太陽能光伏發電系統在城市軌道交通高架車站的運用探討

譚明偉

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 湖北 武漢 430000

引言

在太陽能光伏系統實際使用過程中，其可以利用半導體界面的光生伏特現象直接將光能轉變成電能。光伏發電系統在實際應用具有綠色無污染、資源豐富、擴容方便、使用靈活的優點，并伴隨著太陽能電池研究不斷深入和轉換效率不斷提升，發電成本越來越低。從人類長遠發展和環境保護角度出發，太陽能光伏發電在人類社會發展中扮演的角色越來越重要。城市交通具有運輸速度快、安全、節約能源的優點，是未來城市交通重要發展方向。在城市交通系統發展到一定階段后，必然會朝著郊區發展。為了有效降低城市郊區軌道交通系統運行成本，就需要合理設置地面路線、設置高架車站，這為光伏發電系統在車站屋頂應用提供了非常好的條件，能夠有效迎合環保型城市軌道交通建設需要。

1 光伏發電系統分類以及工作原理

1.1 光伏發電系統

太陽能電池是光伏發電技術重要組成部分。通過對太陽能電池串聯使用，就可以直接形成大面積的太陽能電池組，再配合上各種功率控制器，就可以直接形成光伏發電裝置。光伏發電系統主要由太陽能電池板、控制器和逆變器組成，其中包括各種電子元器件，機械組件應用相對較少[1]。光伏發電系統應用非常容易，系統運行具有可靠、穩定、壽命長、安裝簡單的優點。光伏發電系統通?？梢苑譃楣夥l電系統和并網發電系統。其中獨立光伏電站又可以分為村莊供電系統、戶外電源系統、通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈系統中，為了能夠將太陽能電能儲存起來，系統通常都帶有蓄電池。

1.2 獨立使用光伏發電系統工作原理

獨立發電系統使用過程中往往可以自成體系，功率范圍也比較廣，可以涵蓋幾毫瓦到幾千瓦的范圍。為了能夠在弱負載條件下依然可以持續供電，光伏發電系統會配合儲能系統使用，也有配合超級電容進行使用。

2.3 光伏陣列

整個系統通常由多塊光伏電池組串聯組成，能夠形成光伏陣列。為了能夠有效保證光伏組件運行效率，在同樣條件下獲得更多的電能，就需要在光伏電池組合儲能裝置之間安裝電力電子控制裝置，從而有效實現能量轉換，這些電力電子控制器通常具有充放電的控制功能。如果負載屬于交流負載，還需要在系統中配置逆變器，實現直流電源向交流電源的轉換。另外，部分獨立光伏發電系統還具有系統監控和顯示等功能。

2 光伏發電系統設計要求

2.1 建筑設計

在開展建筑工程設計過程中，應該考慮當地的氣候條件，掌握該地區太陽能資源具體情況。另外，還應該考慮建筑自身接受太陽輻射的條件，如建筑周圍是否存在建筑遮擋以及建筑接受光照的時間等。另外，還應該與建筑的外立面有效結合起來，能夠根據建筑外立面設計風格，來開展系統布局工作，能夠與建筑的立面協調起來。對于外立面的透光位置，應該采用合理的代替施工方法，避免對建筑采光造成嚴重的影響，將建筑采光與光能收集有效結合起來。

2.2 發電系統

建筑光伏系統與地面光伏系統設計存在一定的差異，需要著重考慮建筑自身的采光需求，能夠合理開展光伏方針的布設工作，合理確定發電功率。地面系統設計過程中，應該滿足發電功率要求，合理對光伏方針和配套進行設計[2]。

2.3 光伏方陣設計

由于建筑外形和外觀裝飾的特殊性，在實際進行光伏方陣設計過程中，需要與建筑外形結合起來，認真做好建筑外形和外飾設計，建筑形狀、板塊大小、顏色、朝向應該建筑立面結合起來，這就需要在設計中加強與設計人員的協調。此外，還需要合理確定光伏發電系統的類型，可以選擇獨立系統或者并網系統的形式，能夠根據光伏系統輸出功率大小，來合理配置控制器和逆變器。

2.4 能夠合理選擇并網形式

在通常的情況下，根據光伏系統投產后供電方式的不同，太陽能光伏系統可以分為獨立光伏系統、并網光伏系統和混合光伏系統。在獨立光伏系統當中，供電電力主要來自光伏系統，其是一個結構最為簡單的光伏系統，甚至部分系統發電會直接供給直流系統，并不需要并網發電。這些系統在偏遠山區的應用比較多，可以直接驅動各種小型電器。各種并網光伏系統主要在分布式發電建設項目中進行應用，可以將太陽能轉變為直流電，然后經過逆變器轉變為交流電，然后直接并入電網。這種類型的光伏系統可以直接作為電網的儲能系統，不需要配置蓄電池，占地面積相對較少，如果碰到陰雨天氣，可以直接切斷與電網的聯系，有效提升電網發電的穩定性?；旌瞎夥到y屬于一種運行非常穩定與可靠的發電系統[3]。通過將該系統引入到光伏系統，能夠有效保證向負載供電的穩定性。一旦遇到了不利的天氣條件，光伏系統輸出功率相對較少，難以保證并網質量，此時就需要采用其他形式的負載供電，避免單一光伏供電所帶來的不足。

3 城市規模交通高架站用電負荷

3.1 城市交通高架車站用電負荷通?？梢苑譃閯恿ω摵珊驼彰髫摵?/h3>

①其中動力負荷主要包括變電所操作電源、通信設備、信號設備、AFC設備、ISCS設備、FAS設備、BAS設備、安全設備、消防水系統、消防用風機、自動扶梯、防火卷簾門、普通風機、檢修電源、空調設備、清掃電源等。②各種照明負荷主要包括車站應急照明系統、車站公共區、區間照明系統等。在城市軌道交通高架車站實際運行過程中，對于日照條件較好的白天，除了少數沒有窗戶的設備房，并不用開啟照明設備。因此，在一般的情況下，白天可以人為不需要開啟照明設備。根據統計分析顯示，白天車站用電負荷主要是動力負荷，總容量大約為410kVA，晚上車站運行總負荷為619kVA。

3.2 車站屋頂可以利用面積計算

對于一般類型的軌道交通高架車站屋頂總面積為2700m2，為了保證車站陰天穩定供電，需要將太陽能電池板與屋頂面保持平行安裝，這樣能夠有效避免大風天氣對太陽能電池板造成影響[3]。為了有效保證太陽能發電效率，根據當地所處緯度，將車站屋頂直接朝向太陽，并與地面呈20°的角度，這時屋頂面積約為3100m2，為了給太陽能電池維修提供必要的空間，直接將其利用面積設置在了2700m2。

3.3 系統輸出功率估算

根據太陽能電池理論發電量計算，太陽能電池板發電量大約為120w/m2，理論發電量大約為324kW，另外考慮到太陽能發電電能傳輸損耗以及逆變器功率因數，其設計輸出功率為291kW。

3.4 年發電量估算

根據每天3.5h有效日照時間，同時考慮線路損耗和逆變器損耗等因素，車站屋頂光伏發電系統每天發電量大約為1021°，年發電量為37.3萬°。

4 車站屋頂光伏發電系統方案設計

圖1 車站屋頂光伏發電系統

4.1 系統建設目標

根據高架車站實際用電需要，在天氣良好的情況下，車站太陽能發電系統發電量可以滿足車站所有動力負荷用電需求，剩余電能也相對較少。為了能夠保證發電系統運行經濟性，車站屋頂發電系統不向城市電網輸送電能。地鐵車站的光伏系統和400V低壓母線并網使用，因地鐵很多負荷級別比較高，需要設置雙電源，晚間靠太陽能難以滿足直接末端供電的需求，則在地鐵高架站推薦使用與400V母線直接并網的方式，實現即發即用。

4.2 車站動力負荷

在光照條件較好的天氣，可以直接將光伏發電系統輸出的電能作為車站用電負荷，對于剩余的電能可以通過EPS系統或者蓄電池組存儲起來。如果氣候條件不是非常理想，光伏發電系統輸出電能只能滿足車站部分用電設備用電需求，其中一部分負荷直接來自配電變壓器供電。遇到光照條件較差的天氣，光伏發電系統輸出電能只能滿足部分用電設備用電需求，全部負荷由車站配電變壓器使用，光伏發電系統輸出電能僅為EPS系統或變電所操作電源系統蓄電池充電。

在車站供電方案設計中，采用了兩組光伏方陣，并使用2000kW直流柜進行供電管理。為了能夠正常滿足車站供電負荷使用要求，需要使用逆變器將光伏直流電逆變成交流電，并將逆變好的交流電通過光伏并網柜導入到車站負荷系統。

4.3 光伏發電設備

車站屋頂光伏發電系統主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽能跟蹤控制設備組成。為了保證太陽能發電系統在車站運行過程中，可以充分發揮自身的作用，太陽能發電系統直接由蓄電池組、充放電控制器和EPS電源組成。從技術發展的角度來看，光伏發電系統已經非常成熟，各種成功應用案例非常多。從經濟角度來分析，城市軌道交通車站屋頂在使用光伏發電系統之后，可以有效得到財政和政策的支持，項目實際投入也并不是非常大。

5 結束語

隨著時代的不斷發展，對電能的需求量不斷增加，為了在提升電能供應量的同時，保證供電綠色效果，應該進一步加強對光伏發電技術的應用。例如，可以將光伏發電技術應用到城市軌道交通高架車站中，可以在大部分天氣狀況下滿足車站動力負荷供電需求，經濟效益非?，F狀。