中國儲能網(wǎng)訊：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營線路，并有多個城市已開工或規(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)勢和特點
利用太陽能進行發(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)在向負荷供電時，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，不受安裝地點的限制，只要太陽能夠達到的地方，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，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)負荷選取，不受外部電源的限制。特別是一些容量小的照明負荷，可獨立成系統(tǒng)，特別靈活實用。
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、保護和節(jié)約土地、靈活配置發(fā)電容量的優(yōu)勢和特點。
2.城市軌道交通各類用電負荷分析
城市軌道交通用電負荷較多，但根據(jù)不同用途及性質(zhì)可歸為3類負荷：
（1）軌道交通車輛牽引供電負荷。
該類負荷主要是向軌道交通車輛提供驅(qū)動電源及車體內(nèi)部的低壓機電負荷電源，所需容量最大，一般一個牽引變電所約在2×2500～2×3000kV.A左右。
（2）軌道交通運營動力負荷。
該類負荷主要是車站及區(qū)間內(nèi)為保證地鐵正常、安全運營而所需的一些機電設(shè)備、通信信號設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等，其負荷容量較大，每座地下車站約在1000~1200kW；高架車站約在200~350kW。
（3）軌道交通運營照明負荷。
該類負荷主要是運營所需的各類正常照明、應(yīng)急照明、指示照明、廣告照明等，其負荷容量較小，每座地下車站約在200~300kW；高架車站約在120~180kW。
另外，每條地鐵線路都有一個車輛段和停車場，其中有不少動力負荷和照明負荷，特別是車庫內(nèi)的照明負荷和車場內(nèi)的路燈照明負荷容量較大。
上述用電負荷中，牽引負荷、通信信號、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負荷。
從負荷分類可以看出，牽引負荷用電不僅容量大，且是行車負荷，必須有極高的可靠性；動力負荷中部分為行車及消防負荷，容量也較大，可靠性也必須保證；照明負荷中的應(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，這些負荷仍采用傳統(tǒng)電力供電系統(tǒng)是比較合理的，因為必須保證這些負荷用電的高可靠性。但相對這些重要負荷，車站內(nèi)的三級負荷、正常照明和一般的機電負荷，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)合實際建筑條件，共同實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)功能。要實現(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)用電負荷為三級負荷、一般機電負荷或一般照明負荷等，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、建筑樣式、負荷類型等，能夠滿足上述條件一的，主要有高架站、車輛段、停車場、地下站出入口等地方；滿足上述條件二的，主要有車站二三級通風(fēng)負荷、檢修電源負荷、廣告照明、一般照明、車場內(nèi)道路照明、地下站出入口集散廣場照明、室外地徽導(dǎo)向負荷等。
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營線路，并有多個城市已開工或規(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，更對指導(dǎo)新建軌道交通工程具有重要參考意義。
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)用較多的是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要是邊遠地區(qū)送電困難且用電需求并不是特別高的負荷，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)用的有國家體育場鳥巢太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、深圳園博會光伏發(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，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）。
（2）無逆流型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)只向負載供電，富裕電能不能輸向電網(wǎng)，當(dāng)太陽能光伏系統(tǒng)不能滿足負載用電需求時，則從電力系統(tǒng)電網(wǎng)獲得電能以滿足負載要求。該種系統(tǒng)對負載的計算精確度要求較高，否則產(chǎn)生的電能既不能儲存也不能輸入電網(wǎng)，不僅不利于設(shè)備運行，還是一種能源浪費（圖2）。
（3）切換型并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要是增加了蓄電池儲能裝置，正常情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接向負載供電，當(dāng)日照或連續(xù)陰雨天時，由切換器直接切換至電力系統(tǒng)電源向負載供電，儲能裝置進行光伏電源儲能。該種系統(tǒng)主要應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)容量較小、負載容量及蓄電池容量較小的系統(tǒng)（圖3）。
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)會在各類工程中應(yīng)用，城市軌道交通工程的應(yīng)用也會越來越普及，范圍也會越來越廣泛。
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，站臺層為地上2層，部分車站還有3層或單獨的設(shè)備層，主要是一些較大的換乘站，整體建筑面積在5000～6500m2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1000～1500m2左右。
考慮車站的位置，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800～1200m2之間。以245Wp的多晶電池板和1000m2有效面積并結(jié)合上海地區(qū)太陽光年輻射量計算，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)=1000×5550.1×0.66=3663066（MJ）=1025658.48（kW˙h）即平均每天可輸出電能約2810kW.h，這些電能完全能夠滿足高架車站的照明及三級負荷用電。
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)置蓄電池儲能裝置，將整體光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計成切換型并網(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)的補充和備用，在負載進線處設(shè)置電源切換裝置，不僅能夠達到利用光伏電源節(jié)能的目的，還能保證供電的可靠性。
5.2車輛段停車場應(yīng)用方案
車輛段停車場主要建筑是列檢庫、運用庫、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，一座車輛段或停車場的占地面積在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內(nèi)用電負荷供電，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)，向其他負荷提供光伏電源。
此外，車輛段及停車場內(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，并設(shè)置時間或亮度控制模式，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號線馬泉營車輛段室外路燈已采用該方案，目前已成功運行，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)及進出車場的區(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)間檢修負荷，這2種負荷均在線路故障或者平時檢修時使用，負荷容量不大。對于高架區(qū)間照明負荷，完全可采用燈具和光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)合的模式進行設(shè)計，燈具各自獨立成一套系統(tǒng)，互不影響。
對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。
5.4地下站出入口集散廣場應(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，部分車站有自行車停車場及汽車停車位。出入口主要用電負荷是地面廳照明、軌道交通地徽導(dǎo)向照明、自行車停車場及汽車停車位照明。上述照明均為一般負荷，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，采用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)向地面廳照明及地徽進行供電；集散廣場、自行車停車場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，未來項目更注重節(jié)能減排和降耗，利用新技術(shù)新能源是重點研究與發(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、控制保護技術(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，保護環(huán)境，值得推廣應(yīng)用。
原標(biāo)題:光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用研究（上）
