在鐵路弓網(wǎng)上方安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案探討

江衛(wèi)青，武 文，江鵬程，賈麗榮

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000；2.中國海洋大學(xué)，青島 266100)

0 引言

隨著鐵路開始向現(xiàn)代物流轉(zhuǎn)型，勢必需要完善鐵路沿線的集疏運系統(tǒng)，增加現(xiàn)代物流裝具，但所需的能源消耗也將隨之增長。沿鐵路線架設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)可補充鐵路沿線的電能供應(yīng)，為鐵路的綠色、多元化發(fā)展提供支持?；诖?，本文對在鐵路弓網(wǎng)上方安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)(即光伏化弓網(wǎng))的方案進(jìn)行探討，分析采用光伏化弓網(wǎng)時，雨雪、覆冰、橫向風(fēng)、接觸線硬點對鐵路線造成的影響；對光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行對比選擇并估算發(fā)電量，簡算列車風(fēng)對光伏組件的影響；并探討如何在不影響鐵路運營的情況下，對已有鐵路弓網(wǎng)進(jìn)行光伏化改造。

1 方案簡述

以圖1所示的光伏發(fā)電系統(tǒng)為基礎(chǔ)，探討將其架設(shè)于以圖2為例的鐵路弓網(wǎng)上方的設(shè)計方案，并分析其對鐵路線的影響及其如何與既有鐵路線連接。由于光伏電力為清潔電力，且中國鐵路營業(yè)總里程已超過14萬km，因此擁有巨大的改造價值。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)示例Fig. 1 Example of PV power generation system

圖2 鐵路弓網(wǎng)示例Fig. 2 Example of railway pantograph-catenary

1.1 光伏化弓網(wǎng)設(shè)計

光伏化弓網(wǎng)是將光伏發(fā)電系統(tǒng)僅架設(shè)在鐵路弓網(wǎng)上方，兩側(cè)不封閉。該設(shè)計方案的正視圖和側(cè)視圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計方案的正視圖和側(cè)視圖Fig. 3 Front and side views of design scheme

圖3所示的光伏化弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)為雙坡門式鋼架，依據(jù)鐵路線情況也可選擇單坡門式鋼架、網(wǎng)架等其他形式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的跨距和立柱高度根據(jù)鐵路線情況調(diào)整。弓網(wǎng)的接觸線可通過吊弦懸掛于光伏發(fā)電系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的支撐梁或檁條，而定位器安裝在支撐梁上，這樣能夠避免光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與弓網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相干擾，并減少不必要的資金浪費。

1.2 光伏化弓網(wǎng)接觸線懸掛方式

傳統(tǒng)弓網(wǎng)的接觸線通過吊弦與承力索連接，以Re 330型弓網(wǎng)為例，承力索的懸掛間距(即立柱間距)可達(dá)65 m。而光伏化弓網(wǎng)的跨距(即立柱間距)通常在9 m以內(nèi)，此種情況下無需采用承力索，只需將接觸線通過吊弦安裝于光伏發(fā)電系統(tǒng)的支撐梁或檁條。光伏化弓網(wǎng)與Re 330型傳統(tǒng)弓網(wǎng)的接觸線懸掛方式對比如圖4所示，圖中展示的是側(cè)視效果。

圖4 光伏化弓網(wǎng)與Re 330型傳統(tǒng)弓網(wǎng)的接觸線懸掛方式對比Fig. 4 Comparison of catenary suspension modes between PV pantograph-catenary and Re 330 traditional pantograph-catenary

2 光伏化弓網(wǎng)對鐵路線的影響

光伏化弓網(wǎng)對鐵路線的影響主要體現(xiàn)在以下方面：1) 減少軌面雨雪對列車牽引、制動的影響；2)減少接觸線受覆冰的影響；3)降低橫向風(fēng)對接觸線的影響；4)減少接觸線硬點。

2.1 減少軌面雨雪對列車牽引、制動的影響

軌道上存在雨雪會降低列車加速度，延長制動距離，而制動距離的延長會直接影響到行車安全。因此，當(dāng)軌道上存在雨雪時，列車通常需要降低運行速度，情況嚴(yán)重時，甚至需要停運。但光伏化弓網(wǎng)可對鐵路軌道進(jìn)行遮蔽，降低雨雪對列車運行的影響。

2.2 減少接觸線受覆冰的影響

接觸線覆冰會影響受電弓與接觸線之間的相互作用，出現(xiàn)受電弓從接觸線上取流不暢、電弧燒傷供電設(shè)備等情況，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致接觸線斷開、中斷鐵路行車等。接觸線覆冰的種類及成因如表1所示[1]。

表1 接觸線覆冰的種類及成因Table 1 Types and causes of catenary icing

霧凇的形成難以避免，但其密度及附著力均低，對接觸線的影響不大，可考慮在必要時采用熱力融冰；因凍雨、雪花降落至接觸線引起的雨凇和混合凇的密度大、附著力高，對接觸線的影響較大。而光伏化弓網(wǎng)可對接觸線上方進(jìn)行遮蔽，能夠減少雨凇、混合凇的形成。

2.3 降低橫向風(fēng)對接觸線的影響

傳統(tǒng)弓網(wǎng)的立柱間距通常在30～65 m，較長的吊掛間距使接觸線受橫向風(fēng)影響嚴(yán)重，而減小吊掛間距可降低橫向風(fēng)影響。針對立柱間距分別為65 m和9 m的傳統(tǒng)弓網(wǎng)和光伏化弓網(wǎng)，對二者的跨中接觸線的最大風(fēng)偏值bmax進(jìn)行計算，計算方式示意圖如圖5所示。圖中：a為“之”字值(又稱為“拉出值”)，傳統(tǒng)弓網(wǎng)取300 mm，光伏化弓網(wǎng)取42 mm；c為光伏化弓網(wǎng)9 m立柱間距內(nèi)接觸線中心線與線路中心線的間距；d為行業(yè)通常采用的跨中接觸線最大風(fēng)偏值，mm，取500[2]；A～F均為接觸線固定點，光伏化弓網(wǎng)的固定點設(shè)置比較靈活，例如E、F之間被分為4段；圖中均為俯視圖。

圖5 傳統(tǒng)弓網(wǎng)和光伏化弓網(wǎng)的跨中接觸線的最大風(fēng)偏值計算方式示意圖Fig. 5 Schematic diagram of calculation method of maximum wind deflection of mid span catenary of traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，跨中接觸線最大風(fēng)偏值的計算式為：

式中：m為當(dāng)量系數(shù)，取0.85；Tj為第j條接觸線的額定張力，kN，取9.8；pj為第j條接觸線的風(fēng)荷載，N/m，風(fēng)速為30 m/s時，取8.53；r為支柱撓度，mm，取20；l為跨距長度，m，傳統(tǒng)弓網(wǎng)取65，光伏化弓網(wǎng)取9。

經(jīng)計算，傳統(tǒng)弓網(wǎng)跨中接觸線的最大風(fēng)偏值為468 mm，光伏化弓網(wǎng)的為78 mm。

由此可見，減小立柱間距后，跨中接觸線的最大風(fēng)偏值大幅減小，這意味著可以在上述線路中心線較遠(yuǎn)的地方設(shè)置光伏化弓網(wǎng)的接觸線固定點。

2.4 減少接觸線硬點

硬點為接觸線鉛垂方向彈性突變或底面不平順形成的點，會增加弓網(wǎng)離線概率、損傷受電弓碳滑板。硬點常見于接觸線接頭、交叉式道岔、定位器線夾處、電連接線夾處。其中，接觸線接頭、交叉式道岔形成硬點的原因為接觸線不平順，需通過加強施工來控制；定位器線夾、電連接線夾處的硬點是因鉛垂方向彈性突變產(chǎn)生，而造成鉛垂方向彈性突變的根本原因是定位器線夾、電連接線夾引起的接觸線質(zhì)量不均衡，可通過變更吊弦結(jié)構(gòu)來控制。光伏化弓網(wǎng)可由兩個固定點固定吊弦，此時吊弦呈“Y”或“V”形，該情況下可取消定位器線夾，從而減少由其引起的接觸線質(zhì)量不均衡；用支撐梁或檁條懸掛電連接線，可減少電連接線夾引起的接觸線質(zhì)量不均衡。由此可知，光伏化弓網(wǎng)可降低硬點的形成。

2.5 小結(jié)

針對傳統(tǒng)弓網(wǎng)與光伏化弓網(wǎng)對鐵路線的影響進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果如表2所示。

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，光伏化弓網(wǎng)可大幅改善鐵路線運行環(huán)境。

表2 傳統(tǒng)弓網(wǎng)與光伏化弓網(wǎng)對鐵路線的影響匯總Table 2 Summary of impact of traditional pantographcatenary and PV pantograph-catenary on railway line

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

3.1 接入方式選擇

根據(jù)用電設(shè)備的位置、并網(wǎng)需求不同，光伏化弓網(wǎng)可采用多種接入方式。文獻(xiàn)[3]介紹了德國鐵路系統(tǒng)將光伏發(fā)電直接接入牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)，但其不足之處是光伏組件性能易受到列車運行狀態(tài)的影響?，F(xiàn)階段光伏化弓網(wǎng)可參考文獻(xiàn)[4]提出的在牽引變電站的27.5 kV側(cè)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的方案。光伏化弓網(wǎng)還可安裝通信設(shè)備、鐵路安全監(jiān)測設(shè)備、融冰融雪裝置等；按需求設(shè)置電壓、頻率可為各設(shè)備供電。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的選擇

根據(jù)類型不同，逆變器主要分為集中式逆變器和組串式逆變器兩種。其中，集中式逆變器的功率通常在500～2500 kW，防護(hù)等級一般為IP20，體積較大且需在室內(nèi)安裝；組串式逆變器的功率通常在1～80 kW，防護(hù)等級一般為IP65，體積較小且可在室外臂掛式安裝。

而采用不同的逆變器類型，光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置也會有所不同。采用集中式逆變器時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置方案為：光伏組件、直流電纜、直流匯流配電柜、集中式逆變器、隔離變壓器、交流配電柜；采用組串式逆變器時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置方案為：光伏組件、直流電纜、組串式逆變器、交流配電柜。

光伏化弓網(wǎng)的光伏陣列寬度遠(yuǎn)小于其長度，若使用集中式逆變器，直流匯流難度大、成本高，且需設(shè)置機房。組串式逆變器可分散布置，且可安裝于光伏化弓網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上。因此，光伏化弓網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)宜選用組串式逆變器。

3.3 光伏組件的選用

根據(jù)材料不同，光伏組件可分為晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件、化合物半導(dǎo)體光伏組件等。對晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件的性能進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表3所示。針對表中內(nèi)容，需要說明的幾點是：1) 標(biāo)稱功率。由于薄膜光伏組件包括多種類型，其標(biāo)稱功率也會有所不同，常見的非晶硅光伏組件的為85～90 W/m2；銅銦鎵硒光伏組件的為140～150 W/m2；碲化鎘光伏組件的為 160～180 W/m2。2) 阻水遮蔽。 阻水遮蔽是指光伏組件組成光伏陣列后，對下方空間形成的遮蔽。晶體硅光伏組件安裝后鋁框之間會存在間隙，而薄膜光伏組件各邊以密封膠粘接，不存在間隙。3) 隱性裂紋。光伏組件受到較大的機械或熱應(yīng)力時，可能使其太陽電池產(chǎn)生肉眼不易察覺的隱性裂紋。太陽電池制備工藝包括硅切片步驟，導(dǎo)致晶體硅光伏組件存在隱裂可能；薄膜光伏組件通常為真空靜電鍍膜，基本不受隱裂影響。4)熱斑效應(yīng)。鳥糞等會在光伏組件上形成遮擋，串聯(lián)支路中被遮擋的太陽電池成為負(fù)載會消耗其他太陽電池產(chǎn)生的能量，造成局部溫升，可能會導(dǎo)致該塊光伏組件報廢。

表3 晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件的性能對比Table 3 Performance comparison between crystalline silicon PV modules and thin-film PV modules

從表3可以看出：晶體硅光伏組件的標(biāo)稱功率明顯較優(yōu)，但需要對阻水遮蔽、隱性裂紋及熱斑效應(yīng)多加關(guān)注。

3.4 列車風(fēng)情況下光伏組件的仿真計算

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)架設(shè)在鐵路線上方，必須考慮列車運行引起的風(fēng)荷載是否會影響到光伏組件的安全。利用FLUENT軟件對橫向風(fēng)時兩輛列車明線會車時的情況進(jìn)行仿真計算。本文參考文獻(xiàn)[5]，選擇如圖6所示的計算流場區(qū)域，計算模型中光伏組件的高度、車體高度等相關(guān)尺寸的選擇如圖7所示。

圖6 計算流場區(qū)域Fig. 6 Computational flow field area

圖7 計算模型取值Fig. 7 Values of calculation model

參考文獻(xiàn)[6]，選擇兩輛列車等速會車時速為 350 km/h，橫向風(fēng)速為18 m/s。以動網(wǎng)格技術(shù)，對會車過程中光伏組件所受的壓強進(jìn)行監(jiān)控，光伏組件所受壓強最大值出現(xiàn)在兩車車頭剛開始交錯時，此時兩車頭及光伏組件壓強云圖如圖8所示。

由圖8可知：光伏組件所受最大壓強為1484 Pa，小于光伏組件許用壓強 2400 Pa[7]。由此可知，選擇合適的架設(shè)高度時，光伏組件能夠承受兩車交會形成的列車風(fēng)；在實際安裝時光伏組件需按鐵路光照環(huán)境設(shè)置傾角，本文不再展開計算。

圖8 兩車頭及光伏組件壓強云圖Fig. 8 Pressure nephogram of two headstocks and PV modules

3.5 發(fā)電量估算

光伏化弓網(wǎng)中光伏組件安裝傾角需優(yōu)先滿足鐵路光照環(huán)境需求，不能按照最大發(fā)電量時的最佳安裝傾角進(jìn)行布置。按覆蓋兩條鐵路線的光伏陣列寬度為14 m考慮，每米光伏鐵路線可布置裝機容量為1200 W的薄膜光伏組件，以青島的光照資源計算，每年可發(fā)電約1400 kWh；相同條件下，采用晶體硅光伏組件每年可發(fā)電超過2000 kWh。

4 弓網(wǎng)的光伏化改造

建設(shè)光伏化弓網(wǎng)，需分別考慮新建鐵路線和運營中的已有鐵路線這兩種情況。

新建鐵路線宜從規(guī)劃之初即考慮光伏化弓網(wǎng)建設(shè)。運營中的已有鐵路需視情況進(jìn)行光伏化改造設(shè)計：架空軌道、鐵路橋等，未預(yù)留荷載余量及安裝所需接口，不宜進(jìn)行光伏化改造；單軌、多軌的鐵路正線(包含限速段)適宜布置光伏化弓網(wǎng)。為不影響鐵路的運營，需控制改造時長(例如1個夜晚)，對運營中的已有線路進(jìn)行光伏化改造時宜分段進(jìn)行。

4.1 過渡結(jié)構(gòu)

設(shè)置1套過渡結(jié)構(gòu)同時連接傳統(tǒng)弓網(wǎng)及光伏化弓網(wǎng)，用以實現(xiàn)鐵路線的分段改造。傳統(tǒng)弓網(wǎng)與光伏化弓網(wǎng)的連接如圖9所示，具體的實現(xiàn)方式為：在光伏化弓網(wǎng)設(shè)置弓網(wǎng)過渡件，傳統(tǒng)弓網(wǎng)的承力索連接到弓網(wǎng)過渡件，傳統(tǒng)弓網(wǎng)的接觸線與光伏化弓網(wǎng)的接觸線相連。

圖9 傳統(tǒng)弓網(wǎng)與光伏化弓網(wǎng)的連接Fig. 9 Connection between traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

4.2 模塊化安裝設(shè)計

光伏化弓網(wǎng)需要將光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝在弓網(wǎng)上方，安裝位置高、安裝難度大。常規(guī)施工順序為：立柱→橫梁→檁條→光伏組件→電纜→逆變器→弓網(wǎng)→光伏發(fā)電系統(tǒng)→光伏化弓網(wǎng)測試，但這種施工順序會長時間占用鐵路線，不宜采取。光伏化弓網(wǎng)宜采取模塊化施工方案，如圖10所示，施工順序為：立柱→頂部模塊→弓網(wǎng)安裝及測試，其中，頂部模塊可先在地面組裝好。

圖10 光伏化弓網(wǎng)模塊化施工方案Fig. 10 Modular construction scheme of PV pantograph-catenary

光伏化弓網(wǎng)模塊化施工方案具體步驟如下：

1)在鐵路線旁完成光伏化弓網(wǎng)的基礎(chǔ)施工、立柱安裝。立柱安裝后，安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)用逆變器的外部接口，比如安裝交流配電系統(tǒng)，做好并入電網(wǎng)的準(zhǔn)備。

2)在廠房或鐵路線附近，將支撐梁、檁條、光伏組件、電纜、逆變器、弓網(wǎng)吊掛需要的安裝件組成頂部模塊。頂部模塊可進(jìn)行防水測試、光伏發(fā)電測試。

3)頂部模塊安裝至立柱上，安裝弓網(wǎng)并測試。

若鐵路線中使用到剛性接觸線、通信設(shè)備、鐵路安全監(jiān)測設(shè)備、融冰融雪裝置時，可將其作為頂部模塊的一部分，隨頂部模塊一起安裝至立柱上。

4.3 光伏化弓網(wǎng)損壞后的緊急修復(fù)

針對鐵路運營過程中光伏化弓網(wǎng)可能發(fā)生的意外受損情況，需要制定緊急修復(fù)方案，比如準(zhǔn)備輕便易安裝的簡易結(jié)構(gòu)，在受損后先使用簡易結(jié)構(gòu)恢復(fù)接觸線，然后在條件允許時修復(fù)光伏化弓網(wǎng)。

5 結(jié)論

本文對在鐵路弓網(wǎng)上方安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)(即光伏化弓網(wǎng))的方案進(jìn)行了探討，分析采用光伏化弓網(wǎng)時，雨雪、覆冰、橫向風(fēng)、接觸線硬點對鐵路線造成的影響；對光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備進(jìn)行了對比選擇，并探討了如何在不影響鐵路運營的情況下，對已有的鐵路弓網(wǎng)進(jìn)行光伏化改造。分析結(jié)果顯示：光伏化弓網(wǎng)能夠降低雨雪、覆冰、橫向風(fēng)、接觸線硬點對鐵路運行的影響，且易于安裝、維護(hù)，具有較高的實用價值。但將其投入實際運用還需進(jìn)行多種測試，比如：會車情況下光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)力檢測、受電弓接觸力測試等。