光伏發電系統在城市軌道交通中的應用分析

張曄

摘 要：文章從太陽能光伏發電的發展概況進行展開，然后論述光伏發電系統對城市軌道交通的重要意義和使用光伏發電系統的條件，進而分析光伏發電技術在城市軌道交通中的應用，以及在應用中需注意的問題等。

關鍵詞：光伏發電系統；城市軌道交通；應用分析

1 光伏發電技術的發展

1839年，法國科學家貝克勒爾發現了“光生伏特效應”，1954年美國科學家恰賓和皮爾松在美國貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽能轉換成電能的實用光伏發電技術。隨著20世紀70年代工業的發展，能源危機和大氣污染問題日益嚴重，可再生能源成為了人們改變能源結構的希望。到了90年代后，光伏發電產業快速發展，2011年，全球光伏新增裝機容量約為27.5GW，漲幅比2010年高52%，在國家的十三五能源戰略規劃中，給了太陽能光伏發電入網定價權，更加刺激了光伏產業的發展。

2 城市軌道交通使用光伏發電系統的重要意義

就中國來說，截至2015年底，全國城市軌道交通已開通運營的城市已達26個，地鐵運營線路達到85條，運營線路總長達到2658km，并且預估在二十一世紀二十年代末實現城市交通軌道運行6618公里的里程，并且在“十三五”期間使得CAGA達百分之12.84，可見地鐵在交通中的龍頭地位。那么，隨著能源的不斷消耗，地鐵也對新能源引起了重視，如果在地鐵建設過程中，能夠應用光伏發電系統，即有助于節約能源，又對光伏發電項目建設有重要開拓意義。

北京地鐵14號線張郭莊站光伏發電系統為我國首座屋頂太陽能光伏發電地鐵站，該項目采用半透光太陽能電池組件排布，日均發電量40至50千瓦，承擔了地鐵張郭莊站大約1/3的日用電量，達到了節能減排的目的。

3 光伏發電系統在地鐵中應用的條件

地鐵擁有占地面積大，規模大，建筑群集中，用電負荷穩定等特點，所以應用光伏發電系統是可行的，而光伏發電系統技術應用的條件有：（1）太陽能光伏發電系統由于其自身的發電特點，在安裝的過程中就需要對周邊的環境和安裝地的日照條件進行調研，地鐵所在地日照充足，年日照時間長，并且組件要和建筑單體相結合，滿足安裝、清潔、維護的要求，車輛段、高架車站屋頂面積大，適合安裝太陽能光伏發電裝置。（2）光伏發電系統需兼顧總功率和穩定性兩個方

面：在光伏發電系統的設計過成中，不僅需要考慮其日常運行的固定工作時間，還考慮其使用的峰值和最大的荷載量，電器是純電阻性、電容性還是電感性，以及瞬間啟動最大電流的流通量。（3）如遇到沒有日光照射的陰雨天氣，系統需連續工作的天數等。在太陽能光伏系統設計中需充分考慮上述因素，保證最大效率的使用。

4 太陽能光伏發電系統應用分析

4.1 光伏發電系統組成及應用原理

太陽能光伏發電系統主要通過太陽能電池方陣在光照條件下產生直流電，直流電通過逆變器轉換為交流電后并入低壓或高壓電網，太陽能光伏發電系統是由太陽能光伏組件、光伏控制器和交流逆變器及相應的附屬設施組成。

4.1.1 太陽能光伏組件。光伏組件選型：地鐵中如車輛段光伏組件選型一般結合BAPV方式，不需要改變建筑物本身，只需將光伏組件固定在建筑物屋頂上。

4.1.2 光伏控制器。太陽能光伏控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。

4.1.3 交流逆變器。逆變器是將直流電轉換成交流電的設備，按照運行方式，可以分為離網逆變器和并網逆變器，離網逆變器用于獨立運行的太陽電池發電系統，為負載供電，并網逆變器用于并網運行的太陽電池發電系統。

4.1.4 相關附屬設施。附屬設施包括直流配線系統、交流配線系統、運行監控和檢測系統、防雷和接地系統，是太陽能光伏發電系統必不可少的組成部分。

4.2 發電系統類型選擇

光伏發電系統主要有三種：（1）獨立光伏發電系統（離網系統）。（2）并網光伏發電系統。（3）分布式光伏發電系統。

地鐵在應用光伏發電技術時要相應選擇適合自身的光伏發電裝置。一般來講根據是否帶有儲能設施可以劃分為兩種類型，還可根據電負荷的類型不同分為，直流電光伏發電系統、交流點光伏發電系統和交直流混合系統。在實際的使用當中，由于交通運輸樞紐的用量大，電負荷高，所以一般采用，低壓并網方式。并且由于地鐵交通的穩定與否是事關人民生命財產安全的大事，其供電設施可靠與否是非常重要的，為了預防光伏發電裝置的電流往高電壓方向逆向輸送，一般在使用的過程中會在發電系統內添置防逆流設備，以避免對高電壓一側的干擾。

4.3 光伏組件與地鐵高架車站頂棚的應用

BAPV和BIPV兩種方案被用于地鐵高架車站頂棚。

BAPV方案是指通過簡單的支撐結構將光伏組件附著安裝在建筑上，不會增加建筑防風、遮雨的性能。

BIPV方案是頂棚與光伏組件集成，太陽能光伏組件兼做頂棚建筑材料是集發電、隔音、隔熱、安全和裝飾功能為一體的新型功能性建筑形式。BIPV使建筑物整體性效果更好；既增加了建筑的透光率，又有良好的遮陽效果，可以突出建筑物的美學光影關系，體現節能減排的觀感效應。

4.4 光伏發電系統的避雷措施

無論是何種類型的太陽能發電系統都要求其采光裝置有較好的朝向以及較長時間面向太陽，受到成本的限制，我國打多數太陽能發電系統（包括光伏太陽能和發電系統），其安裝的位置要么出去開闊地帶，要么位于屋頂，這就造成了當雷雨來臨時，較易會受雷擊的可能性比較大，并且太陽能電池組件和逆變器比較昂貴，因此必須采取有效保護措施。包括外部防雷保護和內部防雷保護。

外部防雷即防止直擊雷，直擊雷會直接落到太陽能光伏組件、配電線、電氣設備上，基本措施就是安裝避雷針或避雷器，裝設位置應盡量避免避雷針的投影落在太陽能電池組件上，外部防雷的防雷機制是通過外部的導體，將落雷直接引導至不會對太陽能光伏發電裝置（尤其是太陽能電池板）造成影響的地方，他的設備組成一般包括接閃器、引下線和接地地網等。

內部防雷就是防止感應雷的入侵。系統主要采取裝設電涌保護器，其作用就是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，使設備或系統不受雷電流沖擊而損壞。

4.5 太陽能光伏發電系統應用時應注意的問題

4.5.1 光伏電站的容量設計方面，必須根據負載和現場的地理及氣象條件進行專門的優化設計。光伏組件陣列面盡量朝南傾斜設置，不能被其他建筑物遮擋。

4.5.2 光伏發電系統安裝時不能損壞和影響車站主體結構及整體效果，因為車站是主體，光伏是客體。

4.5.3 城市軌道交通的落客點（車站）的建筑設計應當與太陽能光伏發電系統想結合。無論是建筑的形式、設備、荷載承受能力都需要在方案設計的階段，就考慮到與光伏發電裝備的結合問題，并且在施工圖深化的階段要將考慮光伏發電系統具體的施工做法和后期安裝方式，在項目開工之后還要綜合考慮光伏發電部件的運輸、進場、管理和存放等問題。

4.5.4 地鐵光伏發電系統在清潔時主要利用雨水自然清潔，如果長時間不下雨，就要進行人工清潔，清掃污染物，保證系統正常運行。

5 結束語

城市軌道交通作為現代化普遍的交通工具，行業發展迅速，是未來的軌道交通主力，同時也帶來了巨大能源消耗，而太陽能光伏發電技術的誕生和發展無疑是給地鐵提供了新的科技力量和動力，既可降低城市軌道交通的運營成本，同時也在起到良好的示范作用。光伏發電技術目前在軌道交通應用的范圍還是比較狹窄，需要不斷依靠新的政策和科技實力進行創新和推廣，才能擴大應用范圍。太陽能光伏發電技術在地鐵上的應用推廣還有一些阻礙，但兩者的結合無疑是城市軌道交通發展中的一大亮點，是人類科技進步的表現。