中國儲能網(wǎng)訊：城市軌道交通近年來在國內大中城市普遍發(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，根據(jù)相關規(guī)劃，未來幾年將是城市軌道交通發(fā)展建設的高峰期。
如何將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和城市軌道交通建設結合起來，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、開關柜等電力設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。大城市內建筑物和太陽能電池組件一體化建設時，不僅能夠美化建筑的結構和外觀，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動電源及車體內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)間內為保證地鐵正常、安全運營而所需的一些機電設備、通信信號設備、監(jiān)控設備等，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，特別是車庫內的照明負荷和車場內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、消防監(jiān)控、應急照明等是與行車及消防相關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，配備必要的發(fā)輸電設備，并結合實際建筑條件，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)電設施。
（2）車站內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負荷、檢修電源負荷、廣告照明、一般照明、車場內道路照明、地下站出入口集散廣場照明、室外地徽導向負荷等。
城市軌道交通近年來在國內大中城市普遍發(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，根據(jù)相關規(guī)劃，未來幾年將是城市軌道交通發(fā)展建設的高峰期。
如何將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和城市軌道交通建設結合起來，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)在國內外應用
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)會在各類工程中應用，城市軌道交通工程的應用也會越來越普及，范圍也會越來越廣泛。
5.光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通中的應用方案
5.1高架車站應用方案
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，在設備房間內設置蓄電池儲能裝置，將整體光伏發(fā)電系統(tǒng)設計成切換型并網(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、蓄電池等整體設計，并設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)間應用方案
軌道交通線路在市區(qū)內一般為地下走線，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)整體結合的模式進行設計，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.結語
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)近年來在國內飛速發(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)技術的日趨先進和發(fā)展為其在國內工程建設領域的應用奠定了基礎。
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，利用新技術新能源是重點研究與發(fā)展的目標。將光伏發(fā)電系統(tǒng)與軌道交通工程結合起來，在新技術應用、建筑設計、控制保護技術方面有重大意義，更重要的是能夠節(jié)約能源，減少污染物排放，保護環(huán)境，值得推廣應用。
原標題:光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應用研究（上）
