光伏发电在城市轨道交通中的应用研究（下）

4.光伏发电系统在国内外应用 　　太阳能光伏发电系统分独立光伏发电系统和并网光伏发电系统，目前常见和应用较多的是独立光伏发电系统，主要是边远地区送电困难且用电需求并不是特别高的负荷，如西藏、甘肃、新疆等地区的一些家庭照明及家用电器负荷。 　　并网光伏发电系统目前投入应用的有国家体育场鸟巢太阳能光伏发电系统、深圳园博会光伏发电系统，铁路上海虹桥火车站、天津西站、南京南站等并网发电系统。并网光伏发电系统的这些工程案例为轨道交通的应用提供了很好的借鉴。 　　并网光伏发电系统主要有3种，分别为有逆流型并网系统、无逆流型并网系统、切换型并网系统。 　　（1）有逆流型并网发电系统不仅能够向负载提供电能，还能将富裕的电能输向电网，且光伏系统电源不足时，可直接从电力系统获得电能。该类发电系统主要用于光伏发电系统发电量大，剩余电能较多的场所，该种系统能效比较高，国内外采用的大部分光伏发电系统就是这种有逆流型并网发电系统（图1）。 　　（2）无逆流型并网发电系统只向负载供电，富裕电能不能输向电网，当太阳能光伏系统不能满足负载用电需求时，则从电力系统电网获得电能以满足负载要求。该种系统对负载的计算精确度要求较高，否则产生的电能既不能储存也不能输入电网，不仅不利于设备运行，还是一种能源浪费（图2）。 　　（3）切换型并网发电系统主要是增加了蓄电池储能装置，正常情况下，光伏发电系统直接向负载供电，当日照或连续阴雨天时，由切换器直接切换至电力系统电源向负载供电，储能装置进行光伏电源储能。该种系统主要应用于光伏发电系统容量较小、负载容量及蓄电池容量较小的系统（图3）。 　　随着光伏发电技术的日趋成熟和稳定，今后光伏发电系统会在各类工程中应用，城市轨道交通工程的应用也会越来越普及，范围也会越来越广泛。 　　5.光伏发电系统在轨道交通中的应用方案 　　5.1高架车站应用方案 　　高架车站一般分2层，站厅层为地上一层，站台层为地上2层，部分车站还有3层或单独的设备层，主要是一些较大的换乘站，整体建筑面积在5000～6500m2不等。由于站厅层、设备层均与太阳光照不接触，所以该部分面积不能作为太阳能光伏发电系统的有效利用面积，只有车站屋顶及周围的围墙可考虑使用，这部分面积一般在1000～1500m2左右。 　　考虑车站的位置，太阳光照射方向以及所处地区，能有效利用的面积也就在800～1200m2之间。以245Wp的多晶电池板和1000m2有效面积并结合上海地区太阳光年辐射量计算，每年的发电量为W=面积×Σ(月平均日辐照量×当月天数)×功率输出因数=1000×5550.1×0.66=3663066（MJ）=1025658.48（kW·h）即平均每天可输出电能约2810kW.h，这些电能完全能够满足高架车站的照明及三级负荷用电。 　　高架车站因考虑到白天还需将太阳光引入建筑内进行自然光照明，故利用车站四周墙面的面积不多，最合适的还是利用车站屋顶放置太阳能电池板，在设备房间内设置蓄电池储能装置，将整体光伏发电系统设计成切换型并网发电系统比较理想，电力系统作为光伏电源系统的补充和备用，在负载进线处设置电源切换装置，不仅能够达到利用光伏电源节能的目的，还能保证供电的可靠性。 　　5.2车辆段停车场应用方案 　　车辆段停车场主要建筑是列检库、运用库、物资库、综合办公楼等，这些建筑普遍面积大、屋顶开阔，非常适合设置太阳能电池板。据统计，一座车辆段或停车场的占地面积在15万～25万m2左右，能有效利用太阳能发电的建筑屋顶面积在6万～10万m2左右。这么大的有效面积可完全参照铁路火车站的模式设置成有逆流型并网发电系统。 　　光伏发电系统不仅向车辆段停车场内用电负荷供电，还可将富裕能量完全输入轨道交通供电系统中压电网，向其他负荷提供光伏电源。 　　此外，车辆段及停车场内道路较多，道路照明一般采用灯杆照明，该部分灯杆照明完全可采用独立光伏电源系统的灯杆照明，灯杆和太阳能电池板、逆变器、蓄电池等整体设计，并设置时间或亮度控制模式，根据需要完成灯杆的照明。目前市政工程已普遍采用该种照明方案，轨道交通工程中北京地铁15号线马泉营车辆段室外路灯已采用该方案，目前已成功运行，效果良好。 　　5.3高架区间应用方案 　　轨道交通线路在市区内一般为地下走线，在郊区及进出车场的区段为地面及高架走线。地面及高架区间内一般主要有区间照明和区间检修负荷，这2种负荷均在线路故障或者平时检修时使用，负荷容量不大。对于高架区间照明负荷，完全可采用灯具和光伏发电系统整体结合的模式进行设计，灯具各自独立成一套系统，互不影响。 　　对于采用三轨供电的线路，完全可以将灯具、电池板安装在高架桥梁梁翼上方顶部，对于采用架空接触网供电的线路，灯具、太阳能电池板等均可结合接触网支柱一体安装，即方便安装又充分利用了接触网支柱。 　　另外，由于高架区间梁翼外侧面积宽阔，如图4所示，且基本垂直地面，完全可以悬挂太阳能电池板。因此，利用该部分空间设置太阳能光伏发电系统也值得研究和探讨。 　　5.4地下站出入口集散广场应用方案 　　轨道交通地下站出入口一般包括地面厅室外建筑、室外集散广场，部分车站有自行车停车场及汽车停车位。出入口主要用电负荷是地面厅照明、轨道交通地徽导向照明、自行车停车场及汽车停车位照明。上述照明均为一般负荷，完全可由光伏发电系统提供电源。利用地面厅建筑顶部设置太阳能电池板，采用独立光伏发电系统向地面厅照明及地徽进行供电；集散广场、自行车停车场及汽车停车位可完全采用设置光伏电源照明灯杆的模式，由光伏电源灯杆向上述场所提供电能。 　　6.结语 　　太阳能光伏发电系统近年来在国内飞速发展，并已经形成了研发、生产、加工和集散的工业产业链，并有多家知名企业上市。光伏发电系统技术的日趋先进和发展为其在国内工程建设领域的应用奠定了基础。 　　轨道交通近年来也迅速发展，与以往工程相比，未来项目更注重节能减排和降耗，利用新技术新能源是重点研究与发展的目标。将光伏发电系统与轨道交通工程结合起来，在新技术应用、建筑设计、控制保护技术方面有重大意义，更重要的是能够节约能源，减少污染物排放，保护环境，值得推广应用。