济南轨道交通R1线高架车站光伏系统研究

王国富 公丕柱 刘海东

济南轨道交通R1线高架车站光伏系统研究

王国富1，2公丕柱1刘海东1

(1.济南轨道交通集团有限公司济南250101;2.山东科技大学土木工程与建筑学院山东青岛266590)

对光伏电池、光伏支架的选型进行分析，研究光伏阵列安装倾角与年总辐照量及阵列间距之间的关系，根据轨道交通光伏系统的特点，选取经济评价指标，对直接关乎投资成本和收益的倾角选择进行技术经济比选，最终确定光伏发电系统的阵列布置方案和并网方案。结果表明:济南轨道交通R1线高架车站光伏发电系统具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。

轨道交通;高架车站;光伏;技术经济分析

随着我国城市化进程的发展，交通拥堵已成了久治不愈的顽疾，发展城市轨道交通是解决该问题的有效途径。光伏发电具有资源丰富、获取便捷、利用灵活的特点。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减排的号召，也是降低城市轨道交通运营成本的需要［1］。济南轨道交通R1线在高架车站采用光伏发电系统，将推动光伏发电技术在轨道交通领域中的发展，为其他城市的轨道交通建设提供借鉴。

1 项目概况

济南市位于北纬36°41'，东经117°59'，属暖温带半湿润季风型气候。年总辐照量为4 810～5 400 MJ/m2，年平均日照时数为2 200～2 900 h［2］，光照资源丰富，适宜建设光伏发电系统。

R1线是济南市西部新城区一条南北向轨道交通线。全长26.11 km，其中地上16.2 km;共设11座车站，其中高架车站7座;标准高架车站屋顶总面积3 056 m2，其中光伏可用面积2 033 m2，标准车站剖面参见图1［3］。

图1 标准车站剖面

2 光伏元件选型

2.1 电池

光伏发电系统中最重要的是电池，是收集太阳能量的基本单位，大量的电池通过串并联组合构成光伏组件。各类光伏电池性能对比详见表1。

目前应用的绝大多数电池是由晶体硅材料制造，薄膜电池中的非晶硅薄膜电池应用相对较多。晶体硅电池的价格已经与非晶硅电池价格相当，但非晶硅电池的效率较低，同等容量的光伏发电系统，非晶硅的占地、支架用钢量和基础数量是晶硅的2～2.5倍;硒化铜铟电池和碲化镉电池适于用小批量示范项目。综合投资成本、转化效率及国产化率等因素，本项目采用技术成熟、性能稳定、转换效率高的多晶硅太阳能电池组件，拟采用的光伏组件基本参数见表2。

表1 光伏电池性能比较

表2 多晶硅光伏组件基本参数

2.2 支架

光伏支架有固定式和自动跟踪式两种类型，光伏支架性能对比详见表3(以固定式倾角不可调支架作为计算基准)。鉴于地铁高架车站光伏发电系统规模较小，本项目采用固定式倾角不可调支架。

3 光伏阵列布置方案

3.1 倾角选择

3.1.1 倾角与年辐照总量的关系

利用软件PVSYST6.0对年总辐照量进行计算，图2是在方位角为0°时，济南市区光伏阵列接受到的年总辐照量与倾角关系。

图2 不同倾角下的年总辐照量曲线

由图2可知，倾角在［0°，32°］时，光伏阵列接受到的年总辐照量随倾角的增大而增大;倾角为32°时，年总辐照量达到最大值1 566 kWh/m2;在［32°，90°］时，年总辐照量随倾角的增大而减小。当光伏阵列的方位角不同时，年总辐照量与倾角的关系会略有差异。

3.1.2 倾角与阵列间距的关系

光伏阵列各排、列的布置间距，应保证冬至日当天9:00-15:00时段内前、后、左、右互不遮挡。固定式布置的光伏阵列不被遮挡的间距如图3所示，两排阵列间距计算如下［4］

式中:L为阵列倾斜面长度;

β为阵列倾角;

为当地纬度。

图3 阵列间距示意

济南纬度=36.40°，若L为定值，当倾角在［0°，68°］区间时，阵列间距随倾角增大而增大;在［68°，90°］区间时，阵列间距随倾角增大而减小。

根据光伏组件年总辐照量与倾角、阵列间距与倾角的关系，光伏阵列倾角应在［0°，32°］区间选择。

3.2 安装倾角确定

光伏发电系统应用于高架车站，首先应不影响建筑功能，并与建筑协调一致;其次需要对光伏发电系统进行技术经济分析［5］，结合项目实际情况，确定最优方案。

3.2.1 高架车站两侧坡屋面倾角确定

为保证建筑统一和谐的外观，高架车站屋顶两侧坡屋面的光伏组件采用平铺方式布置，即光伏阵列倾角为14.5°。光伏阵列的布置如图4所示，共布置光伏组件数量288块;7座高架车站两侧坡屋面的年总辐照量如表4所示。

图4 车站两侧光伏阵列布置

表4 高架车站两侧坡屋面年总辐照量

由表4可知，尽管7座高架车站的方位角不同，但每座车站的年总辐照量的平均值非常接近，因此，以总平均值1 373 kWh/m2作为技术经济分析的数据。

3.2.2 高架车站平屋面倾角确定

7座高架车站的方位角各不相同，如表4所示，其中池东站为东西走向，结合车站屋顶平屋面形状，池东站采用光伏组件平铺方案。其余6座车站为南北走向，车站方位角不同时，光伏阵列接受到的年总辐照量也不同，各个车站年总辐照量与倾角的关系见图5。

图5 不同车站年总辐照量与倾角变化关系曲线

由图5可知，光伏阵列的法线方向与正南方向的夹角越大，年总辐照量越小。为降低投资成本，减少运营维护量，光伏组件支架采用统一倾角，因此，以6座车站的年总辐照量平均值作为技术经济分析的数据。

考虑到高架车站外观效果以及光伏组件支架风荷载等因素，车站平屋面采用光伏组件短边(982 mm)起角方案。利用式(1)求出光伏阵列最小间距与倾角的关系，见图6。

图6 阵列间距与倾角关系曲线

由图6可知，随着安装倾角的增大，光伏阵列的最小间距逐渐增大，实际工程建设中还要考虑检修通道。

由于高架车站安装区域一定，当安装倾角不同时，光伏阵列接受到的年总辐照量和阵列间距也不同，导致光伏组件安装数量和发电量均会有所差别，因此，安装倾角的确定需要结合技术经济分析结果进行比选。

4 技术经济分析

4.1 分析指标

光伏发电项目建设期一次性投资大，运营期通过发电产出回收成本。随着轨道交通运营成本的提高，前期对项目进行技术经济分析尤为必要。通过对财务净现值、项目投资回收期等指标进行分析，确定项目的可行性。

4.1.1 财务净现值(FNPV)

财务净现值计算［6］

式中:CI为现金流入量;

CO为现金流出量;

(CI－CO)t为第t年的净现金流量;

n为项目计算期;

ic为设定的折现率。

光伏系统的现金流出量在建设年主要为初始一次性投资，包含设备采购费和安装费;运营期现金流出量主要包括设备维护费及人员工资等。为降低运营费用，光伏系统可由地铁供电工班维护保养，按建设年现金流出量的1%考虑。

光伏发电系统建设年现金流出量为

式中:N为光伏组件数量;

Pc为每块光伏组件价格，包含组件与支架、逆变器单元、电缆等采购费和安装费。

光伏发电系统年现金流入量为

式中:EP为发电量，kWh;

Pe为电价(含政策补贴)。

光伏系统的发电量计算为

式中:HA为水平面年总辐照量，kWh/m2;

Es为标准条件下的辐照度(常数=1kWh/m2);

Wp为组件最大功率，kWp;

k为组件衰减系数;

K为综合效率系数。

4.1.2 项目投资回收期(Pt)

投资回收期计算

式中:T为各年累计现金流量首次为正值或零的年数。

4.2 分析结果

假设折现率为8%，综合效率系数为0.815，投资成本为7.8元/WP，电价为1.22元/kWh(含政策补贴0.42元/kWh)，检修通道宽度为500 mm。

4.2.1 高架车站两侧坡屋面

当车站两侧坡屋面光伏组件采用平铺布置时，技术经济分析结果见表5。

4.2.2 高架车站屋顶平屋面

当平屋面光伏阵列安装倾角不同时，技术经济分析结果见表6。

由表6可知，倾角在［0°，32°］时，项目财务净现值均为正，表明项目在财务上可行。

1)倾角为0°时，安装的光伏组件数量最多，光伏发电系统的发电量最大，但初始投资大，回收期长，主要原因是年总辐照量平均值低。工程实践表明:光伏组件安装倾角为0°时，不可利用的太阳辐射损失和表面尘埃遮挡损失大幅增加，实际效率比理论效率低20%左右［7］。

表5 车站两侧坡屋面技术经济分析结果

表6 车站屋顶平屋面技术经济分析结果

2)倾角为32°时，光伏发电系统初始投资小、回收期短，但系统发电量太小。

3)倾角为12°时，光伏发电系统的净现值和发电量较高(仅次于0°)，项目的初始投资和回收期适中，能较好地兼顾经济效益和社会效益。

综合发电量、初始投资、财务净现值以及工程经验，本项目光伏阵列的安装倾角为12°，光伏阵列布置见图7。

图7 车站屋顶平屋面光伏阵列布置

5 并网方案

R1线7座高架车站配电变压器容量均为2×400 kVA，光伏发电系统的最大上网功率约为114.4 kW，不能满足车站的全部负荷用电需求，基于供电可靠性要求，高架车站光伏发电系统应采用低压并网方式。白天车站负荷优先使用光伏发电的电能，不足时由电网补给;在夜间或阴雨天光伏系统不能发电时，车站负荷由电网供电。光伏发电系统的并网电路参见图8，光伏发电系统分别接入车站低压侧两段母线给车站动力照明负荷供电。

图8 光伏发电并网主电路

6 效益分析

1座高架车站光伏发电系统的25年经济效益预测和节能减排预测见表7、8。由表可知，济南轨道交通R1线应用光伏发电系统具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。

表7 经济效益预测

表8 节能减排预测

7 结论

1)高架车站光伏发电系统需考虑车站所在地日照资源、建筑条件、周边环境条件等因素，进行技术经济分析后，评估是否适宜建设。

2)高架车站光伏发电系统规模较小，宜选择多晶硅光伏组件，采用固定式倾角不可调支架安装;基于供电可靠性要求，应采用低压并网方式。

3)高架车站光伏组件安装区域一定，影响项目经济效益的关键因素是光伏阵列的安装倾角;对于车站坡屋面光伏组件可利用建筑角度平铺布置，平屋面光伏组件倾角需通过技术经济分析确定。

［1］周超.地铁高架车站太阳能光伏发电系统设计［J］.都市快轨交通，2014，27(6):104-108.

［2］舒海静.济南地区风力发电和太阳能发电资源潜力分析［D］.济南:山东大学，2005.

［3］北京城建设计发展集团股份有限公司.济南市轨道交通R1线工程初步设计［A］.济南，2015.

［4］光伏发电站设计规范:GB 50797—2012［S］.北京:中国计划出版社，2012.

［5］钟天宇，刘庆超，杨明.并网光伏电站光伏组件支架最佳倾角设计［J］.发电与空调，2013，34(1):5-7.

［6］国家发展改革委建设部.建设项目经济评价方法与参数［M］.3版.北京:中国计划出版社，2006.

［7］杨光勇，陈贶，邹宗育，等.不同安装倾角的光伏系统发电量分析［J］.有色冶金节能，2013，10(5):50-54.

(编辑:郝京红)

Research of Photovoltaic System Installed on Elevated Station of R1 in Jinan Rail Transit

Wang Guofu1，2Gong Pizhu1Liu Haidong1
(1.Jinan Rail Transit Group Co.，Ltd.，Jinan 250101;2.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590)

By analyzing the design of photovoltaic cell and photovoltaic support，the relationship among the tilt angle of photovoltaic array，the annual total amountof radiation and the distance between arrayswas studied.The economic evaluation index is selected in accordancewith the characteristicsof the photovoltaic system.The tech－economic comparison hasbeenmadeon the impacts of tilt anglewhich directly affects investment costs and benefits.Finally，the array layout scheme and grid photovoltaic power generation system are determined.It turns out that the photovoltaic power generation system installed on elevated station of R1，Jinan brings excellent economic，environmental and social benefits.

rail transit;elevated station;photovoltaic;tech－economic analysis

U231

A

1672-6073(2016)02-0026-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.006

2015-09-07

2015-11-03

王国富，男，博士，教授级高级工程师，从事城市轨道交通工程研究，metro_jinan@126.com

山东省自然科学基金(ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028)