太阳能光伏发电系统在城市轨道交通高架车站的运用探讨

谭明伟

中铁大桥勘测设计院集团有限公司 湖北 武汉 430000

引言

在太阳能光伏系统实际使用过程中，其可以利用半导体界面的光生伏特现象直接将光能转变成电能。光伏发电系统在实际应用具有绿色无污染、资源丰富、扩容方便、使用灵活的优点，并伴随着太阳能电池研究不断深入和转换效率不断提升，发电成本越来越低。从人类长远发展和环境保护角度出发，太阳能光伏发电在人类社会发展中扮演的角色越来越重要。城市交通具有运输速度快、安全、节约能源的优点，是未来城市交通重要发展方向。在城市交通系统发展到一定阶段后，必然会朝着郊区发展。为了有效降低城市郊区轨道交通系统运行成本，就需要合理设置地面路线、设置高架车站，这为光伏发电系统在车站屋顶应用提供了非常好的条件，能够有效迎合环保型城市轨道交通建设需要。

1 光伏发电系统分类以及工作原理

1.1 光伏发电系统

太阳能电池是光伏发电技术重要组成部分。通过对太阳能电池串联使用，就可以直接形成大面积的太阳能电池组，再配合上各种功率控制器，就可以直接形成光伏发电装置。光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器组成，其中包括各种电子元器件，机械组件应用相对较少[1]。光伏发电系统应用非常容易，系统运行具有可靠、稳定、寿命长、安装简单的优点。光伏发电系统通常可以分为光伏发电系统和并网发电系统。其中独立光伏电站又可以分为村庄供电系统、户外电源系统、通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯系统中，为了能够将太阳能电能储存起来，系统通常都带有蓄电池。

1.2 独立使用光伏发电系统工作原理

独立发电系统使用过程中往往可以自成体系，功率范围也比较广，可以涵盖几毫瓦到几千瓦的范围。为了能够在弱负载条件下依然可以持续供电，光伏发电系统会配合储能系统使用，也有配合超级电容进行使用。

2.3 光伏阵列

整个系统通常由多块光伏电池组串联组成，能够形成光伏阵列。为了能够有效保证光伏组件运行效率，在同样条件下获得更多的电能，就需要在光伏电池组合储能装置之间安装电力电子控制装置，从而有效实现能量转换，这些电力电子控制器通常具有充放电的控制功能。如果负载属于交流负载，还需要在系统中配置逆变器，实现直流电源向交流电源的转换。另外，部分独立光伏发电系统还具有系统监控和显示等功能。

2 光伏发电系统设计要求

2.1 建筑设计

在开展建筑工程设计过程中，应该考虑当地的气候条件，掌握该地区太阳能资源具体情况。另外，还应该考虑建筑自身接受太阳辐射的条件，如建筑周围是否存在建筑遮挡以及建筑接受光照的时间等。另外，还应该与建筑的外立面有效结合起来，能够根据建筑外立面设计风格，来开展系统布局工作，能够与建筑的立面协调起来。对于外立面的透光位置，应该采用合理的代替施工方法，避免对建筑采光造成严重的影响，将建筑采光与光能收集有效结合起来。

2.2 发电系统

建筑光伏系统与地面光伏系统设计存在一定的差异，需要着重考虑建筑自身的采光需求，能够合理开展光伏方针的布设工作，合理确定发电功率。地面系统设计过程中，应该满足发电功率要求，合理对光伏方针和配套进行设计[2]。

2.3 光伏方阵设计

由于建筑外形和外观装饰的特殊性，在实际进行光伏方阵设计过程中，需要与建筑外形结合起来，认真做好建筑外形和外饰设计，建筑形状、板块大小、颜色、朝向应该建筑立面结合起来，这就需要在设计中加强与设计人员的协调。此外，还需要合理确定光伏发电系统的类型，可以选择独立系统或者并网系统的形式，能够根据光伏系统输出功率大小，来合理配置控制器和逆变器。

2.4 能够合理选择并网形式

在通常的情况下，根据光伏系统投产后供电方式的不同，太阳能光伏系统可以分为独立光伏系统、并网光伏系统和混合光伏系统。在独立光伏系统当中，供电电力主要来自光伏系统，其是一个结构最为简单的光伏系统，甚至部分系统发电会直接供给直流系统，并不需要并网发电。这些系统在偏远山区的应用比较多，可以直接驱动各种小型电器。各种并网光伏系统主要在分布式发电建设项目中进行应用，可以将太阳能转变为直流电，然后经过逆变器转变为交流电，然后直接并入电网。这种类型的光伏系统可以直接作为电网的储能系统，不需要配置蓄电池，占地面积相对较少，如果碰到阴雨天气，可以直接切断与电网的联系，有效提升电网发电的稳定性。混合光伏系统属于一种运行非常稳定与可靠的发电系统[3]。通过将该系统引入到光伏系统，能够有效保证向负载供电的稳定性。一旦遇到了不利的天气条件，光伏系统输出功率相对较少，难以保证并网质量，此时就需要采用其他形式的负载供电，避免单一光伏供电所带来的不足。

3 城市规模交通高架站用电负荷

3.1 城市交通高架车站用电负荷通常可以分为动力负荷和照明负荷

①其中动力负荷主要包括变电所操作电源、通信设备、信号设备、AFC设备、ISCS设备、FAS设备、BAS设备、安全设备、消防水系统、消防用风机、自动扶梯、防火卷帘门、普通风机、检修电源、空调设备、清扫电源等。②各种照明负荷主要包括车站应急照明系统、车站公共区、区间照明系统等。在城市轨道交通高架车站实际运行过程中，对于日照条件较好的白天，除了少数没有窗户的设备房，并不用开启照明设备。因此，在一般的情况下，白天可以人为不需要开启照明设备。根据统计分析显示，白天车站用电负荷主要是动力负荷，总容量大约为410kVA，晚上车站运行总负荷为619kVA。

3.2 车站屋顶可以利用面积计算

对于一般类型的轨道交通高架车站屋顶总面积为2700m2，为了保证车站阴天稳定供电，需要将太阳能电池板与屋顶面保持平行安装，这样能够有效避免大风天气对太阳能电池板造成影响[3]。为了有效保证太阳能发电效率，根据当地所处纬度，将车站屋顶直接朝向太阳，并与地面呈20°的角度，这时屋顶面积约为3100m2，为了给太阳能电池维修提供必要的空间，直接将其利用面积设置在了2700m2。

3.3 系统输出功率估算

根据太阳能电池理论发电量计算，太阳能电池板发电量大约为120w/m2，理论发电量大约为324kW，另外考虑到太阳能发电电能传输损耗以及逆变器功率因数，其设计输出功率为291kW。

3.4 年发电量估算

根据每天3.5h有效日照时间，同时考虑线路损耗和逆变器损耗等因素，车站屋顶光伏发电系统每天发电量大约为1021°，年发电量为37.3万°。

4 车站屋顶光伏发电系统方案设计

图1 车站屋顶光伏发电系统

4.1 系统建设目标

根据高架车站实际用电需要，在天气良好的情况下，车站太阳能发电系统发电量可以满足车站所有动力负荷用电需求，剩余电能也相对较少。为了能够保证发电系统运行经济性，车站屋顶发电系统不向城市电网输送电能。地铁车站的光伏系统和400V低压母线并网使用，因地铁很多负荷级别比较高，需要设置双电源，晚间靠太阳能难以满足直接末端供电的需求，则在地铁高架站推荐使用与400V母线直接并网的方式，实现即发即用。

4.2 车站动力负荷

在光照条件较好的天气，可以直接将光伏发电系统输出的电能作为车站用电负荷，对于剩余的电能可以通过EPS系统或者蓄电池组存储起来。如果气候条件不是非常理想，光伏发电系统输出电能只能满足车站部分用电设备用电需求，其中一部分负荷直接来自配电变压器供电。遇到光照条件较差的天气，光伏发电系统输出电能只能满足部分用电设备用电需求，全部负荷由车站配电变压器使用，光伏发电系统输出电能仅为EPS系统或变电所操作电源系统蓄电池充电。

在车站供电方案设计中，采用了两组光伏方阵，并使用2000kW直流柜进行供电管理。为了能够正常满足车站供电负荷使用要求，需要使用逆变器将光伏直流电逆变成交流电，并将逆变好的交流电通过光伏并网柜导入到车站负荷系统。

4.3 光伏发电设备

车站屋顶光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、太阳能跟踪控制设备组成。为了保证太阳能发电系统在车站运行过程中，可以充分发挥自身的作用，太阳能发电系统直接由蓄电池组、充放电控制器和EPS电源组成。从技术发展的角度来看，光伏发电系统已经非常成熟，各种成功应用案例非常多。从经济角度来分析，城市轨道交通车站屋顶在使用光伏发电系统之后，可以有效得到财政和政策的支持，项目实际投入也并不是非常大。

5 结束语

随着时代的不断发展，对电能的需求量不断增加，为了在提升电能供应量的同时，保证供电绿色效果，应该进一步加强对光伏发电技术的应用。例如，可以将光伏发电技术应用到城市轨道交通高架车站中，可以在大部分天气状况下满足车站动力负荷供电需求，经济效益非常现状。