軌道交通太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用研究

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摘要：介紹太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用條件、原理、組成及結(jié)合軌道交通的特點，提出適合軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案，并進行了能源、經(jīng)濟、社會、環(huán)境的效益分析。

關(guān)鍵詞：軌道交通；太陽能；光伏發(fā)電；光伏組件

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，能源和環(huán)境問題逐漸引起社會的關(guān)注，對可再生能源的利用與開發(fā)越來越迫切。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國面臨著電力、煤炭、石油等傳統(tǒng)能源急劇消耗導致供應緊張的局面，經(jīng)濟社會發(fā)展的主要制約因素是能源消耗與環(huán)境保護。因此，合理開發(fā)和利用可再生能源是改善能源結(jié)構(gòu)、增強能源持續(xù)供給能力、保障能源安全、恢復自然環(huán)境的有效措施。太陽能光伏發(fā)電作為重要的可再生能源形式，已是當今世界上公認的最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)之一。各發(fā)達國家都投入了巨大的人力物力進行這方面的技術(shù)研發(fā)，并投入巨額資金積極推進產(chǎn)業(yè)化進程，大力開拓和培育光伏產(chǎn)業(yè)市場。利用太陽能主要有兩種方式，一種是光熱轉(zhuǎn)換，另一種就是光電轉(zhuǎn)換（即通常所說的光伏發(fā)電），其中重點是后者。城市軌道交通的能源消耗量巨大，已成為重點用能單位，利用太陽能光伏發(fā)電為軌道交通沿線用電負荷供電，不僅可以減少軌道交通對市電的需求，降低運營的成本；同時還可積極響應節(jié)能減排目標，有效推動新能源的發(fā)展。

1利用光伏發(fā)電技術(shù)的主要條件

1.1光照資源

太陽能資源的分布與各地的海拔高度、緯度、氣候條件和地理狀況有關(guān)，我國有著豐富的陽能資源，全國總面積2/3以上地區(qū)全年日照時數(shù)大于2200h。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置的位置需要有富集的太陽光照資源，以保證系統(tǒng)較穩(wěn)定的發(fā)電量。為了便于太陽能資源的開發(fā)與利用，我國把年輻射量大于9260MJ/m2的西藏西部地區(qū)除外的地區(qū)分為五類，太陽能資源地區(qū)分類如表1所示。

1.2場地條件

軌道交通工程項目中光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置需要充分考慮建筑物形式和周邊環(huán)境。（1）為地面上的建筑物，能有足夠的面積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）光伏組件的布置要避開或遠離遮陰物；（3）靠近主干電網(wǎng)，以減少新增輸電線路的投資。

2軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)軌道交通工程建筑形式，有條件設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要有高架站（地面站）頂棚、車站出入口頂棚、車輛段頂棚等地方；由于車輛段庫房屋頂空間較大，而且比較開闊，適合設(shè)置較大型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，本文主要以車輛段為例，介紹太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用在軌道交通工程中的設(shè)計方案。

2.1太陽能電池選擇

太能能電池（片）是光伏組件的基本元件，主要類型有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等。單晶硅與多晶硅電池是現(xiàn)在市場的主流產(chǎn)品；光電轉(zhuǎn)換率最高的是單晶硅電池，其商業(yè)化電池的轉(zhuǎn)換效率可以達到在15%~19%，且性能穩(wěn)定，相同容量太陽能電池組件所需安裝面積小，相對成本較高；多晶硅電池生產(chǎn)效率高，光電轉(zhuǎn)換效率相較單晶硅略低，其商業(yè)化電池的轉(zhuǎn)換效率在13%~16%，產(chǎn)品使用期內(nèi)轉(zhuǎn)換效率有一定衰減，相對成本較低；單晶硅與多晶硅電池的使用壽命都可以達到25年，使用期內(nèi)功率衰減均能小于20％。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的不斷推進與發(fā)展，材料技術(shù)的不斷提升，其綜合生產(chǎn)成本也會逐漸降低，在此本文選擇光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、技術(shù)成熟的單晶硅太陽能電池組件來進行方案介紹。

2.2光伏組件與建筑結(jié)合方式選擇

光伏組件與建筑結(jié)合方式分為兩類：一類是建筑與光伏系統(tǒng)結(jié)合，也稱為光伏附著設(shè)計，即BAPV（BuildingAttachedPhotovoltaic）結(jié)合方式，不需要改變建筑物本身，只需將組件固定在建筑物上，即在建筑物上鋪一層光伏組件，另一類是通過專門的設(shè)計，實現(xiàn)建筑與光伏組件的良好結(jié)合，也稱為光伏和建筑的一體化集成設(shè)計，即BIPV（BuildingIntegratedPhotovoltaic）結(jié)合方式。車輛段庫房頂棚一般采用鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，設(shè)計時要考慮采光、隔熱、遮陽等因素，因此車輛段可采用BAPV與BIPV相結(jié)合的方案，頂棚采光帶部分采用BIPV方案，非采光部分的頂棚采用BAPV方案；本方案把太陽能的利用納入環(huán)境的總體設(shè)計，把建筑、技術(shù)和美學融為一體，太陽能設(shè)施成為建筑的一部分，相互間有機結(jié)合，減少對建筑的外形影響；利用太陽能設(shè)施取代部分屋頂覆蓋層，可減少成本，提高效益。

3光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計

針對軌道交通工程并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有低壓并網(wǎng)及中壓并網(wǎng)兩種方案。

3.1低壓并網(wǎng)方案

低壓并網(wǎng)系統(tǒng)通常應用在系統(tǒng)裝機容量較小或光伏組件安裝場地面積有限的地方，在軌道交通工程中高架站（地面站）宜采用低壓并網(wǎng)方式；光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入變電所低壓側(cè)兩段母線上，并設(shè)置防逆流裝置，避免對高壓側(cè)保護裝置造成干擾。根據(jù)軌道交通低壓負荷容量及等級要求，本方案建議低壓并網(wǎng)系統(tǒng)主要給車站二、三級負荷供電，如正常照明、路燈照明、廣告照明和一般動力等負荷。

3.2中壓并網(wǎng)方案

中壓并網(wǎng)系統(tǒng)通常用在系統(tǒng)裝機容量較大或有足夠場地安裝光伏組件的地方，在軌道交通工程中車輛段、停車場宜采用中壓并網(wǎng)方式，該并網(wǎng)方式和逆變器的匹配更佳，可提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率。并網(wǎng)系統(tǒng)通過升壓變壓器接入35kV中壓環(huán)網(wǎng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入車輛段變電所35kV側(cè)兩段母線。

4效益分析

4.1能源及經(jīng)濟效益

本文太陽能資源在四類區(qū)，以杭州市的軌道交通某車輛段工程為例進行分析，車輛段庫房屋頂一般可提供安裝場地的面積約50000m2，屋頂利用率按50%計算；該地區(qū)平均年輻射總量取4800MJ/m2。按現(xiàn)有光伏組件市場的常用參數(shù)，選取額定功率為285Wp，尺寸為2100mm×1130mm的組件參數(shù)來計算分析。由于安裝傾角、陽光遮擋、灰塵、逆變器效率、輸電線損等因素對光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率會產(chǎn)生影響，因此計算系統(tǒng)效率時應綜合考慮以上因素，本文系統(tǒng)綜合效率取75%，系統(tǒng)年上網(wǎng)電量和節(jié)能減排測算如表2所示。根據(jù)以上測算數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)系統(tǒng)裝機容量為3002.5kWp。整個系統(tǒng)按照25年運營周期考慮，組件年衰減按照0.8%計算，系統(tǒng)運行25年預計發(fā)電總量約85277MWh，節(jié)約總標煤約33258t，減排二氧化碳總量約119388t。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的市場綜合造價指標為16元/W，按此指標計算本工程造價約為4804萬元；按目前杭州地鐵運營電價0.75元，且每年上漲2%測算，本工程投資回收期約為16年，25年內(nèi)經(jīng)濟收益約為3323萬元；若考慮政策補貼，工程投資的回收期會更短經(jīng)濟收益也會更高。

4.2社會及環(huán)境效益

太陽能光伏發(fā)電是一種清潔、可再生能源，既不會產(chǎn)生污染物，也不會產(chǎn)生溫室氣體破壞大氣環(huán)境等問題，從節(jié)約煤炭和減排二氧化碳量可以看出環(huán)境效益是明顯的，該系統(tǒng)的應用可以響應節(jié)能號召，積極配合完成節(jié)能減排指標；充分利用可再生的清潔能源，即可減少化石能源的需求，同時也可減少環(huán)境污染、保護人類的生態(tài)環(huán)境，其社會效益較為明顯。

5結(jié)語

隨著我國城市化進程不斷加快，軌道交通的建設(shè)也得到了大力推進，其場地上的優(yōu)勢為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用提供了可能。軌道交通作為覆蓋范圍廣、客流量大的公共建筑，采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，可起到良好的節(jié)能減排宣傳和示范作用。

參考文獻

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作者：李淼 單位：中鐵上海設(shè)計院集團有限公司