太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用研究

刘 昊，李克飞

（北京市基础设施投资有限公司，北京 100101）

1 引言

在国家提出“碳达峰、碳中和”发展目标的背景下，作为耗能大户的城市轨道交通，发展以太阳能光伏发电系统为代表的绿色可再生能源技术，是实现该行业节能减排、绿色转型的重要方法之一。在众多绿色能源中，太阳能光伏发电以其清洁、无污染、分布广等特点备受青睐[1-2]，在城市轨道交通领域应用潜力巨大。在城轨中引入绿色、高效、低碳的太阳能光伏发电系统，推进绿色清洁能源替代化石能源的行动也成为了城市轨道交通研究的热点。目前，北京、上海、重庆、苏州、深圳等多座城市已在其轨道交通中采用了光伏发电系统，也取得了一定的成效，但该系统仍有较大的可开发利用空间[3-4]。 同时，由于地上车站、场段和车辆基地的上盖开发和屋顶承重问题导致具备开发条件的建筑屋顶、外立面面积较小、利用率低，亟待开发光伏发电系统新的应用场景。

基于上述背景，本文对现有的光伏发电系统应用情况进行调研分析，并结合线网规划情况对光伏发电在城市轨道交通中的应用进行预测分析，在梳理其存在问题的基础上提出光伏建筑一体化和光伏声屏障2种新的应用场景，为光伏发电在城市轨道交通中的应用提供新的思路。

2 太阳能光伏发电系统及其应用情况

2.1 太阳能光伏发电系统介绍

太阳能光伏发电技术是利用半导体的光生伏特效应将太阳能直接转变为电能的一种技术。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象，即半导体在受到光照射时，由于光生载流子在不同位置具有不均一性，或者由于p—n结产生了内部载流子，就会因扩散或者漂移效应而引起电子和空穴密度分布不均匀，从而产生电能的现象；光伏发电原理与太阳能电池器件结构如图1所示。光伏发电系统主要由光伏组件、直流防雷接线箱、光伏逆变器、监控设备等组成，如图2所示；其关键元件是由太阳能电池组装而成的光伏组件[5-6]。

图1 光伏发电原理与太阳电池器件结构示意图

图2 光伏发电系统示意图

目前，光伏发电技术已经非常成熟，并广泛应用于各类场景。但是，光伏发电容易受到环境、天气以及光照条件的影响，具有间歇性、随机性和周期性等特点。进一步研究优化光储一体化调控，使之既能满足有功输出最大化，又能“削峰填谷”响应电网调度需求，实时保障电网调度要求一直都是行业的重点研究内容。而在光伏系统中接入储能设备，二者相互协调可以很好地解决光伏发电输出功率不稳的问题，平滑电力输出，提升光伏电力质量。结合城市轨道交通自身特点，探索集分布光伏发电、高效储能、直流配电、柔性用电于一体的“光-储-直-柔”模式，提高城市轨道交通中可再生能源利用的可持续性，增强自身的消纳能力，优化用能结构，将成为城市轨道交通行业实现节能减排、绿色转型的重要路径[7]。

2.2 太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用

城市轨道交通是能耗大户；将光伏发电系统应用于城市轨道交通既可以降低企业的全生命周期运营成本，又可以减少二氧化碳排放。各城市轨道交通企业相继开展相关工作，已有北京、上海、重庆、苏州、深圳等 9 座城市的轨道交通中布置了光伏发电系统；光伏发电系统总装机容量约36 MWp，年发电量约4 000万kW · h，具体应用情况如表1所示。各城轨企业的工作主要包括对既有运营线路地上车站建筑屋顶、未做上盖开发的车辆基地（车辆段、停车场）建筑屋顶等进行荷载、光照等全方面评估，对满足安装条件的屋顶、场地和沿线加装光伏发电系统。同时，在新建线路具备条件的场所推广应用光伏发电系统，充分利用地上车站、停车场、车辆段的建筑屋顶等适宜场地空间，安装光电转换效率高的光伏发电设施已经成为城市轨道交通节能减排的重要手段。

经调研，在已实施的光伏发电系统的基础上，各城市轨道交通企业也在积极制定新的光伏发电应用规划，不断拓展新的应用场景，增加城市轨道交通的光伏装机容量。例如，由铁科院（北京）工程咨询有限公司组织实施的铁路沿线光伏储能及能源综合管理项目；该项目选择铁路边坡和沿线保护区2种典型地块，在铁路沿线保护区创新性应用预应力悬索柔性光伏支架系统，充分利用南北走向铁路线路的东西边坡、沿线保护区、夹心地的空间资源，增加绿色电力来源。示范段装机容量216 kWp，预计每日可向国家铁道试验中心提供1 000 kW · h左右的绿色电力。随着光伏发电技术发展，各环节成本逐步降低，投资回收期也逐渐缩短，光伏发电系统自发自用投资回收期为4～5年，自发自用余电上网投资回收期为5～7年，并在不断缩短。同时，与燃烧化石能源相比，光伏发电技术在提供能源的同时，不排放烟尘、二氧化硫、氮氧化合物和其他有害气体；因此，其在城市轨道交通中的应用具有巨大的经济和环保效益。

3 太阳能光伏发电系统的应用预测分析

根据全国主要城市轨道交通已批复线网规划，对轨道交通2021年、2025年和2030年的高架站数量、车辆基地光伏发电面积进行统计，得到全国主要城市轨道交通光伏发电可利用总面积，并由此推算出未来全国主要城市轨道交通光伏发电系统装机容量。根据如表2所示的统计信息，以北京地区光照峰值小时数等参数进行模拟计算得出全国主要城市轨道交通光伏发电2021 年、2025年和2030年的实际与预计全年发电量约为6.1 亿、8.7亿和10.4 亿kW · h。由表1中数据可知，全国主要城市轨道交通2021年光伏发电系统总装机容量约36 MWp，年发电量约4 000 万kW·h。基于此，2021年全国主要城市轨道交通已开发光伏发电系统的装机容量仅占可开发容量的6%左右，说明城市轨道交通中光伏发电技术应用仍有巨大的发展空间。同时，城市轨道交通新建、运营线路的地上车站、场段建筑承重、安全问题与上盖开发导致具备可开发条件的建筑屋顶、外立面面积较少、利用率低，也是限制光伏发电技术大规模应用的主要原因之一。因此，为优化城市轨道交通能源结构，完成绿色发展转型，太阳能作为最适合城市轨道交通发展的绿色能源，亟需拓展新的应用场景。

表1 国内城市轨道交通光伏发电系统应用情况调查表

表2 全国主要城市轨道交通光伏发电系统装机容量与发电量统计与预测数据

4 太阳能光伏发电系统的新场景应用

4.1 应用光伏建筑一体化

光伏建筑一体化是指将光伏发电与建筑物相结合，于建筑物结构外围铺设光伏器件，从而产生电力。结合国家部委、各地市政策和轨道交通的实际情况，光伏建筑一体化具备在轨道交通中应用的必要性和可行性。光伏建筑一体化有2种主要模式：与建筑相结合的分布式光伏系统可分为附着于建筑物上的光伏系统（Building attached photovoltaics，BAPV）和与建筑物融为一体的光伏系统（Building integrated photovoltaics，BIPV）；目前城市轨道交通中应用的主要是BAPV的形式。而BIPV则采用建筑材料与光伏器件相结合的形式，用光伏器件直接代替建筑材料；系统作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，充分利用太阳能发电，提高绿电使用率，实现节能减排。在新建城轨线路具备条件的场所推广应用BIPV系统，将光伏组件与建筑构件组合在一起，或将符合结构强度要求的光伏组件独立作为建筑构件，充分利用地上车站、停车场、车辆段、车间的建筑屋顶等适宜场地空间，达到即节省建筑材料又节能减排的目的。同时，可以对既有运营线路地上车站车辆段、停车场等屋顶等建筑进行荷载、光照等全方面评估，对满足安装条件的屋顶、玻璃、墙体进行光伏建筑材料改造升级，全方位地开展节能降耗和绿色能源替代行动。

4.2 应用光伏声屏障

光伏声屏障一体化是“光伏+”在城市轨道交通的一种新型应用形式，拓展了城市轨道交通中新的光伏发电系统应用场景，也是响应国际城市轨道交通绿色发展方向以及落实国内相关政策的重要实践。欧洲Shift2Rail拟定的零碳运输路线图12大愿景中，愿景 5“能源最佳利用”明确将轨道旁高效的分布式新能源发电技术作为系统新能量重要来源之一。

目前，光伏声屏障在世界范围内仅在高速公路领域有试点应用案例[8]，在城市轨道交通行业内尚未有相关成熟产品。结合城轨行业自身特点，将不同类型太阳能组件与半封闭、全封闭式声屏障结构相结合，在不影响声屏障的隔音性能和安全性的情况下，充分利用轨道沿线合理布局光伏发电系统。以光伏声屏障作为绿电源头，就近安装储能系统，接入照明等设备设施，通过能量路由器形成网络结构，建立新型轨道交通能源互联网，并强化“源网荷储”各环节间协调互动，充分挖掘系统灵活性调节能力和需求侧资源。将产生的绿色能源在牵引、动照等方面进行消纳，可提升城市轨道交通的经济、社会和环保效益，实现高质量、可持续的绿色发展。

5 结语

目前光伏发电系统在城市轨道交通中的应用已经较为成熟，各城市轨道交通企业也在不断建立新的光伏发电设施，但2021年全国主要城市轨道交通已开发光伏发电系统的装机容量仅占可开发容量的6%左右，说明其仍有巨大的发展空间。太阳能作为最符合城市轨道交通可持续发展要求的绿色能源，只有因地制宜开发应用光伏发电技术，不断开拓新的应用场景和利用方式，构建多能互补的轨道交通能源互联网，实现多能协同供应和能源综合梯级利用，才能减少城市轨道交通对外购传统电能的依赖，优化能源结构，实现结构性减排，为实现“双碳”目标贡献城轨力量。