光伏發(fā)電系統(tǒng)在濟(jì)南地鐵1號線 高架車站的應(yīng)用

孫二杰

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，濟(jì)南 250000)

0 引言

太陽能是目前最豐富的、清潔的可再生能源，但根據(jù)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2021》提供的數(shù)據(jù)，2020年太陽能發(fā)電量僅占中國各類能源總發(fā)電量的3.4%，因此，應(yīng)盡可能利用太陽能，提高其利用率。光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池的光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)[1]。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與軌道交通車站相結(jié)合是一個新的嘗試，完全符合國家節(jié)能降耗的號召?；诖耍疚囊詽?jì)南地鐵1號線高架車站為例，對光伏發(fā)電系統(tǒng)在該高架車站應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析[2]，并對應(yīng)用于該高架車站的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件、光伏支架、逆變器的選型，光伏并網(wǎng)方式設(shè)計，光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等進(jìn)行闡述；最后對該高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行分析[3]。

1 背景介紹

濟(jì)南地鐵1號線大致呈南北走向，共設(shè)有11座車站，其中，高架車站7座。高架車站屋頂中間位置設(shè)置有采光天窗，其剖面圖如圖1所示。

圖1 高架車站剖面圖Fig. 1 Sectional view of elevated station

采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的高架車站的效果圖如圖2所示。將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于濟(jì)南地鐵1號線高架車站完全符合濟(jì)南“安全地鐵、綠色地鐵、智慧地鐵、品質(zhì)地鐵”的理念，對其他城市后續(xù)建設(shè)軌道交通有一定的參考、借鑒作用。

圖2 采用光伏發(fā)電系統(tǒng)的高架車站的效果圖Fig. 2 Rendering of elevated station with PV power generation system

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光伏組件選型

光伏組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，其選型決定了整個發(fā)電系統(tǒng)的成本及發(fā)電效率[3]。目前，應(yīng)用比較廣泛的光伏組件類型為晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件。其中，晶體硅光伏組件主要包括單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，薄膜光伏組件主要包括非晶硅光伏組件、碲化鎘光伏組件和銅銦鎵硒光伏組件[4]。不同類型光伏組件的性能對比如表1所示。

表1 不同類型光伏組件的性能對比[5-6]Table 1 Performance comparison of different types of PV modules

綜合投資成本、光電轉(zhuǎn)換效率及國產(chǎn)化率等因素，本項(xiàng)目采用技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、光電轉(zhuǎn)換效率高的多晶硅光伏組件。

2.2 逆變器選型

目前，市場上的逆變器種類主要包括集中式逆變器和組串式逆變器，這兩種逆變器的優(yōu)、缺點(diǎn)對比如表2所示。

表 2 兩種逆變器的優(yōu)、缺點(diǎn)對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of two kinds of inverters

由于本光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量較小且場地分散，所需逆變器的數(shù)量較少，組串式逆變器造價高和維護(hù)點(diǎn)分散的劣勢不明顯。綜合考慮后最終選擇使用33 kW組串式逆變器。

2.3 光伏支架選型

根據(jù)安裝方式不同，光伏支架主要可分為固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架[7]。按材質(zhì)不同，固定式光伏支架可采用鋁合金或熱浸鍍鋅鋼。不同材質(zhì)固定式光伏支架的性能對比如表3所示。

表3 不同材質(zhì)固定式光伏支架的性能對比Table 3 Performance comparison of fixed PV supports made of different materials

綜合考慮本光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模、特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性后，最終選擇采用熱浸鍍鋅鋼材質(zhì)的固定式光伏支架。

2.4 光伏組串設(shè)計

同一光伏方陣中，各光伏組串的電性能參數(shù)宜保持一致[8]。根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》，光伏組串中光伏組件串聯(lián)數(shù)N(N取整)的計算式為：

式中：Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數(shù)；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmp,max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmp,min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

由于光伏組件的工作電壓溫度系數(shù)對整個計算過程的影響較小，且該參數(shù)值很多廠家無法提供，為便于計算，該參數(shù)由開路電壓溫度系數(shù)代替。晶體硅光伏組件的工作溫度范圍為-40～85 ℃，最大功率溫度系數(shù)為-0.42%/℃，開路電壓溫度系數(shù)為-0.32%/℃，短路電流溫度系數(shù)為0.05%/℃。

通過式(1)計算得到N≤21，通過式(2)計算得到13≤N≤21。為達(dá)到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)和布置合理化，本光伏發(fā)電系統(tǒng)中每串光伏組串的光伏組件串聯(lián)數(shù)取20塊。1座高架車站的屋面可放置480塊285 Wp的光伏組件；20塊光伏組件為1個光伏組串，共24串，總裝機(jī)容量為127.2 kWp。

7座高架車站的屋面均采用的是1 mm厚的鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面，中間設(shè)置有采光天窗，天窗采用的是中空夾膠玻璃；該屋面為坡屋面，坡度為15°。光伏組件平鋪在坡屋面上，通過金屬夾具與屋面本身的金屬結(jié)合，無需打孔安裝，保證了屋面的完整性。1座高架車站屋面上光伏組件的布置方式如圖3所示。

發(fā)燒是人體的自我保護(hù)機(jī)制之一，是人體在調(diào)動免疫系統(tǒng)對抗疾病的過程中表現(xiàn)出來的一種癥狀，因此發(fā)燒不完全是壞事兒。很多種疾病都可能引起發(fā)燒，體溫的高低與疾病的嚴(yán)重程度也不一定成正比。個人的體質(zhì)不同，體溫調(diào)節(jié)的敏感度也會不同，有的人輕微感冒就能燒很高，有的人即使嚴(yán)重感染了也不見得有很高的體溫。這里說的“感染”可能是病毒感染，也可能是細(xì)菌等其他病原體感染。

圖3 1座高架車站屋面上光伏組件的布置方式Fig. 3 Layout of PV modules on the roof of one elevated station

2.5 并網(wǎng)方案

本光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方式可采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”和“全額上網(wǎng)”兩種模式[9]。根據(jù)并網(wǎng)電壓等級不同，又可分為低壓并網(wǎng)和高壓并網(wǎng)。地鐵車站可以選擇在400 V側(cè)低壓并網(wǎng)，也可以在35 kV側(cè)高壓并網(wǎng)，1個高架車站的負(fù)荷約為990 kW，用戶側(cè)用電負(fù)荷較大，且用電負(fù)荷持續(xù)、穩(wěn)定。由于1個高架車站的光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為127.2 kWp，車站用電量足以消耗光伏發(fā)電量，因此采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式和400 V側(cè)低壓并網(wǎng)方式。高架車站的變壓器采用2×350 kVA的形式，考慮到單個高架車站的光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，因此全部并到400 V側(cè)的II段。高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)示意圖如圖4所示。

圖4 高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)示意圖Fig. 4 Grid connection diagram of PV power generation system in elevated station

2.6 光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

光伏監(jiān)控系統(tǒng)主要由計量監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)中心軟件組成。其中，計量監(jiān)測設(shè)備包括室外溫度傳感器、太陽總輻射傳感器、光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量監(jiān)測電表等。光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要被監(jiān)測的設(shè)備主要包括逆變器、匯流箱、配電設(shè)備等。光伏監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖如圖5所示。

圖5 光伏監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖Fig. 5 Network diagram of PV monitoring system

光伏監(jiān)控系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，縮短排查故障及修復(fù)故障的時間，從而延長光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效發(fā)電時間。光伏組件表面的太陽輻照度、光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量同太陽輻照度的吻合度及光伏發(fā)電系統(tǒng)的能效比等都在監(jiān)控范圍內(nèi)。光伏監(jiān)控系統(tǒng)通過比對光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際的日發(fā)電量和根據(jù)當(dāng)天環(huán)境條件計算的應(yīng)發(fā)電量來判斷光伏發(fā)電系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。

光伏監(jiān)控系統(tǒng)能在線協(xié)助檢查光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的性能，采集和評價全部氣象數(shù)據(jù)和設(shè)備產(chǎn)能情況，并顯示在計算機(jī)屏幕上，由此可以快速簡便地查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)界面如圖6所示。

圖6 光伏監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)界面Fig. 6 Data interface of PV monitoring system

3 發(fā)電量分析

每座高架車站的屋面面積均約為3000 m2，采光天窗面積約為500 m2，考慮到安裝安全性、后期檢修的便利性，光伏組件的有效安裝面積約為 825 m2。由于1#車站的方位角(即車站坐標(biāo)點(diǎn)縱軸順時針方向到車站長度方向中心線間的夾角)問題，僅在其南側(cè)坡屋面進(jìn)行光伏組件安裝，總裝機(jī)容量為63.6 kWp，而其余車站的總裝機(jī)容量均為127.2 kWp。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后，7座高架車站(1#車站～7#車站)近30個月的年均發(fā)電量情況如表4所示。

濟(jì)南地區(qū)的年有效利用小時數(shù)按2500 h計算，結(jié)合表4中的數(shù)據(jù)及廠家提供的光伏組件性能參數(shù)，再考慮到光伏組件性能衰減等各種影響因素，濟(jì)南地鐵1號線7座高架車站在25 年內(nèi)的年均發(fā)電量預(yù)計可達(dá)90.54 萬kWh，具體如表5所示。

表4 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行后，7座高架車站近30個月的年均發(fā)電量情況Table 4 After PV power generation system is connected to grid, average annual power generation capacity of seven elevated stations in the past 30 months

表5 7座高架車站在25 年內(nèi)的年均發(fā)電量及節(jié)能減排預(yù)測Table 5 Forecast of average annual power generation capacity and energy conservation and emission reduction of seven elevated stations in 25 years

濟(jì)南地鐵電價按照0.57元/kWh計算，平均每年可節(jié)約電費(fèi)51.6萬元，結(jié)合本項(xiàng)目的中標(biāo)價格6.74元/kWh，即使不考慮政府補(bǔ)貼，靜態(tài)投資回收期也僅為10.26年；25年可節(jié)約電費(fèi)1290萬元，除去初始投資，可實(shí)行盈利678.17萬元。

4 建議

2)高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)受制于車站屋面面積，裝機(jī)容量較小，應(yīng)采用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，建議采用傾角不可調(diào)的固定式光伏支架；基于光伏發(fā)電量及車站用電量，建議采用“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”模式和低壓并網(wǎng)方式。

3)考慮建筑整體效果，對于車站兩側(cè)坡屋面，光伏組件建議采用平鋪布置。若車站屋面未設(shè)置采光天窗，平屋面情況下，光伏組件傾角需通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析后再確定[3]。

4)為確保車站防水，安裝光伏組件時應(yīng)以不破壞原有屋面為原則。

5)為便于維護(hù)光伏組件，屋面建議設(shè)置沖水龍頭，以便于日常的沖洗維護(hù)，提高光伏電站發(fā)電效率。

5 結(jié)論

本文以濟(jì)南地鐵1號線高架車站為例，對光伏發(fā)電系統(tǒng)在該高架車站應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，并對應(yīng)用于該高架車站的光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏組件、光伏支架、逆變器的選型，光伏并網(wǎng)方式設(shè)計，光伏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等進(jìn)行了闡述；最后對該高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：濟(jì)南地鐵1號線在25 年內(nèi)的年均發(fā)電量預(yù)計可達(dá)90.54 萬kWh，年均效益可達(dá)51.6萬元，25年可盈利678.17萬元，10年左右即可收回成本；NOx、CO2、SO2的年減排量分別為12.35、820.90、24.76 t，具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。