光伏发电系统在城市轨道交通领域的应用

韩玉双，刘 盼，吴玉肖

（1.山东轨道交通勘察设计院有限公司，山东 济南 250014；2.浪潮软件集团有限公司，山东 济南 250101）

0 引 言

近年来，全球能源需求持续增长，生态环境与气侯问题日趋严重，加速推进可再生能源发展已成为全世界各国应对气侯变化、维护能源安全、实现可持续发展的必然选择。大力推进可再生新能源发展，有助于改进我国能源结构，促进我国经济、能源、环境与气候的协调发展，推进可持续发展的战略目标。太阳能作为清洁、可再生、无污染的能源正越来越受到业界的关注与亲睐。轨道交通是能源消耗和碳排放的重要行业，安全高效、绿色低碳是交通运输未来发展的全球共识，推进轨道交通能源结构变革势在必行[1]。

1 光伏发电的意义和必要性

1.1 保护环境，缓解能源压力

无节制地大规模开发利用化石燃料，不仅加剧了环境、气候问题，而且加速了这些宝贵资源的消耗。与核电、生物质能发电等新型发电技术相比，光伏发电系统的发电过程最洁净；与风电、水电相比，光伏发电的资源最丰富。在可再生能源发电技术中，光伏发电技术具有理想的可持续发展特征[2]。

1.2 开发利用可再生能源符合可持续发展战略方向

我国地大物博，是世界上最大的煤炭生产国。我国能源以传统化石燃料为主，是世界上最大的煤炭消费国，对化石燃料能源的过度依赖和过度开采，已对我国的环境造成了巨大的破坏，并对经济和社会经造成了很大的负面影响。因此，加快能源结构的调整步伐，加速提升清洁能源的开发能力成为我国能源结构改革的主要任务和工作重点。

国家能源局锚定双碳目标，多措并举，以水力发电、风力发电、太阳能发电等工程为着力点，加速可再生清洁能源的开发，推动可再生能源跃升发展。最新统计数据显示，截至2023 年12 月，我国可再生能源发电装机总容量再创新高，增长至1.45×109kW，超过火电装机容量，成为我国保障电力供应的新力量。

1.3 开发利用可再生能源是必由之路

我国的电力供需基本平衡，但近年来迎峰度夏期间的电力保供问题引起了广泛关注，电力供应面临严峻挑战，多地先后执行负荷管理措施。目前，我国能耗需求日益增长，但天然气资源、石油资源以及煤炭资源等不可再生化石资源的存量日益减少，因此必须加速新能源的开发利用，以可再生清洁能源取代日趋枯竭的化石能源。

1.4 响应国家政策

近年来，我国陆续出台了一系列规划性和实施性指导文件，对绿色能源的转型、碳达峰、碳中和等工作规划了明确的目标和重点任务。国务院印发的《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》和山东省交通运输厅发布的2023 年全省交通运输工作要点（工作计划）中明确指出，鼓励在交通枢纽场站、铁路沿线、公路沿线以及高速公路边坡合理布置光伏发电设施，持续推进新能源、清洁能源在交通领域的布局和应用。

2 光伏发电系统在轨道交通领域的应用现状

光伏发电系统技术日趋成熟，为光伏发电系统在城市轨道交通领域的推广、应用提供了良好的技术条件。同时，轨道交通具有发展分布式光伏发电系统的先天优势，高架车站、车辆段和停车场均提供了充足的屋顶资源，并且轨道交通的用电负荷较为稳定，光伏发电与负荷需求步调基本一致，匹配程度较高，能够较好地消纳当地的光伏电力。因此，光伏发电在轨道交通领域的应用逐年攀升[3]。

2.1 光伏发电系统与高铁车站的融合

北京南站是国内首次采用太阳能发电的大型火车站，该项目的落成拉开了我国建设绿色枢纽站场的大幕。亚洲最大高铁站雄安高铁站的车站房屋面建设光伏项目，共铺设42 000 m2光伏组件，总装机容量为6 MW，每年可发电量达5.8×106kW·h 左右，自发自用、余电上网，能够为该高铁站提供20%的绿色电力。上海虹桥站、杭州东站、武汉站、济青高速铁路项目4 座车站以及济莱高速铁路项目5 座车站均设置光伏发电系统。除上述高铁站外，国内还有许多高铁站配置了光伏发电项目。“光伏+高铁”模式正在全国各地快速落地推进，这是我国积极应对气候变化、推进新能源发展的举措。

2.2 光伏发电系统与城市轨道交通的交融

早在2018 年，上海申通地铁股份有限公司就特地全资投资设立了上海地铁新能源有限公司，统筹整合内部资源，实行专业统一化管理，专门负责开展轨道交通领域的光伏发电项目建设、节能改造等相关业务。至今，上海地铁已建成16 个车辆基地光伏发电系统，且均已完成并网运营，总装机容量合计约43.3 MW。随着光伏发电技术的发展，我国光伏发电装机容量逐年攀升。全国各地城市轨道交通中光伏发电系统的建设情况如表1 所示。

表1 城市轨道交通领域光伏发电项目的建设情况

3 光伏发电系统在城市轨道交通领域的设计方案

3.1 光伏发电系统结构组成

光伏发电系统主要由光伏组件、直流汇流箱、逆变器、交流并网柜以及光伏发电监控系统等组成。其中，光伏组件为能量转换器件，能够吸收光能，利用半导体的界面产生光生伏特效应，在光伏电池板的两端产生电动势，将光能直接转变为电能。直流汇流箱将若干个同一规格的光伏组件串联起来，组成光伏串列，然后再将一定数量光伏串列以并联形式接入直流汇流箱，在直流汇流箱内汇流后，通过逆变器、交流并网柜并入电网。逆变器是将直流电转变为交流电的设备，具备较为完善的保护功能[4]。光伏发电监控系统通过数据线将光伏发电系统各设备连接起来，数据采集器对各设备的数据进行采集，并上传到本地电脑或网络服务器，管理人员可以在本地电脑端或网络平台查看实时运行数据，便于远程集中监测和管理，无须到现场逐台查看设备的状况，可节约大量人力运维成本。

3.2 系统设计原则

首先，安全性是以安全可靠、便于运维为前提。施工过程中要保证绝对安全，不能给建筑物内的其他用电设备带来安全隐患，方便施工的同时应利于维护，尽可能减少运行中的维修维护成本。其次，美观性是在维持建筑原有风格和外观造型的前提下，设计光伏组件阵列的布局，与建筑结合，美观大方。最后，高效性是光伏发电系统在考虑安全、美观的前提下，提高光伏组件的利用效率，在给定的安装面积内充分利用太阳能，提高系统发电量。

3.3 系统设计方案

在高架车站的屋顶设置光伏组件，标准站每站可设光伏发电系统的装机容量约为200 kW。每座高架车站的动力照明用电总负荷约为750 ～900 kW，车站用电需求远大于光伏发电系统装机容量，并且用电负荷具有稳定性、持续性，车站光伏发电系统的发电量可完全被消纳，因此采用“自发自用”模式。在车站变电所低压侧0.4 kV 并网，每站的年均发电量约200 000 kW·h。

车辆基地运用库、检修库等屋面资源丰富，且平整开阔，每个车辆基地屋顶可利用面积约为30 000 ～50 000 m2，装机容量约为4.5 ～7.5 MW，可采用“自发自用，余电上网”并网模式，接入车辆基地各个变电所（牵引降压混合变电所、跟随式降压变电所）0.4 kV 低压侧并网，或经过升压变压器接入混合变电所35 kV 高压侧并网[5]。车辆基地的年均发电量约是4 500 000 ～7 500 000。

推荐屋面采用直立锁边金属板，便于利用夹具锁住直立卷边来固定光伏组件，此方案无须预留预埋，安装灵活且避免破坏屋面。

光伏发电系统的防雷接地措施应安全可靠，需同时设置交流防雷装置与直流防雷装置。光伏发电系统和主体建筑的防雷接地系统可靠联结为一体，可有效防止雷击，以确保系统与设备正常运行，保证人身安全。

4 光伏发电经济效益分析

以10 000 m2屋顶面积为例，光伏装机容量约为1 MW，光伏系统的设计寿命为25 年，光伏功率的首年衰减率为2%，往后每年衰减率为0 55%。该系统25 年的收益如表2 所示。

表2 1 MW 光伏发电系统的收益

建设光伏发电系统的收益分析如下：根据现阶段市场调研，1 MW 光伏发电系统的建设投资约为4×106元，经收益分析计算，投资回收年限为55 年，25 年累计发电量约为2.48×107kW·h，总收益约为1.735 1×107元，净收益为1.335 1×107元。综上，轨道交通新建线路在车辆段/停车场大库及高架车站建设光伏发电系统，在优化结构能源的同时，降本增效效果显著。

5 社会及环境效益

随着全球能耗需求的快速增长，过度开采与排放加剧了生态环境恶化，减排纷争愈演愈烈，已引起全球各界的关注，如何解决发展与环境的矛盾已不再是各国的自身问题，降碳减排成为全球各国的目标和义务，共担时代责任，共促全球可持续发展迫在眉睫。加快发展风能、水能、生物质能以及太阳能等可再生能源的利用是推进我国能源可持续发展的必由之路。

可再生能源中，太阳能资源分布范围广泛，是目前最丰富的清洁型可再生能源，并且光伏发电过程无噪声、无污染排放，安全可靠。充分发展利用光伏发电系统，既可减少石化能源的消耗，完成节能减排指标，又减少了环境污染，维护了生态环境，改善了温室效应，社会及环境效益显著。

6 结 论

目前，我国光伏发电技术快速迭代，产品单价逐年递减，单位面积光伏组件的装机容量持续提升，光伏发电系统全生命周期收益程上升趋势。随着轨道交通光伏发电系统建设进程持续加快，光伏发电系统的总装机容量跃升式增长，优化能源结构的同时，加速推进了轨道交通的碳达峰、碳中和工作，起到了节能减排示范和宣传作用。