地铁高架车站太阳能光伏发电系统设计

2014-02-13周超

都市快轨交通 2014年6期

周超

(中铁二院工程集团有限责任公司成都610031)

太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜能。充分利用太阳能有利于保持人和自然的和谐及能源与环境的协调发展。人类对太阳能的早期利用主要是光和热，光伏发电技术的出现为太阳能的利用提供了广阔的空间。

发展城市轨道交通特别是地铁，成为我国缓解城市交通压力的首选。同时，城市轨道交通又是能耗大户，节能降耗亦是一项重要的任务和必须贯彻的设计原则。将光伏发电技术与城市轨道交通相结合，不仅是响应国家节能降耗的号召，也是降低城市轨道交通运营成本的需要，同时也可在市民中起到良好的示范作用，凸显“绿色交通”的新理念。深圳地铁6号线高架车站的应用实践，推动了太阳能光伏发电技术的发展，同时为太阳能光伏发电技术与城市轨道交通的结合提供了参考案例。

1 项目概况

深圳地铁6号线沿深圳市中部发展轴布设，串联龙华新区、光明新区和宝安区，全线长37.621 km，其中高架段长27.171 km，地下段长3.365 km，过渡段长0.835 km，山体隧道段长6.250 km。全线共设置20座车站，其中地下车站3座，高架车站17座。高架车站中有14座具备设置太阳能光伏发电系统的条件。

深圳地铁6号线标准高架车站一般为地面三层车站，地面一层为设备层，地面二层为站厅层，地面三层为站台层，站台顶棚面积约3 100 m1。顶棚采用门式弧形钢结构网架形式，屋外面板采用直立锁边铝镁锰合金屋面板;为满足采光要求，在站台上方顶棚处设置采光带，其效果图见图1。

图1 深圳地铁6号线高架车站效果

2 利用光伏发电技术的可行性

2.1 太阳能资源丰富

深圳市地处东经113°46'-114°37'之间，北纬22°27'-22°52'之间，海拔65 m，日照条件较为充足，日照系数1.0～1.1，年辐射量约5 225 MJ/m1，1年中300 d左右的太阳能可以得到有效利用，属于太阳能资源丰富地区［1］。

2.2 基础条件好

深圳市地铁6号线全线72%为高架线路，20座地铁车站中有17座为高架车站。高架车站沿道路路中或路侧布置，车站最小无遮挡空间平均断面宽度约70 m;车站站台顶棚采用钢结构网架形式，顶棚面积较大。因此，有设置光伏发电系统的基础条件。

2.3 节能政策支持

响应国家节能减排政策，设置太阳能光伏发电系统可有效推动我国可再生能源的发展，并增强市民的节能环保意识，产生明显的环保效益和社会效益。

2.4 光伏发电成本降低

我国作为光伏组件及设备主要生产国及出口国，已完全实现国产化，拥有成熟的技术。随着光伏发电技术的发展，光伏组件及设备的成本大幅下降，另外国家关于分布式光伏发电的补贴政策，使光伏发电产生巨大的经济效益。

3 光伏建筑一体化设计

3.1 太阳能电池选择

太阳能电池是光伏组件的核心部件，是利用光生伏特效应将太阳能直接转化为电能的元件。光电转换效率和制造成本是制约太阳能电池发展的两个重要因素。目前，商业化的太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等，性能对比详见表1［2］。

表1 太阳能电池性能比较

薄膜电池由于转换效率低、功率衰减相对快，仅适用于小批量的示范项目;晶体硅电池转换效率高、产能大、性能稳定、使用寿命长、技术成熟、应用范围广、并网电站用量多，适合在城市轨道交通项目中应用。综合价格、规模及转化效率等因素，在深圳地铁6号线高架车站太阳能光伏发电系统中选择转换效率最高、技术最成熟、性能最稳定的单晶硅太阳能电池组件。

3.2 光伏组件与车站顶棚结合方案

3.2.1 光伏组件的分类

光伏组件分为建材型光伏组件和普通型光伏组件。建材型光伏组件将太阳能电池与建筑材料复合在一起，成为不可分割的建材;普通型光伏组件在维护更换时不影响建筑的既有功能，一般采用支架式安装。光伏组件的实例如图2所示。

图2 光伏组件实例

3.2.2 光伏与建筑物结合形式分类

光伏与建筑物的结合形式大体可分为两类［3］:一类是建筑与光伏系统结合，也称为光伏附着设计，即BAPV(building attached photovoltaic)结合方式，它不需要改变建筑物本身，只需将组件固定在建筑物上，即在建筑物上铺一层光伏组件;另一类是通过专门的设计，实现建筑与光伏组件的良好结合，也称为光伏和建筑的一体化集成设计，即BIPV(building integrated photovoltaic)结合方式。BAPV结合方式仅把建筑物作为光伏系统安装场所考虑，把实现发电作为光伏发电系统的最高目标;BIPV方式则注重建筑与光伏组件的结合，强调在保证发电量的前提下，如何最大化保持建筑的外观、性能及功能要求［4］。根据地铁高架车站的特点，深圳地铁6号线选用光伏建筑一体化(BIPV)设计，光伏系统与建筑同步设计、同步施工，将建筑、技术、美学融为一体，提高了车站的整体美观性。

3.2.3 结合方案设计

深圳地铁6号线高架车站顶棚采用门式弧形钢结构网架形式，顶棚设计时综合考虑了采光、遮阳、隔热等多种因素。车站顶棚采用合金屋面板，合金屋面板每隔400 mm设板肋一道;同时在站台上方顶棚处设有透明的采光带以满足车站采光的要求。在非采光带部分，顶棚选用普通型光伏组件。光伏组件整体平铺于车站顶棚，与顶棚的倾角一致，利用支架结构通过夹具与屋面锁边肋板相连接，既保证了结构的连接强度又不影响屋面结构布置及防水。在顶棚采光带部分选用建材型透光钢化夹胶结构双玻光伏组件。光伏组件作为顶棚材料安装于顶棚钢结构上，同时构成防雨结构。该方案既满足车站本身的美观性、采光性，也可达到光伏组件布置的合理性、发电的高效性以及建设的经济性;同时，在站台候车的乘客也可以看到太阳电池板，起到良好的节能示范作用。由于太阳能电池组件吸收了太阳能辐射量，因此这种结构比单纯的金属屋面有更好的隔热效果。光伏组件在车站顶棚的布置及效果如图3～4所示。

图3 光伏组件在车站顶棚的平面布置(局部)

图4 光伏组件与车站顶棚结合效果

3.3 光伏发电系统并网设计

光伏发电系统供电分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两类。前者把太阳辐射能量直接转化为电能供给负载，并将多余的电能以化学能的形式储存在蓄电池中;后者将接收的太阳辐射能量转换成直流电后，经过逆变器向电网输出与电网电压、相位、频率等电气特性一致的正弦交流电。并网发电系统较独立发电系统省掉蓄电池，从而使发电成本大幅降低。考虑到地铁供电系统的可靠性及经济性要求，地铁高架车站光伏发电系统宜选用并网光伏发电系统。

并网光伏发电系统有高压并网和低压并网两种方案。由于地铁车站用电负荷较大，可供安装太阳能光伏组件顶棚的面积又有限，仅靠光伏发电不能满足所有的用电要求，此外小型光伏电站采用高压并网也不经济，故高架车站光伏发电系统宜采用低压并网方式。根据并网光伏发电系统的特点，在白天车站负荷优先使用光伏发电电能，当光伏发电量不够时，不足部分由地铁电网补给;在夜间或阴雨天光伏系统不能发电时，车站负荷由地铁电网供电。

根据地铁低压供电系统采用单母线分断的主接线方案，以及两台变压器各带一半用电负荷的特点，光伏发电系统分别接入变电所低压侧两段母线上，通过两段母线给车站低压用电设备供电，系统主接线及控制方式如图5所示。在并网接入点各设置一面防逆流控制箱，实时监测变电所0.4 kV进线断路器的电压和电流，一旦发现向高压侧输入电能，会立即通过通信控制逆变器降低输出电流，减少光伏系统发电功率;当出现通信故障或其他故障时(变电所故障或光伏系统故障)，防逆流控制器会控制光伏交流并网柜的输出，接触器断开，从而断开并隔离光伏发电系统与车站供电系统，避免故障的扩大或相互影响，确保供电的可靠性［5］。

图5 太阳能光伏发电系统并网系统

3.4 光伏监控系统

为更好地掌握光伏系统的运行状况和进行故障检测，设置了光伏发电监控系统进行数据采集和远程监控。把逆变器发电数据、故障报警和环境数据通过R485连接到数据采集器，然后再连接到计算机，在屏幕上显示光伏发电系统的各项数据，实时监控并保存数据。

监测系统具有开放的接口协议和标准通讯接口，将光伏发电的状况、故障以及系统内其他设备信息按要求发送至车站综合监控系统，由综合监控系统将运行情况、节能减排指标及各类信息按要求发送至车站PIS(乘客信息系统)，并按约定时间在车站显示屏上插播。将光伏发电相关信息发送至车站能源管理系统，实现发电、用电评价指标的记录计算。通过能源管理系统，控制中心可对全线光伏发电系统的数据进行监视［5］。

3.5 光伏系统防雷接地

太阳能光伏组件安装于车站顶棚上，在雷暴发生时，容易受到雷击而毁坏，为避免因雷击和浪涌而造成的经济损失，有效的保护措施必不可少。太阳能光伏发电系统与高架车站采用统一的防雷系统，利用车站顶棚的金属构件作为接闪器，选择车站墩柱的钢筋作为引下线，并在地面设置综合接地装置，有效地将入侵雷导入大地［6］。

车站顶棚电池组件的金属框架与支承结构、电缆桥架及光伏汇流箱相互连通形成均压环，在顶棚上成为一个等电位面，并与金属屋面防雷系统可靠连接;在光伏汇流箱、直流柜和交流并网柜中逐级加装防雷保护器，实行多级防雷保护，使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流，并对引入光伏设备室的线槽进行可靠接地处理以削减雷电波侵入的幅值。

光伏发电设备的安全保护接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用车站综合接地系统，接地电阻不大于4Ω［7］。另外，数据信号传输电缆的屏蔽层应具有良好的接地效应，各种设备、机箱外壳、金属线管等所有金属物都应做好等电位连接。

4 预期效益

4.1 经济效益

以深圳地铁6号线一座标准高架车站的太阳能光伏发电系统为例进行分析。地铁高架车站站台顶棚面积为3 100 m1，组件有效安装面积约为2 200 m1，装机容量为230.55 kWp。25年内年平均发电量可达23.49万kWh，可满足车站动力照明用电的30%。深圳地区按年标准有效利用日照数1 461 h计算，光伏组件在10年使用期限内输出功率不低于90%，25年使用期限内不低于80%计算发电量。表2为一座标准车站25年的发电量及节能减排预测统计表。

表2 发电量及节能减排预测统计

深圳地铁6号线一座标准车站太阳能光伏发电系统造价约为326万元，发电效益按深圳地铁目前电价0.88元/kW·h且每年上涨2%测算。

1)不考虑政策补贴。本项目投资回收期约为13.3年，25年内经济收益约为330万元，平均电价约为0.56元/kWh。

2)考虑政策补贴。根据2013年8月《国家发展改革委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知》，对分布式光伏发电实行按照全电量补贴的政策，电价补贴标准为0.42元/kWh。本项目投资回收期约为9.4年，25年内经济收益为576.7万元，平均电价约为0.14元/kWh。

因此，无论是否考虑国家的节能政策补贴，光伏发电平均成本均低于目前深圳地铁的用电电价，太阳能光伏发电系统在深圳地铁6号线中的应用有巨大的经济效益。

4.2 环境及社会效益

从表2中二氧化碳的减排量可以看出环境效益是明显的。在碳排放权日益重要的今天，减排二氧化碳有着重要的意义，在满足地铁本身的减排目标后，还可在碳排放市场进行交易。

深圳地铁6号线太阳能光伏发电系统与地铁高架车站采用光伏建筑一体化设计，从造型和美学角度实现光伏与建筑的完美结合，给人一种视觉享受。城市轨道交通作为覆盖范围广、客流量大的公共建筑，采用太阳能光伏发电系统，可起到良好的节能减排宣传和示范作用。作为国内首条太阳能光伏发电技术在城市轨道交通中大规模应用的线路，其示范意义更加重大。