太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

劉 昊，李克飛

（北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101）

1 引言

在國(guó)家提出“碳達(dá)峰、碳中和”發(fā)展目標(biāo)的背景下，作為耗能大戶的城市軌道交通，發(fā)展以太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為代表的綠色可再生能源技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)該行業(yè)節(jié)能減排、綠色轉(zhuǎn)型的重要方法之一。在眾多綠色能源中，太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其清潔、無(wú)污染、分布廣等特點(diǎn)備受青睞[1-2]，在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。在城軌中引入綠色、高效、低碳的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，推進(jìn)綠色清潔能源替代化石能源的行動(dòng)也成為了城市軌道交通研究的熱點(diǎn)。目前，北京、上海、重慶、蘇州、深圳等多座城市已在其軌道交通中采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，也取得了一定的成效，但該系統(tǒng)仍有較大的可開(kāi)發(fā)利用空間[3-4]。 同時(shí)，由于地上車站、場(chǎng)段和車輛基地的上蓋開(kāi)發(fā)和屋頂承重問(wèn)題導(dǎo)致具備開(kāi)發(fā)條件的建筑屋頂、外立面面積較小、利用率低，亟待開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)新的應(yīng)用場(chǎng)景。

基于上述背景，本文對(duì)現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研分析，并結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃情況對(duì)光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，在梳理其存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上提出光伏建筑一體化和光伏聲屏障2種新的應(yīng)用場(chǎng)景，為光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用提供新的思路。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用情況

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，即半導(dǎo)體在受到光照射時(shí)，由于光生載流子在不同位置具有不均一性，或者由于p—n結(jié)產(chǎn)生了內(nèi)部載流子，就會(huì)因擴(kuò)散或者漂移效應(yīng)而引起電子和空穴密度分布不均勻，從而產(chǎn)生電能的現(xiàn)象；光伏發(fā)電原理與太陽(yáng)能電池器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、直流防雷接線箱、光伏逆變器、監(jiān)控設(shè)備等組成，如圖2所示；其關(guān)鍵元件是由太陽(yáng)能電池組裝而成的光伏組件[5-6]。

圖1 光伏發(fā)電原理與太陽(yáng)電池器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

目前，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并廣泛應(yīng)用于各類場(chǎng)景。但是，光伏發(fā)電容易受到環(huán)境、天氣以及光照條件的影響，具有間歇性、隨機(jī)性和周期性等特點(diǎn)。進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化光儲(chǔ)一體化調(diào)控，使之既能滿足有功輸出最大化，又能“削峰填谷”響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度需求，實(shí)時(shí)保障電網(wǎng)調(diào)度要求一直都是行業(yè)的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。而在光伏系統(tǒng)中接入儲(chǔ)能設(shè)備，二者相互協(xié)調(diào)可以很好地解決光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)的問(wèn)題，平滑電力輸出，提升光伏電力質(zhì)量。結(jié)合城市軌道交通自身特點(diǎn)，探索集分布光伏發(fā)電、高效儲(chǔ)能、直流配電、柔性用電于一體的“光-儲(chǔ)-直-柔”模式，提高城市軌道交通中可再生能源利用的可持續(xù)性，增強(qiáng)自身的消納能力，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，將成為城市軌道交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色轉(zhuǎn)型的重要路徑[7]。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

城市軌道交通是能耗大戶；將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通既可以降低企業(yè)的全生命周期運(yùn)營(yíng)成本，又可以減少二氧化碳排放。各城市軌道交通企業(yè)相繼開(kāi)展相關(guān)工作，已有北京、上海、重慶、蘇州、深圳等 9 座城市的軌道交通中布置了光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量約36 MWp，年發(fā)電量約4 000萬(wàn)kW · h，具體應(yīng)用情況如表1所示。各城軌企業(yè)的工作主要包括對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路地上車站建筑屋頂、未做上蓋開(kāi)發(fā)的車輛基地（車輛段、停車場(chǎng)）建筑屋頂?shù)冗M(jìn)行荷載、光照等全方面評(píng)估，對(duì)滿足安裝條件的屋頂、場(chǎng)地和沿線加裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。同時(shí)，在新建線路具備條件的場(chǎng)所推廣應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用地上車站、停車場(chǎng)、車輛段的建筑屋頂?shù)冗m宜場(chǎng)地空間，安裝光電轉(zhuǎn)換效率高的光伏發(fā)電設(shè)施已經(jīng)成為城市軌道交通節(jié)能減排的重要手段。

經(jīng)調(diào)研，在已實(shí)施的光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，各城市軌道交通企業(yè)也在積極制定新的光伏發(fā)電應(yīng)用規(guī)劃，不斷拓展新的應(yīng)用場(chǎng)景，增加城市軌道交通的光伏裝機(jī)容量。例如，由鐵科院（北京）工程咨詢有限公司組織實(shí)施的鐵路沿線光伏儲(chǔ)能及能源綜合管理項(xiàng)目；該項(xiàng)目選擇鐵路邊坡和沿線保護(hù)區(qū)2種典型地塊，在鐵路沿線保護(hù)區(qū)創(chuàng)新性應(yīng)用預(yù)應(yīng)力懸索柔性光伏支架系統(tǒng)，充分利用南北走向鐵路線路的東西邊坡、沿線保護(hù)區(qū)、夾心地的空間資源，增加綠色電力來(lái)源。示范段裝機(jī)容量216 kWp，預(yù)計(jì)每日可向國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心提供1 000 kW · h左右的綠色電力。隨著光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展，各環(huán)節(jié)成本逐步降低，投資回收期也逐漸縮短，光伏發(fā)電系統(tǒng)自發(fā)自用投資回收期為4～5年，自發(fā)自用余電上網(wǎng)投資回收期為5～7年，并在不斷縮短。同時(shí)，與燃燒化石能源相比，光伏發(fā)電技術(shù)在提供能源的同時(shí)，不排放煙塵、二氧化硫、氮氧化合物和其他有害氣體；因此，其在城市軌道交通中的應(yīng)用具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。

3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)測(cè)分析

根據(jù)全國(guó)主要城市軌道交通已批復(fù)線網(wǎng)規(guī)劃，對(duì)軌道交通2021年、2025年和2030年的高架站數(shù)量、車輛基地光伏發(fā)電面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到全國(guó)主要城市軌道交通光伏發(fā)電可利用總面積，并由此推算出未來(lái)全國(guó)主要城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量。根據(jù)如表2所示的統(tǒng)計(jì)信息，以北京地區(qū)光照峰值小時(shí)數(shù)等參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算得出全國(guó)主要城市軌道交通光伏發(fā)電2021 年、2025年和2030年的實(shí)際與預(yù)計(jì)全年發(fā)電量約為6.1 億、8.7億和10.4 億kW · h。由表1中數(shù)據(jù)可知，全國(guó)主要城市軌道交通2021年光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量約36 MWp，年發(fā)電量約4 000 萬(wàn)kW·h。基于此，2021年全國(guó)主要城市軌道交通已開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量?jī)H占可開(kāi)發(fā)容量的6%左右，說(shuō)明城市軌道交通中光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用仍有巨大的發(fā)展空間。同時(shí)，城市軌道交通新建、運(yùn)營(yíng)線路的地上車站、場(chǎng)段建筑承重、安全問(wèn)題與上蓋開(kāi)發(fā)導(dǎo)致具備可開(kāi)發(fā)條件的建筑屋頂、外立面面積較少、利用率低，也是限制光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。因此，為優(yōu)化城市軌道交通能源結(jié)構(gòu)，完成綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，太陽(yáng)能作為最適合城市軌道交通發(fā)展的綠色能源，亟需拓展新的應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 國(guó)內(nèi)城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用情況調(diào)查表

表2 全國(guó)主要城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量與發(fā)電量統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)

4 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的新場(chǎng)景應(yīng)用

4.1 應(yīng)用光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是指將光伏發(fā)電與建筑物相結(jié)合，于建筑物結(jié)構(gòu)外圍鋪設(shè)光伏器件，從而產(chǎn)生電力。結(jié)合國(guó)家部委、各地市政策和軌道交通的實(shí)際情況，光伏建筑一體化具備在軌道交通中應(yīng)用的必要性和可行性。光伏建筑一體化有2種主要模式：與建筑相結(jié)合的分布式光伏系統(tǒng)可分為附著于建筑物上的光伏系統(tǒng)（Building attached photovoltaics，BAPV）和與建筑物融為一體的光伏系統(tǒng)（Building integrated photovoltaics，BIPV）；目前城市軌道交通中應(yīng)用的主要是BAPV的形式。而B(niǎo)IPV則采用建筑材料與光伏器件相結(jié)合的形式，用光伏器件直接代替建筑材料；系統(tǒng)作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能，充分利用太陽(yáng)能發(fā)電，提高綠電使用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。在新建城軌線路具備條件的場(chǎng)所推廣應(yīng)用BIPV系統(tǒng)，將光伏組件與建筑構(gòu)件組合在一起，或?qū)⒎辖Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的光伏組件獨(dú)立作為建筑構(gòu)件，充分利用地上車站、停車場(chǎng)、車輛段、車間的建筑屋頂?shù)冗m宜場(chǎng)地空間，達(dá)到即節(jié)省建筑材料又節(jié)能減排的目的。同時(shí)，可以對(duì)既有運(yùn)營(yíng)線路地上車站車輛段、停車場(chǎng)等屋頂?shù)冉ㄖM(jìn)行荷載、光照等全方面評(píng)估，對(duì)滿足安裝條件的屋頂、玻璃、墻體進(jìn)行光伏建筑材料改造升級(jí)，全方位地開(kāi)展節(jié)能降耗和綠色能源替代行動(dòng)。

4.2 應(yīng)用光伏聲屏障

光伏聲屏障一體化是“光伏+”在城市軌道交通的一種新型應(yīng)用形式，拓展了城市軌道交通中新的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景，也是響應(yīng)國(guó)際城市軌道交通綠色發(fā)展方向以及落實(shí)國(guó)內(nèi)相關(guān)政策的重要實(shí)踐。歐洲Shift2Rail擬定的零碳運(yùn)輸路線圖12大愿景中，愿景 5“能源最佳利用”明確將軌道旁高效的分布式新能源發(fā)電技術(shù)作為系統(tǒng)新能量重要來(lái)源之一。

目前，光伏聲屏障在世界范圍內(nèi)僅在高速公路領(lǐng)域有試點(diǎn)應(yīng)用案例[8]，在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)尚未有相關(guān)成熟產(chǎn)品。結(jié)合城軌行業(yè)自身特點(diǎn)，將不同類型太陽(yáng)能組件與半封閉、全封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在不影響聲屏障的隔音性能和安全性的情況下，充分利用軌道沿線合理布局光伏發(fā)電系統(tǒng)。以光伏聲屏障作為綠電源頭，就近安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)，接入照明等設(shè)備設(shè)施，通過(guò)能量路由器形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立新型軌道交通能源互聯(lián)網(wǎng)，并強(qiáng)化“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)間協(xié)調(diào)互動(dòng)，充分挖掘系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力和需求側(cè)資源。將產(chǎn)生的綠色能源在牽引、動(dòng)照等方面進(jìn)行消納，可提升城市軌道交通的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)的綠色發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，各城市軌道交通企業(yè)也在不斷建立新的光伏發(fā)電設(shè)施，但2021年全國(guó)主要城市軌道交通已開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量?jī)H占可開(kāi)發(fā)容量的6%左右，說(shuō)明其仍有巨大的發(fā)展空間。太陽(yáng)能作為最符合城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展要求的綠色能源，只有因地制宜開(kāi)發(fā)應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)，不斷開(kāi)拓新的應(yīng)用場(chǎng)景和利用方式，構(gòu)建多能互補(bǔ)的軌道交通能源互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級(jí)利用，才能減少城市軌道交通對(duì)外購(gòu)傳統(tǒng)電能的依賴，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性減排，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)城軌力量。