光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

韓玉雙，劉 盼，吳玉肖

（1.山東軌道交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.浪潮軟件集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引 言

近年來(lái)，全球能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，生態(tài)環(huán)境與氣侯問題日趨嚴(yán)重，加速推進(jìn)可再生能源發(fā)展已成為全世界各國(guó)應(yīng)對(duì)氣侯變化、維護(hù)能源安全、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。大力推進(jìn)可再生新能源發(fā)展，有助于改進(jìn)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)、能源、環(huán)境與氣候的協(xié)調(diào)發(fā)展，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。太陽(yáng)能作為清潔、可再生、無(wú)污染的能源正越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注與親睞。軌道交通是能源消耗和碳排放的重要行業(yè)，安全高效、綠色低碳是交通運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展的全球共識(shí)，推進(jìn)軌道交通能源結(jié)構(gòu)變革勢(shì)在必行[1]。

1 光伏發(fā)電的意義和必要性

1.1 保護(hù)環(huán)境，緩解能源壓力

無(wú)節(jié)制地大規(guī)模開發(fā)利用化石燃料，不僅加劇了環(huán)境、氣候問題，而且加速了這些寶貴資源的消耗。與核電、生物質(zhì)能發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù)相比，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電過程最潔凈；與風(fēng)電、水電相比，光伏發(fā)電的資源最豐富。在可再生能源發(fā)電技術(shù)中，光伏發(fā)電技術(shù)具有理想的可持續(xù)發(fā)展特征[2]。

1.2 開發(fā)利用可再生能源符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方向

我國(guó)地大物博，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)。我國(guó)能源以傳統(tǒng)化石燃料為主，是世界上最大的煤炭消費(fèi)國(guó)，對(duì)化石燃料能源的過度依賴和過度開采，已對(duì)我國(guó)的環(huán)境造成了巨大的破壞，并對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)經(jīng)造成了很大的負(fù)面影響。因此，加快能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整步伐，加速提升清潔能源的開發(fā)能力成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)改革的主要任務(wù)和工作重點(diǎn)。

國(guó)家能源局錨定雙碳目標(biāo)，多措并舉，以水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等工程為著力點(diǎn)，加速可再生清潔能源的開發(fā)，推動(dòng)可再生能源躍升發(fā)展。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2023 年12 月，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘吭賱?chuàng)新高，增長(zhǎng)至1.45×109kW，超過火電裝機(jī)容量，成為我國(guó)保障電力供應(yīng)的新力量。

1.3 開發(fā)利用可再生能源是必由之路

我國(guó)的電力供需基本平衡，但近年來(lái)迎峰度夏期間的電力保供問題引起了廣泛關(guān)注，電力供應(yīng)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，多地先后執(zhí)行負(fù)荷管理措施。目前，我國(guó)能耗需求日益增長(zhǎng)，但天然氣資源、石油資源以及煤炭資源等不可再生化石資源的存量日益減少，因此必須加速新能源的開發(fā)利用，以可再生清潔能源取代日趨枯竭的化石能源。

1.4 響應(yīng)國(guó)家政策

近年來(lái)，我國(guó)陸續(xù)出臺(tái)了一系列規(guī)劃性和實(shí)施性指導(dǎo)文件，對(duì)綠色能源的轉(zhuǎn)型、碳達(dá)峰、碳中和等工作規(guī)劃了明確的目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》和山東省交通運(yùn)輸廳發(fā)布的2023 年全省交通運(yùn)輸工作要點(diǎn)（工作計(jì)劃）中明確指出，鼓勵(lì)在交通樞紐場(chǎng)站、鐵路沿線、公路沿線以及高速公路邊坡合理布置光伏發(fā)電設(shè)施，持續(xù)推進(jìn)新能源、清潔能源在交通領(lǐng)域的布局和應(yīng)用。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)日趨成熟，為光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用提供了良好的技術(shù)條件。同時(shí)，軌道交通具有發(fā)展分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的先天優(yōu)勢(shì)，高架車站、車輛段和停車場(chǎng)均提供了充足的屋頂資源，并且軌道交通的用電負(fù)荷較為穩(wěn)定，光伏發(fā)電與負(fù)荷需求步調(diào)基本一致，匹配程度較高，能夠較好地消納當(dāng)?shù)氐墓夥娏?。因此，光伏發(fā)電在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用逐年攀升[3]。

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)與高鐵車站的融合

北京南站是國(guó)內(nèi)首次采用太陽(yáng)能發(fā)電的大型火車站，該項(xiàng)目的落成拉開了我國(guó)建設(shè)綠色樞紐站場(chǎng)的大幕。亞洲最大高鐵站雄安高鐵站的車站房屋面建設(shè)光伏項(xiàng)目，共鋪設(shè)42 000 m2光伏組件，總裝機(jī)容量為6 MW，每年可發(fā)電量達(dá)5.8×106kW·h 左右，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，能夠?yàn)樵摳哞F站提供20%的綠色電力。上海虹橋站、杭州東站、武漢站、濟(jì)青高速鐵路項(xiàng)目4 座車站以及濟(jì)萊高速鐵路項(xiàng)目5 座車站均設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)。除上述高鐵站外，國(guó)內(nèi)還有許多高鐵站配置了光伏發(fā)電項(xiàng)目?！肮夥?高鐵”模式正在全國(guó)各地快速落地推進(jìn)，這是我國(guó)積極應(yīng)對(duì)氣候變化、推進(jìn)新能源發(fā)展的舉措。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)與城市軌道交通的交融

早在2018 年，上海申通地鐵股份有限公司就特地全資投資設(shè)立了上海地鐵新能源有限公司，統(tǒng)籌整合內(nèi)部資源，實(shí)行專業(yè)統(tǒng)一化管理，專門負(fù)責(zé)開展軌道交通領(lǐng)域的光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)、節(jié)能改造等相關(guān)業(yè)務(wù)。至今，上海地鐵已建成16 個(gè)車輛基地光伏發(fā)電系統(tǒng)，且均已完成并網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，總裝機(jī)容量合計(jì)約43.3 MW。隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)容量逐年攀升。全國(guó)各地城市軌道交通中光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)情況如表1 所示。

表1 城市軌道交通領(lǐng)域光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)情況

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的設(shè)計(jì)方案

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、直流匯流箱、逆變器、交流并網(wǎng)柜以及光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)等組成。其中，光伏組件為能量轉(zhuǎn)換器件，能夠吸收光能，利用半導(dǎo)體的界面產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)，在光伏電池板的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。直流匯流箱將若干個(gè)同一規(guī)格的光伏組件串聯(lián)起來(lái)，組成光伏串列，然后再將一定數(shù)量光伏串列以并聯(lián)形式接入直流匯流箱，在直流匯流箱內(nèi)匯流后，通過逆變器、交流并網(wǎng)柜并入電網(wǎng)。逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷脑O(shè)備，具備較為完善的保護(hù)功能[4]。光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線將光伏發(fā)電系統(tǒng)各設(shè)備連接起來(lái)，數(shù)據(jù)采集器對(duì)各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并上傳到本地電腦或網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，管理人員可以在本地電腦端或網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查看實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，便于遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)和管理，無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)逐臺(tái)查看設(shè)備的狀況，可節(jié)約大量人力運(yùn)維成本。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

首先，安全性是以安全可靠、便于運(yùn)維為前提。施工過程中要保證絕對(duì)安全，不能給建筑物內(nèi)的其他用電設(shè)備帶來(lái)安全隱患，方便施工的同時(shí)應(yīng)利于維護(hù)，盡可能減少運(yùn)行中的維修維護(hù)成本。其次，美觀性是在維持建筑原有風(fēng)格和外觀造型的前提下，設(shè)計(jì)光伏組件陣列的布局，與建筑結(jié)合，美觀大方。最后，高效性是光伏發(fā)電系統(tǒng)在考慮安全、美觀的前提下，提高光伏組件的利用效率，在給定的安裝面積內(nèi)充分利用太陽(yáng)能，提高系統(tǒng)發(fā)電量。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在高架車站的屋頂設(shè)置光伏組件，標(biāo)準(zhǔn)站每站可設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量約為200 kW。每座高架車站的動(dòng)力照明用電總負(fù)荷約為750 ～900 kW，車站用電需求遠(yuǎn)大于光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量，并且用電負(fù)荷具有穩(wěn)定性、持續(xù)性，車站光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量可完全被消納，因此采用“自發(fā)自用”模式。在車站變電所低壓側(cè)0.4 kV 并網(wǎng)，每站的年均發(fā)電量約200 000 kW·h。

車輛基地運(yùn)用庫(kù)、檢修庫(kù)等屋面資源豐富，且平整開闊，每個(gè)車輛基地屋頂可利用面積約為30 000 ～50 000 m2，裝機(jī)容量約為4.5 ～7.5 MW，可采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”并網(wǎng)模式，接入車輛基地各個(gè)變電所（牽引降壓混合變電所、跟隨式降壓變電所）0.4 kV 低壓側(cè)并網(wǎng)，或經(jīng)過升壓變壓器接入混合變電所35 kV 高壓側(cè)并網(wǎng)[5]。車輛基地的年均發(fā)電量約是4 500 000 ～7 500 000。

推薦屋面采用直立鎖邊金屬板，便于利用夾具鎖住直立卷邊來(lái)固定光伏組件，此方案無(wú)須預(yù)留預(yù)埋，安裝靈活且避免破壞屋面。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷接地措施應(yīng)安全可靠，需同時(shí)設(shè)置交流防雷裝置與直流防雷裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)和主體建筑的防雷接地系統(tǒng)可靠聯(lián)結(jié)為一體，可有效防止雷擊，以確保系統(tǒng)與設(shè)備正常運(yùn)行，保證人身安全。

4 光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益分析

以10 000 m2屋頂面積為例，光伏裝機(jī)容量約為1 MW，光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命為25 年，光伏功率的首年衰減率為2%，往后每年衰減率為0 55%。該系統(tǒng)25 年的收益如表2 所示。

表2 1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)的收益

建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的收益分析如下：根據(jù)現(xiàn)階段市場(chǎng)調(diào)研，1 MW 光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)投資約為4×106元，經(jīng)收益分析計(jì)算，投資回收年限為55 年，25 年累計(jì)發(fā)電量約為2.48×107kW·h，總收益約為1.735 1×107元，凈收益為1.335 1×107元。綜上，軌道交通新建線路在車輛段/停車場(chǎng)大庫(kù)及高架車站建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)能源的同時(shí)，降本增效效果顯著。

5 社會(huì)及環(huán)境效益

隨著全球能耗需求的快速增長(zhǎng)，過度開采與排放加劇了生態(tài)環(huán)境惡化，減排紛爭(zhēng)愈演愈烈，已引起全球各界的關(guān)注，如何解決發(fā)展與環(huán)境的矛盾已不再是各國(guó)的自身問題，降碳減排成為全球各國(guó)的目標(biāo)和義務(wù)，共擔(dān)時(shí)代責(zé)任，共促全球可持續(xù)發(fā)展迫在眉睫。加快發(fā)展風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能以及太陽(yáng)能等可再生能源的利用是推進(jìn)我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

可再生能源中，太陽(yáng)能資源分布范圍廣泛，是目前最豐富的清潔型可再生能源，并且光伏發(fā)電過程無(wú)噪聲、無(wú)污染排放，安全可靠。充分發(fā)展利用光伏發(fā)電系統(tǒng)，既可減少石化能源的消耗，完成節(jié)能減排指標(biāo)，又減少了環(huán)境污染，維護(hù)了生態(tài)環(huán)境，改善了溫室效應(yīng)，社會(huì)及環(huán)境效益顯著。

6 結(jié) 論

目前，我國(guó)光伏發(fā)電技術(shù)快速迭代，產(chǎn)品單價(jià)逐年遞減，單位面積光伏組件的裝機(jī)容量持續(xù)提升，光伏發(fā)電系統(tǒng)全生命周期收益程上升趨勢(shì)。隨著軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)程持續(xù)加快，光伏發(fā)電系統(tǒng)的總裝機(jī)容量躍升式增長(zhǎng)，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，加速推進(jìn)了軌道交通的碳達(dá)峰、碳中和工作，起到了節(jié)能減排示范和宣傳作用。