在目前光伏發(fā)電系統(tǒng)尚未完全成熟及普及應(yīng)用的情況下考慮，這些負(fù)荷仍采用傳統(tǒng)電力供電系統(tǒng)是比較合理的，因?yàn)楸仨毐ＷC這些負(fù)荷用電的高可靠性。但相對(duì)這些重要負(fù)荷，車站內(nèi)的三級(jí)負(fù)荷、正常照明和一般的機(jī)電負(fù)荷，完全可利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電。

3 軌道交通工程利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的條件

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽能作為發(fā)電基礎(chǔ)，配備必要的發(fā)輸電設(shè)備，并結(jié)合實(shí)際建筑條件，共同實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)功能。要實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通工程中的應(yīng)用，必須滿足以下2個(gè)條件：

（1）車站建筑在地上，且地上面積足夠大，能夠安裝滿足用電容量需求的太陽能電池板、蓄電池等發(fā)電設(shè)施。

（2）車站內(nèi)用電負(fù)荷為三級(jí)負(fù)荷、一般機(jī)電負(fù)荷或一般照明負(fù)荷等，供電可靠性要求較低，不影響行車及消防。

根據(jù)目前軌道交通車站的設(shè)計(jì)、建筑樣式、負(fù)荷類型等，能夠滿足上述條件一的，主要有高架站、車輛段、停車場(chǎng)、地下站出入口等地方；滿足上述條件二的，主要有車站二三級(jí)通風(fēng)負(fù)荷、檢修電源負(fù)荷、廣告照明、一般照明、車場(chǎng)內(nèi)道路照明、地下站出入口集散廣場(chǎng)照明、室外地徽導(dǎo)向負(fù)荷等。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)外應(yīng)用

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前常見和應(yīng)用較多的是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要是邊遠(yuǎn)地區(qū)送電困難且用電需求并不是特別高的負(fù)荷，如西藏、甘肅、新疆等地區(qū)的一些家庭照明及家用電器負(fù)荷。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)目前投入應(yīng)用的有國家體育場(chǎng)鳥巢太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、深圳園博會(huì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，鐵路上海虹橋火車站、天津西站、南京南站等并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的這些工程案例為軌道交通的應(yīng)用提供了很好的借鑒。

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有3種，分別為有逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)、無逆流型并網(wǎng)系統(tǒng)、切換型并網(wǎng)系統(tǒng)。

（1）有逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠向負(fù)載提供電能，還能將富裕的電能輸向電網(wǎng)，且光伏系統(tǒng)電源不足時(shí)，可直接從電力系統(tǒng)獲得電能。該類發(fā)電系統(tǒng)主要用于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量大，剩余電能較多的場(chǎng)所，該種系統(tǒng)能效比較高，國內(nèi)外采用的大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)就是這種有逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（圖1）。

圖1 有逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖

（2）無逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)只向負(fù)載供電，富裕電能不能輸向電網(wǎng)，當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)不能滿足負(fù)載用電需求時(shí)，則從電力系統(tǒng)電網(wǎng)獲得電能以滿足負(fù)載要求。該種系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的計(jì)算精確度要求較高，否則產(chǎn)生的電能既不能儲(chǔ)存也不能輸入電網(wǎng)，不僅不利于設(shè)備運(yùn)行，還是一種能源浪費(fèi)（圖2）。

圖2 無逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖

（3）切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是增加了蓄電池儲(chǔ)能裝置，正常情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接向負(fù)載供電，當(dāng)日照或連續(xù)陰雨天時(shí)，由切換器直接切換至電力系統(tǒng)電源向負(fù)載供電，儲(chǔ)能裝置進(jìn)行光伏電源儲(chǔ)能。該種系統(tǒng)主要應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較小、負(fù)載容量及蓄電池容量較小的系統(tǒng)（圖3）。

圖3 切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)框圖

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟和穩(wěn)定，今后光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)在各類工程中應(yīng)用，城市軌道交通工程的應(yīng)用也會(huì)越來越普及，范圍也會(huì)越來越廣泛。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用方案

5.1 高架車站應(yīng)用方案

高架車站一般分2層，站廳層為地上一層，站臺(tái)層為地上2層，部分車站還有3層或單獨(dú)的設(shè)備層，主要是一些較大的換乘站，整體建筑面積在5 000～6 500 m2不等。由于站廳層、設(shè)備層均與太陽光照不接觸，所以該部分面積不能作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效利用面積，只有車站屋頂及周圍的圍墻可考慮使用，這部分面積一般在1 000～1 500 m2左右?？紤]車站的位置，太陽光照射方向以及所處地區(qū)，能有效利用的面積也就在800～1 200 m2之間。以245 Wp的多晶電池板和1 000 m2有效面積并結(jié)合上海地區(qū)太陽光年輻射量計(jì)算，每年的發(fā)電量為

W = 面積×Σ(月平均日輻照量×當(dāng)月天數(shù)) ×功率輸出因數(shù)= 1 000×5 550.1×0.66 =

3 663 066（MJ）= 1 025 658.48（kW·h）

即平均每天可輸出電能約2 810 kW·h，這些電能完全能夠滿足高架車站的照明及三級(jí)負(fù)荷用電。

高架車站因考慮到白天還需將太陽光引入建筑內(nèi)進(jìn)行自然光照明，故利用車站四周墻面的面積不多，最合適的還是利用車站屋頂放置太陽能電池板，在設(shè)備房間內(nèi)設(shè)置蓄電池儲(chǔ)能裝置，將整體光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)成切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)比較理想，電力系統(tǒng)作為光伏電源系統(tǒng)的補(bǔ)充和備用，在負(fù)載進(jìn)線處設(shè)置電源切換裝置，不僅能夠達(dá)到利用光伏電源節(jié)能的目的，還能保證供電的可靠性。

5.2 車輛段停車場(chǎng)應(yīng)用方案

車輛段停車場(chǎng)主要建筑是列檢庫、運(yùn)用庫、物資庫、綜合辦公樓等，這些建筑普遍面積大、屋頂開闊，非常適合設(shè)置太陽能電池板。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一座車輛段或停車場(chǎng)的占地面積在15萬～25萬m2左右，能有效利用太陽能發(fā)電的建筑屋頂面積在6萬～10萬m2左右。這么大的有效面積可完全參照鐵路火車站的模式設(shè)置成有逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅向車輛段停車場(chǎng)內(nèi)用電負(fù)荷供電，還可將富裕能量完全輸入軌道交通供電系統(tǒng)中壓電網(wǎng)，向其他負(fù)荷提供光伏電源。

此外，車輛段及停車場(chǎng)內(nèi)道路較多，道路照明一般采用燈桿照明，該部分燈桿照明完全可采用獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的燈桿照明，燈桿和太陽能電池板、逆變器、蓄電池等整體設(shè)計(jì)，并設(shè)置時(shí)間或亮度控制模式，根據(jù)需要完成燈桿的照明。目前市政工程已普遍采用該種照明方案，軌道交通工程中北京地鐵15號(hào)線馬泉營(yíng)車輛段室外路燈已采用該方案，目前已成功運(yùn)行，效果良好。

5.3 高架區(qū)間應(yīng)用方案

軌道交通線路在市區(qū)內(nèi)一般為地下走線，在郊區(qū)及進(jìn)出車場(chǎng)的區(qū)段為地面及高架走線。地面及高架區(qū)間內(nèi)一般主要有區(qū)間照明和區(qū)間檢修負(fù)荷，這2種負(fù)荷均在線路故障或者平時(shí)檢修時(shí)使用，負(fù)荷容量不大。對(duì)于高架區(qū)間照明負(fù)荷，完全可采用燈具和光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)合的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，燈具各自獨(dú)立成一套系統(tǒng)，互不影響。對(duì)于采用三軌供電的線路，完全可以將燈具、電池板安裝在高架橋梁梁翼上方頂部，對(duì)于采用架空接觸網(wǎng)供電的線路，燈具、太陽能電池板等均可結(jié)合接觸網(wǎng)支柱一體安裝，即方便安裝又充分利用了接觸網(wǎng)支柱。

另外，由于高架區(qū)間梁翼外側(cè)面積寬闊，如圖4所示，且基本垂直地面，完全可以懸掛太陽能電池板。因此，利用該部分空間設(shè)置太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)也值得研究和探討。

圖4 高架區(qū)間橋梁設(shè)置太陽能電池板示意圖

5.4 地下站出入口集散廣場(chǎng)應(yīng)用方案

軌道交通地下站出入口一般包括地面廳室外建筑、室外集散廣場(chǎng)，部分車站有自行車停車場(chǎng)及汽車停車位。出入口主要用電負(fù)荷是地面廳照明、軌道交通地徽導(dǎo)向照明、自行車停車場(chǎng)及汽車停車位照明。上述照明均為一般負(fù)荷，完全可由光伏發(fā)電系統(tǒng)提供電源。利用地面廳建筑頂部設(shè)置太陽能電池板，采用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)向地面廳照明及地徽進(jìn)行供電；集散廣場(chǎng)、自行車停車場(chǎng)及汽車停車位可完全采用設(shè)置光伏電源照明燈桿的模式，由光伏電源燈桿向上述場(chǎng)所提供電能。

6 結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)近年來在國內(nèi)飛速發(fā)展，并已經(jīng)形成了研發(fā)、生產(chǎn)、加工和集散的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈，并有多家知名企業(yè)上市。光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)的日趨先進(jìn)和發(fā)展為其在國內(nèi)工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。軌道交通近年來也迅速發(fā)展，與以往工程相比，未來項(xiàng)目更注重節(jié)能減排和降耗，利用新技術(shù)新能源是重點(diǎn)研究與發(fā)展的目標(biāo)。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與軌道交通工程結(jié)合起來，在新技術(shù)應(yīng)用、建筑設(shè)計(jì)、控制保護(hù)技術(shù)方面有重大意義，更重要的是能夠節(jié)約能源，減少污染物排放，保護(hù)環(huán)境，值得推廣應(yīng)用。

The paper mainly analyzes the urban rail transit power load requirements and characteristics, combined with the present situation of photovoltaic system, saving energy demand, photovoltaic application condition, put forward the application of photovoltaic power generation system in urban rail transit plan, for the urban rail transit in terms of energy saving and new technology application provides reference and reference.

urban rail transit; photovoltaic system; energy-saving

U231.8

B

1007-936X(2014)05-0044-03

2013-12-19

王 龍.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院電力所，工程師，電話：022-58583769；

聶金鋒.中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院電力所。