在铁路弓网上方安装光伏发电系统的方案探讨

江卫青，武 文，江鹏程，贾丽荣

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266000；2.中国海洋大学，青岛 266100)

0 引言

随着铁路开始向现代物流转型，势必需要完善铁路沿线的集疏运系统，增加现代物流装具，但所需的能源消耗也将随之增长。沿铁路线架设光伏发电系统可补充铁路沿线的电能供应，为铁路的绿色、多元化发展提供支持。基于此，本文对在铁路弓网上方安装光伏发电系统(即光伏化弓网)的方案进行探讨，分析采用光伏化弓网时，雨雪、覆冰、横向风、接触线硬点对铁路线造成的影响；对光伏发电系统的主要设备进行对比选择并估算发电量，简算列车风对光伏组件的影响；并探讨如何在不影响铁路运营的情况下，对已有铁路弓网进行光伏化改造。

1 方案简述

以图1所示的光伏发电系统为基础，探讨将其架设于以图2为例的铁路弓网上方的设计方案，并分析其对铁路线的影响及其如何与既有铁路线连接。由于光伏电力为清洁电力，且中国铁路营业总里程已超过14万km，因此拥有巨大的改造价值。

图1 光伏发电系统示例Fig. 1 Example of PV power generation system

图2 铁路弓网示例Fig. 2 Example of railway pantograph-catenary

1.1 光伏化弓网设计

光伏化弓网是将光伏发电系统仅架设在铁路弓网上方，两侧不封闭。该设计方案的正视图和侧视图如图3所示。

图3 设计方案的正视图和侧视图Fig. 3 Front and side views of design scheme

图3所示的光伏化弓网结构为双坡门式钢架，依据铁路线情况也可选择单坡门式钢架、网架等其他形式。光伏发电系统的跨距和立柱高度根据铁路线情况调整。弓网的接触线可通过吊弦悬挂于光伏发电系统支撑结构的支撑梁或檩条，而定位器安装在支撑梁上，这样能够避免光伏发电系统的结构与弓网系统的结构相干扰，并减少不必要的资金浪费。

1.2 光伏化弓网接触线悬挂方式

传统弓网的接触线通过吊弦与承力索连接，以Re 330型弓网为例，承力索的悬挂间距(即立柱间距)可达65 m。而光伏化弓网的跨距(即立柱间距)通常在9 m以内，此种情况下无需采用承力索，只需将接触线通过吊弦安装于光伏发电系统的支撑梁或檩条。光伏化弓网与Re 330型传统弓网的接触线悬挂方式对比如图4所示，图中展示的是侧视效果。

图4 光伏化弓网与Re 330型传统弓网的接触线悬挂方式对比Fig. 4 Comparison of catenary suspension modes between PV pantograph-catenary and Re 330 traditional pantograph-catenary

2 光伏化弓网对铁路线的影响

光伏化弓网对铁路线的影响主要体现在以下方面：1) 减少轨面雨雪对列车牵引、制动的影响；2)减少接触线受覆冰的影响；3)降低横向风对接触线的影响；4)减少接触线硬点。

2.1 减少轨面雨雪对列车牵引、制动的影响

轨道上存在雨雪会降低列车加速度，延长制动距离，而制动距离的延长会直接影响到行车安全。因此，当轨道上存在雨雪时，列车通常需要降低运行速度，情况严重时，甚至需要停运。但光伏化弓网可对铁路轨道进行遮蔽，降低雨雪对列车运行的影响。

2.2 减少接触线受覆冰的影响

接触线覆冰会影响受电弓与接触线之间的相互作用，出现受电弓从接触线上取流不畅、电弧烧伤供电设备等情况，严重时甚至会导致接触线断开、中断铁路行车等。接触线覆冰的种类及成因如表1所示[1]。

表1 接触线覆冰的种类及成因Table 1 Types and causes of catenary icing

雾凇的形成难以避免，但其密度及附着力均低，对接触线的影响不大，可考虑在必要时采用热力融冰；因冻雨、雪花降落至接触线引起的雨凇和混合凇的密度大、附着力高，对接触线的影响较大。而光伏化弓网可对接触线上方进行遮蔽，能够减少雨凇、混合凇的形成。

2.3 降低横向风对接触线的影响

传统弓网的立柱间距通常在30～65 m，较长的吊挂间距使接触线受横向风影响严重，而减小吊挂间距可降低横向风影响。针对立柱间距分别为65 m和9 m的传统弓网和光伏化弓网，对二者的跨中接触线的最大风偏值bmax进行计算，计算方式示意图如图5所示。图中：a为“之”字值(又称为“拉出值”)，传统弓网取300 mm，光伏化弓网取42 mm；c为光伏化弓网9 m立柱间距内接触线中心线与线路中心线的间距；d为行业通常采用的跨中接触线最大风偏值，mm，取500[2]；A～F均为接触线固定点，光伏化弓网的固定点设置比较灵活，例如E、F之间被分为4段；图中均为俯视图。

图5 传统弓网和光伏化弓网的跨中接触线的最大风偏值计算方式示意图Fig. 5 Schematic diagram of calculation method of maximum wind deflection of mid span catenary of traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

根据文献[2]，跨中接触线最大风偏值的计算式为：

式中：m为当量系数，取0.85；Tj为第j条接触线的额定张力，kN，取9.8；pj为第j条接触线的风荷载，N/m，风速为30 m/s时，取8.53；r为支柱挠度，mm，取20；l为跨距长度，m，传统弓网取65，光伏化弓网取9。

经计算，传统弓网跨中接触线的最大风偏值为468 mm，光伏化弓网的为78 mm。

由此可见，减小立柱间距后，跨中接触线的最大风偏值大幅减小，这意味着可以在上述线路中心线较远的地方设置光伏化弓网的接触线固定点。

2.4 减少接触线硬点

硬点为接触线铅垂方向弹性突变或底面不平顺形成的点，会增加弓网离线概率、损伤受电弓碳滑板。硬点常见于接触线接头、交叉式道岔、定位器线夹处、电连接线夹处。其中，接触线接头、交叉式道岔形成硬点的原因为接触线不平顺，需通过加强施工来控制；定位器线夹、电连接线夹处的硬点是因铅垂方向弹性突变产生，而造成铅垂方向弹性突变的根本原因是定位器线夹、电连接线夹引起的接触线质量不均衡，可通过变更吊弦结构来控制。光伏化弓网可由两个固定点固定吊弦，此时吊弦呈“Y”或“V”形，该情况下可取消定位器线夹，从而减少由其引起的接触线质量不均衡；用支撑梁或檩条悬挂电连接线，可减少电连接线夹引起的接触线质量不均衡。由此可知，光伏化弓网可降低硬点的形成。

2.5 小结

针对传统弓网与光伏化弓网对铁路线的影响进行汇总，汇总结果如表2所示。

通过表2可以发现，光伏化弓网可大幅改善铁路线运行环境。

表2 传统弓网与光伏化弓网对铁路线的影响汇总Table 2 Summary of impact of traditional pantographcatenary and PV pantograph-catenary on railway line

3 光伏发电系统设计

3.1 接入方式选择

根据用电设备的位置、并网需求不同，光伏化弓网可采用多种接入方式。文献[3]介绍了德国铁路系统将光伏发电直接接入牵引供电系统的技术，但其不足之处是光伏组件性能易受到列车运行状态的影响。现阶段光伏化弓网可参考文献[4]提出的在牵引变电站的27.5 kV侧接入光伏发电系统的方案。光伏化弓网还可安装通信设备、铁路安全监测设备、融冰融雪装置等；按需求设置电压、频率可为各设备供电。

3.2 光伏发电系统用逆变器的选择

根据类型不同，逆变器主要分为集中式逆变器和组串式逆变器两种。其中，集中式逆变器的功率通常在500～2500 kW，防护等级一般为IP20，体积较大且需在室内安装；组串式逆变器的功率通常在1～80 kW，防护等级一般为IP65，体积较小且可在室外臂挂式安装。

而采用不同的逆变器类型，光伏发电系统的配置也会有所不同。采用集中式逆变器时，光伏发电系统的配置方案为：光伏组件、直流电缆、直流汇流配电柜、集中式逆变器、隔离变压器、交流配电柜；采用组串式逆变器时，光伏发电系统的配置方案为：光伏组件、直流电缆、组串式逆变器、交流配电柜。

光伏化弓网的光伏阵列宽度远小于其长度，若使用集中式逆变器，直流汇流难度大、成本高，且需设置机房。组串式逆变器可分散布置，且可安装于光伏化弓网的结构上。因此，光伏化弓网的光伏发电系统宜选用组串式逆变器。

3.3 光伏组件的选用

根据材料不同，光伏组件可分为晶体硅光伏组件、薄膜光伏组件、化合物半导体光伏组件等。对晶体硅光伏组件和薄膜光伏组件的性能进行对比，对比结果如表3所示。针对表中内容，需要说明的几点是：1) 标称功率。由于薄膜光伏组件包括多种类型，其标称功率也会有所不同，常见的非晶硅光伏组件的为85～90 W/m2；铜铟镓硒光伏组件的为140～150 W/m2；碲化镉光伏组件的为 160～180 W/m2。2) 阻水遮蔽。 阻水遮蔽是指光伏组件组成光伏阵列后，对下方空间形成的遮蔽。晶体硅光伏组件安装后铝框之间会存在间隙，而薄膜光伏组件各边以密封胶粘接，不存在间隙。3) 隐性裂纹。光伏组件受到较大的机械或热应力时，可能使其太阳电池产生肉眼不易察觉的隐性裂纹。太阳电池制备工艺包括硅切片步骤，导致晶体硅光伏组件存在隐裂可能；薄膜光伏组件通常为真空静电镀膜，基本不受隐裂影响。4)热斑效应。鸟粪等会在光伏组件上形成遮挡，串联支路中被遮挡的太阳电池成为负载会消耗其他太阳电池产生的能量，造成局部温升，可能会导致该块光伏组件报废。

表3 晶体硅光伏组件和薄膜光伏组件的性能对比Table 3 Performance comparison between crystalline silicon PV modules and thin-film PV modules

从表3可以看出：晶体硅光伏组件的标称功率明显较优，但需要对阻水遮蔽、隐性裂纹及热斑效应多加关注。

3.4 列车风情况下光伏组件的仿真计算

由于光伏发电系统架设在铁路线上方，必须考虑列车运行引起的风荷载是否会影响到光伏组件的安全。利用FLUENT软件对横向风时两辆列车明线会车时的情况进行仿真计算。本文参考文献[5]，选择如图6所示的计算流场区域，计算模型中光伏组件的高度、车体高度等相关尺寸的选择如图7所示。

图6 计算流场区域Fig. 6 Computational flow field area

图7 计算模型取值Fig. 7 Values of calculation model

参考文献[6]，选择两辆列车等速会车时速为 350 km/h，横向风速为18 m/s。以动网格技术，对会车过程中光伏组件所受的压强进行监控，光伏组件所受压强最大值出现在两车车头刚开始交错时，此时两车头及光伏组件压强云图如图8所示。

由图8可知：光伏组件所受最大压强为1484 Pa，小于光伏组件许用压强 2400 Pa[7]。由此可知，选择合适的架设高度时，光伏组件能够承受两车交会形成的列车风；在实际安装时光伏组件需按铁路光照环境设置倾角，本文不再展开计算。

图8 两车头及光伏组件压强云图Fig. 8 Pressure nephogram of two headstocks and PV modules

3.5 发电量估算

光伏化弓网中光伏组件安装倾角需优先满足铁路光照环境需求，不能按照最大发电量时的最佳安装倾角进行布置。按覆盖两条铁路线的光伏阵列宽度为14 m考虑，每米光伏铁路线可布置装机容量为1200 W的薄膜光伏组件，以青岛的光照资源计算，每年可发电约1400 kWh；相同条件下，采用晶体硅光伏组件每年可发电超过2000 kWh。

4 弓网的光伏化改造

建设光伏化弓网，需分别考虑新建铁路线和运营中的已有铁路线这两种情况。

新建铁路线宜从规划之初即考虑光伏化弓网建设。运营中的已有铁路需视情况进行光伏化改造设计：架空轨道、铁路桥等，未预留荷载余量及安装所需接口，不宜进行光伏化改造；单轨、多轨的铁路正线(包含限速段)适宜布置光伏化弓网。为不影响铁路的运营，需控制改造时长(例如1个夜晚)，对运营中的已有线路进行光伏化改造时宜分段进行。

4.1 过渡结构

设置1套过渡结构同时连接传统弓网及光伏化弓网，用以实现铁路线的分段改造。传统弓网与光伏化弓网的连接如图9所示，具体的实现方式为：在光伏化弓网设置弓网过渡件，传统弓网的承力索连接到弓网过渡件，传统弓网的接触线与光伏化弓网的接触线相连。

图9 传统弓网与光伏化弓网的连接Fig. 9 Connection between traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

4.2 模块化安装设计

光伏化弓网需要将光伏发电系统安装在弓网上方，安装位置高、安装难度大。常规施工顺序为：立柱→横梁→檩条→光伏组件→电缆→逆变器→弓网→光伏发电系统→光伏化弓网测试，但这种施工顺序会长时间占用铁路线，不宜采取。光伏化弓网宜采取模块化施工方案，如图10所示，施工顺序为：立柱→顶部模块→弓网安装及测试，其中，顶部模块可先在地面组装好。

图10 光伏化弓网模块化施工方案Fig. 10 Modular construction scheme of PV pantograph-catenary

光伏化弓网模块化施工方案具体步骤如下：

1)在铁路线旁完成光伏化弓网的基础施工、立柱安装。立柱安装后，安装光伏发电系统用逆变器的外部接口，比如安装交流配电系统，做好并入电网的准备。

2)在厂房或铁路线附近，将支撑梁、檩条、光伏组件、电缆、逆变器、弓网吊挂需要的安装件组成顶部模块。顶部模块可进行防水测试、光伏发电测试。

3)顶部模块安装至立柱上，安装弓网并测试。

若铁路线中使用到刚性接触线、通信设备、铁路安全监测设备、融冰融雪装置时，可将其作为顶部模块的一部分，随顶部模块一起安装至立柱上。

4.3 光伏化弓网损坏后的紧急修复

针对铁路运营过程中光伏化弓网可能发生的意外受损情况，需要制定紧急修复方案，比如准备轻便易安装的简易结构，在受损后先使用简易结构恢复接触线，然后在条件允许时修复光伏化弓网。

5 结论

本文对在铁路弓网上方安装光伏发电系统(即光伏化弓网)的方案进行了探讨，分析采用光伏化弓网时，雨雪、覆冰、横向风、接触线硬点对铁路线造成的影响；对光伏发电系统的主要设备进行了对比选择，并探讨了如何在不影响铁路运营的情况下，对已有的铁路弓网进行光伏化改造。分析结果显示：光伏化弓网能够降低雨雪、覆冰、横向风、接触线硬点对铁路运行的影响，且易于安装、维护，具有较高的实用价值。但将其投入实际运用还需进行多种测试，比如：会车情况下光伏发电系统的应力检测、受电弓接触力测试等。