光伏发电在城市轨道交通中的应用研究

王 龙，聂金锋

光伏发电在城市轨道交通中的应用研究

王 龙，聂金锋

分析了轨道交通用电负荷需求和特点，并结合光伏发电现状、节约能源需求、光伏发电应用条件，提出了光伏发电系统在城市轨道交通中的应用方案，为城市轨道交通在节能及新技术应用方面提供了借鉴和参考。关键词：城市轨道交通；光伏发电系统；节能

0 引言

太阳能是一种绿色、清洁、可再生且取之不竭、用之不尽的能源，利用太阳能发电并应用到实际生产生活中，已成为世界能源发展的趋势和方向。我国国土辽阔、太阳能资源丰富，具有利用太阳能的巨大潜力和优势。

城市轨道交通近年来在国内大中城市普遍发展，全国目前已有十八座城市建成运营线路，并有多个城市已开工或规划建设，根据相关规划，未来几年将是城市轨道交通发展建设的高峰期。

如何将太阳能光伏发电系统和城市轨道交通建设结合起来，利用太阳能向城市轨道交通工程提供电源，不仅在节约能源方面意义重大，更对指导新建轨道交通工程具有重要参考意义。

1 光伏发电系统优势和特点

利用太阳能进行发电，可以获取无限的能源，不仅可以减少煤炭、自然矿物资源、水资源等的开采利用，还可以减少二氧化碳、二氧化硫、粉尘及煤灰等有害气体和杂质的排放量，是节能减排的有效措施。

传统电力系统在向负荷供电时，需通过变压器、输电线路、开关柜等电力设施将电能输送至用户。采用太阳能光伏发电系统，可省去这些输配电设备的投资。若将光伏电源和电网进行并网发电，不仅能就地直接使用电能，还省去了蓄电池等储能设施。

太阳能光伏发电系统的安装不破坏土地植被，不受安装地点的限制，只要太阳能够达到的地方，均可安装太阳能电池组件。大城市内建筑物和太阳能电池组件一体化建设时，不仅能够美化建筑的结构和外观，还节约了土地，具有十分积极的效益。

光伏电源系统的特点决定了只要有太阳光的地方，就能够设置光伏发电系统，而且容量大小可根据负荷选取，不受外部电源的限制。特别是一些容量小的照明负荷，可独立成系统，特别灵活实用。综上所述，光伏发电系统具有节能环保、节省输电设备、保护和节约土地、灵活配置发电容量的优势和特点。

2 城市轨道交通各类用电负荷分析

城市轨道交通用电负荷较多，但根据不同用途及性质可归为3类负荷：

（1）轨道交通车辆牵引供电负荷。该类负荷主要是向轨道交通车辆提供驱动电源及车体内部的低压机电负荷电源，所需容量最大，一般一个牵引变电所约在2×25 00～2×3 000 kV·A左右。

（2）轨道交通运营动力负荷。该类负荷主要是车站及区间内为保证地铁正常、安全运营而所需的一些机电设备、通信信号设备、监控设备等，其负荷容量较大，每座地下车站约在1 000～1 200 kW；高架车站约在200～350 kW。

（3）轨道交通运营照明负荷。该类负荷主要是运营所需的各类正常照明、应急照明、指示照明、广告照明等，其负荷容量较小，每座地下车站约在200～300 kW；高架车站约在120～180 kW。

另外，每条地铁线路都有一个车辆段和停车场，其中有不少动力负荷和照明负荷，特别是车库内的照明负荷和车场内的路灯照明负荷容量较大。

上述用电负荷中，牵引负荷、通信信号、消防通风、消防监控、应急照明等是与行车及消防相关的可靠性要求极高的特别重要的一级负荷。

从负荷分类可以看出，牵引负荷用电不仅容量大，且是行车负荷，必须有极高的可靠性；动力负荷中部分为行车及消防负荷，容量也较大，可靠性也必须保证；照明负荷中的应急照明，该部分容量很小，但可靠性必须保证。从容量及负荷重要性，以及在目前光伏发电系统尚未完全成熟及普及应用的情况下考虑，这些负荷仍采用传统电力供电系统是比较合理的，因为必须保证这些负荷用电的高可靠性。但相对这些重要负荷，车站内的三级负荷、正常照明和一般的机电负荷，完全可利用太阳能光伏发电系统供电。

3 轨道交通工程利用光伏发电系统的条件

光伏发电系统主要是利用太阳能作为发电基础，配备必要的发输电设备，并结合实际建筑条件，共同实现发电系统功能。要实现光伏发电系统在轨道交通工程中的应用，必须满足以下2个条件：

（1）车站建筑在地上，且地上面积足够大，能够安装满足用电容量需求的太阳能电池板、蓄电池等发电设施。

（2）车站内用电负荷为三级负荷、一般机电负荷或一般照明负荷等，供电可靠性要求较低，不影响行车及消防。

根据目前轨道交通车站的设计、建筑样式、负荷类型等，能够满足上述条件一的，主要有高架站、车辆段、停车场、地下站出入口等地方；满足上述条件二的，主要有车站二三级通风负荷、检修电源负荷、广告照明、一般照明、车场内道路照明、地下站出入口集散广场照明、室外地徽导向负荷等。

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）。

图1 有逆流型并网发电系统框图

（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）。

图2 无逆流型并网发电系统框图

（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）。

图3 切换型并网发电系统框图

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5 000～6 500 m2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1 000～1 500 m2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800～1 200 m2之间。以245 Wp的多晶电池板和1 000 m2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= 1 000×5 550.1×0.66 =

3 663 066（MJ）= 1 025 658.48（kW·h）

即平均每天可输出电能约2 810 kW·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。

图4 高架区间桥梁设置太阳能电池板示意图

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。

The paper mainly analyzes the urban rail transit power load requirements and characteristics, combined with the present situation of photovoltaic system, saving energy demand, photovoltaic application condition, put forward the application of photovoltaic power generation system in urban rail transit plan, for the urban rail transit in terms of energy saving and new technology application provides reference and reference.

urban rail transit; photovoltaic system; energy-saving

U231.8

B

1007-936X(2014)05-0044-03

2013-12-19

王 龙.中铁电气化勘测设计研究院电力所，工程师，电话：022-58583769；

聂金锋.中铁电气化勘测设计研究院电力所。