城轨电扶梯出入口光伏系统方案研究

郑 燕 张 琨



城轨电扶梯出入口光伏系统方案研究

郑 燕 张 琨

摘 要：城市轨道交通出入口顶部多采用透明玻璃结构，结合太阳能光伏系统的应用现状，提出将出入口顶部透明玻璃更换成光伏玻璃的方案，既有效地减少了阳光直射导致的升温，又可产生清洁能源供使用。结合宁波地铁的应用实例，证明方案的可行性与优越性，为城市轨道交通中新能源的利用提供新的思路。

关键词：光伏玻璃；太阳能；城市轨道交通；出入口；电扶梯

郑 燕：中铁第四勘察设计院集团有限公司设备设计处，工程师，湖北武汉430063

0　前言

新型能源形式的引进是引发绿色能源革命和绿色建筑革命的交汇点。随着光伏技术的不断发展，电池片的转换效率不断提升，而成本不断下降，将太阳能光伏发电系统应用于轨道交通项目是未来的发展方向。太阳能光伏发电系统的各种彩色光伏组件，可以取代和节约昂贵的轨道交通车站出入口的外饰材料（如幕墙和玻璃顶等），使建筑物的外观更具科技感；太阳能光伏发电系统正好在白天用电高峰供电，从而缓解高峰电力需求，这对于轨道交通等用电大户更为重要。如柏林火车站采用了光伏采光顶，如图1所示。

目前轨道交通项目在国内大中城市中蓬勃发展，从人性化设计的角度，每个车站出入口都设置了电扶梯，从美观的角度出发，往往出入口都设计成透明型式，但带来的新问题就是阳光天气下会使得出入口温度很高，甚至造成电扶梯控制部分死机。城市轨道交通同样可以考虑采用光伏发电系统，如图2所示，在地铁出入口采用光伏玻璃作为采光顶，不仅可有效地减少直接射入光线，降低温度，还能将太阳能转换为电能，供给其他设备使用，有极佳的节能效果和示范效应。

图1　柏林火车站光伏采光顶

图2　安装光伏组件的出入口示意图

本文提出的设计方案就是如何在出入口设置光伏发电系统，有效地利用太阳能，实现环保节能的理念。

1　光伏系统技术方案

1.1光伏采光顶系统

1.1.1光伏系统组成

独立光伏供电系统由光伏组件阵列、光伏控制器，离网光伏逆变器、蓄电池、电缆和汇线盒等设备组成。系统由硅电池发电，蓄电池储存，组成1个独立的运作系统（图3），无需借助外部电网。

（1）光伏组件。光伏组件的核心是太阳能电池，采用高效晶体硅太阳能电池。电池的减反射膜为等离子体增强化学气相沉积的氮化硅膜。光伏组件水平地安装在地铁口采光顶上（图4），电池片采用高效晶体硅电池片。太阳能光伏组件每块240 Wp，尺寸为2200 mm×1000 mm，具体工程根据需要计算确定数量。

（2）光伏控制器。光伏控制器通过微处理器进行蓄电池充放电控制管理，当蓄电池过压或者欠压自动断开，保护电路安全。光伏控制器效率一般取97%。每个车站出入口配置1台光伏控制器。

图3　独立光伏系统原理框图

图4　光伏采光顶

（3）蓄电池。建议尽量配置无记忆效应的蓄电池，容量根据实际需要供电的用电量进行计算，使用周期则按当地气候进行选取。当然方案中也可以减少蓄电池，设定低于一定的电压时，则切入市电。

（4）离网逆变器。逆变器的输出频率为50 Hz，正常工作条件下其偏差不超过5%。如果采用正弦波逆变器，其最大输出电压的波形失真度不超过 ±5%。离网逆变器效率取96%。

每个车站配置1台离网逆变器，包含 IGBT 逆变单元、直流/交流配电、程序控制器、发电最大功率跟踪、整合控制面板等模块，有显示工作状态和工作参数（直流电压，交流输出）、绝缘监视（动态接地错误检测）等功能。

（5）汇线盒。一般采用太阳能专用方阵汇线盒（含断路器及避雷器），每个车站配置1套。

（6）电缆，包括光伏专用电线和交流电力电缆线。参考IECll94《 建筑物的电气安装 》与 IEC269-l 《 低压保险 》标准中的相关要求，查阅《 建筑电气设计手册 》，考虑到工程中电缆使用环境为高层建筑、部分架空，使用交联聚乙烯阻燃型电缆线，确保整个工程安全、防火。整个太阳能方阵线损按2% 考虑。

1.1.2接地和防雷设计

太阳能光伏电站为3级防雷建筑物，应按照GB50057《建筑防雷设计规范》进行防雷和接地设计，但设计中应尽量避免避雷针的投影落在光伏组件上。光伏电站对接地电阻值的要求较严格，因此，要实测数据，建议采用复合接地体，接地机的根数以满足实测接地电阻为准。

1.2光伏采光顶安装结构

光伏组件作为发电设备安装在地铁出入口及电梯井道的玻璃采光顶上，光伏组件采用四边支撑的结构形式，固定在钢梁结构上，替代普通建筑玻璃，构造了一种简洁、安全、经济的安装结构系统。光伏组件基本水平安装，具体见图5。

2　光伏系统经济效益及社会效益分析

2.1方案设置地理位置

以宁波市为例，即东经120°55' 至122°16'，北纬28°51' 至30°33'。全市规划有轨道交通7条线路，其中轨道交通1号线一期工程共20个站，1个站平均有4个出入口。其气象监测要素特征如下。

（1）气温：年平均气温16.4℃。

（2）降水：年平均降雨量为1480 mm。

（3）年平均水平面太阳辐射值：3.59+kW·h/m2/天。

（4）全年日照总时数：1850 h。

2.2光伏组件使用面积及发电量计算

2.2.1出入口光伏系统使用面积

车站可安装光伏玻璃的设施包括出入口雨棚以及电梯口，每个出入口按2台电梯考虑。雨棚的光伏玻璃主要安装在顶部与侧面；电梯口安装方式见图6，主要考虑对顶部设备的保护，而下部保持通透。该光伏项目采用光伏建筑一体化（BIPV）的安装形式，由200块“8 mm厚超白钢化玻璃 +2.28 mm 厚非晶硅薄膜电池+8 mm 厚钢化玻璃”的光伏组件构成，代替普通建筑玻璃，不仅具有采光、挡雨的功能，而且还具有发电的功能，有非常好的示范效果和节能作用。

图5　光伏组件安装结构图（单位：mm）

2.2.2光伏系统发电量计算及经济效益分析

每个车站的出入口光伏玻璃总面积合计大约为580 m2，采用高效晶体硅电池片，系统的总功率约为58 kW，年发电量约为7.6万 kW·h。以上方案只是在光伏组件在附近无遮挡无严重污染等情况下的理论计算值，仅供参考。

出入口按照每个灯箱有 LED 灯（功率18 W）4个考虑，每天供电从18:00到23:00，共5 h，一天总的耗电量为0.36 kW·h，根据宁波的天气情况，按有3天连续阴雨天气进行计算如下。

图6　电梯出入口光伏玻璃安装示意图（单位：mm）

（1）出入口日平均发电量。本项目每个地铁出入口配置光伏系统功率58 kW 的光伏组件，宁波的年平均峰值日照为3.59 h，一天每个地铁出入口配置光伏系统的发电量为：58×3.59=208.22 kW·h，即208.22度电。

（2）出入口广告灯箱每天的耗电量：4×18×5/0.96=375 W·h =0.375kW·h，即0.375度电，由上可得，每天可以存储的电能为：（208.22-0.375）×0.97=201.6097 kW·h。

（3）按3个阴雨天计算，总共需要存储：0.375×3=1.125 kW·h 的电能。

（4）光伏系统产生的电量主要供出入口的排气扇等大功率电器的日常使用，部分供广告灯箱 LED 灯使用。按存储3个阴雨天的广告灯箱用电量考虑，控制器的电压为24 V，需要蓄电池容量：1125/24=46.88 A·h，可选用蓄电池（24 V、16 A·h）3个满足需求，考虑备用1个蓄电池，则共需要蓄电池4个。

另外，经过现场的实际测试，透明井道顶部安装光伏组件后，在同一地铁站，比未安装光伏组件的井道温度低约4 ℃，实际运行效果也稳定可靠。

此太阳能发电系统30年发电约为228万 kW·h，目前宁波非居民照明用电价约为0.93元人民币每度电，考虑到30年内电价上涨，估计30年后的平均电价为1.6元/度，30年估算节约电费为364.8万元人民币。

2.2.3社会效益分析

光伏发电系统是解决能源危机的重要手段；可促进能源多样化，提高国家能源安全；能产生良好的环境效益，减少有害气体排放。推广使用这种太阳能系统，可以产生明显的社会效益。

目前我国发电耗煤平均为390 g（标煤）/kW·h［3］，本文的光伏系统方案在30年内发电约为228万 kW·h 的情况下，预计年节约标煤为：228万 kW·h×390 g（标煤）/ kW·h =889.2 t。根据我国标煤的组成，每燃烧1 t标煤产生的 CO2约为2.54 t［4］，则本文的光伏系统方案可减少排放温室气体 CO2约2258.568 t。

3　展望

我国是太阳能资源比较丰富的国家，利用绿色、清洁的太阳能进行轨道交通的节能设计对减少化石燃料的使用、减少大气污染、防止环境的进一步恶化都会起到积极的作用。城市轨道交通地铁车站众多，具有天然的利用条件，以宁波为例，线网规划有7条线，目前1号线一期有20个车站，2号线一期有22个车站，其余线路加起来约90个车站，每个车站一般有4个出入口。因此，该系统具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］ 陈屹. 太阳能光伏发电系统在轨道交通中的应用研究［J］. 现代城市轨道交通，2010（2）：59-61.

［2］ 龙文志. 太阳能光伏建筑一体化［J］. 建筑技术，2009，40（9）：825-839.

［3］ 牛双国，李淑芳.2 MWp 太阳能光伏发电工程技术研究［J］. 建筑技术，2013，44（7）：611-613.

［4］ 涂华，刘翠杰. 标准煤二氧化碳排放的计算［J］. 煤质技术，2014（2）：57-60.

责任编辑 冒一平

Study on Photovoltaic System Solutions at Transit Escalator Entrance

Zheng Yan, Zhang Kun

Abstract:Roof of urban rail transit entrance often uses transparent glass structure. Taking into consideration of present application situation of solar photovoltaic system, the paper puts forward a solution for the entrance roof using photovoltaic glass to replace transparent glass, effectively reducing temperature rise caused by sunlight, and generating clean energy supply and use. Taking the application of the solution in Ningbo metro as an example, it proves the feasibility of the scheme and the advantages.

Keywords:photovoltaic glass, solar energy, urban rail transit, entrance, escalator

中图分类号：TU113.6+65

收稿日期2015-11-19