地鐵綠色低碳新能源建設(shè)實踐
—— 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)

周 超

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川成都 610031）

地鐵作為緩解城市交通壓力的重要設(shè)施，較好地解決了大城市日益嚴(yán)重的交通問題，但其本身耗能巨大。利用光伏發(fā)電技術(shù)可減少地鐵對城市電網(wǎng)的用電需求，推動交通能源低碳轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)城市軌道交通行業(yè)綠色低碳可持續(xù)發(fā)展。分布式光伏發(fā)電技術(shù)由于其投資成本低、建設(shè)區(qū)域廣、利用效率高、環(huán)境友好等特點得到大規(guī)模快速發(fā)展。深圳地鐵6號線高架車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的成功應(yīng)用為城市軌道交通如何利用綠色新能源建設(shè)降低運營能耗提供了參考。

1 工程概況

深圳地鐵6號線是深圳市軌道交通線網(wǎng)中位于中部發(fā)展軸的市域快線，串聯(lián)龍華區(qū)、光明區(qū)和寶安區(qū)。線路全長37.626 km，其中高架段長24.616 km，地下段長5.647 km，過渡段長1.197 km，山嶺隧道段長6.166 km。全線共設(shè)置20座車站，其中高架車站15座，地下車站5 座。高架車站沿道路路中或路側(cè)布置，與周邊建筑間距大，無遮陽影響，車站頂棚采用門式弧形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，具備設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)條件。全線共12 座高架車站設(shè)置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量為2.3 MWp。

2 高架車站光伏建筑一體化方案

2.1 光伏與車站建筑結(jié)合形式選擇

光伏與建筑物的結(jié)合形式大體可分為兩類[1]：一類是光伏方陣與建筑的結(jié)合，另一類是光伏方陣與建筑集成，也稱為光伏建筑一體化設(shè)計。結(jié)合地鐵高架車站特點，經(jīng)全壽命周期成本分析，深圳地鐵6號線采用光伏建筑一體化設(shè)計，車站建筑景觀設(shè)計時充分考慮光伏系統(tǒng)要求，將光伏、建筑和美學(xué)融為一體，與城市景觀相融合。光伏發(fā)電系統(tǒng)與地鐵車站同步設(shè)計、同步施工，提高車站整體美觀性。

2.2 屋面光伏與建筑結(jié)合方案

深圳地鐵6號線在車站造型方案比選時充分考慮高架車站在通透、輕巧、節(jié)能及光伏組件安裝等方面的要求，采用光伏建筑一體化設(shè)計。屋頂采用門式弧形鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架形式，屋面外板選用直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板，屋面板每隔0.4 m設(shè)一道板肋。光伏組件整體平鋪于車站頂棚，通過光伏支架固定在屋面板上，如圖1所示。光伏支架采用專用夾具與鋁鎂錳屋面板肋固定連接，既保證光伏組件與屋面板結(jié)構(gòu)的連接強度，也不影響屋面結(jié)構(gòu)布置及防水，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)與車站建筑完美結(jié)合[2]，如圖2所示。

圖1 高架車站建筑剖面圖

圖2 車站光伏建筑一體化實景圖

深圳地鐵6號線高架車站依據(jù)采光、遮陽、通風(fēng)等功能需求進行的光伏建筑一體化設(shè)計為光伏發(fā)電系統(tǒng)與高架車站景觀相融合提供了新思路。

2.3 太陽能光伏組件選擇及布置

太陽能電池主要分為晶硅電池與薄膜電池。晶硅電池目前發(fā)展最成熟，商業(yè)化程度最高，市場占有率高達(dá)90%以上。晶硅電池可分為單晶硅電池和多晶硅電池[3]。薄膜電池優(yōu)點是材料用量少、成本低，最大缺點是多數(shù)品種光電轉(zhuǎn)化率比晶硅電池低。結(jié)合太陽能電池在轉(zhuǎn)化效率、成本上的差異，通過全壽命周期成本分析，深圳地鐵6號線采用轉(zhuǎn)化效率達(dá)18.6%的高效單晶硅光伏組件，光伏組件尺寸為1 956 mm×991 mm×40 mm，單塊光伏組件最大輸出功率為360 Wp 。

深圳地鐵6號線標(biāo)準(zhǔn)高架車站屋頂面積約2 800 m2，考慮到鋼結(jié)構(gòu)屋面受力、檢修與維護等多種因素，光伏組件有效安裝面積約1 500 m2，安裝512 塊單晶硅光伏組件，車站裝機容量為184.32 kWp。光伏組件在屋面的平面布置如圖3所示，每16塊光伏組件構(gòu)成1個光伏方陣，高架車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)由32 個光伏方陣構(gòu)成。

圖3 高架車站屋面光伏組件平面布置圖（單位：mm）

2.4 光伏方陣屋面鋼結(jié)構(gòu)受力條件

高架車站屋面光伏方陣采用專用夾具與鋁鎂錳屋面板肋固定，如圖4所示，夾具固定點位選擇在鋁鎂錳面板固定座的正上方，布置間距為0.4 m，與屋面板肋一致。光伏方陣荷載通過光伏支架傳遞給夾具，夾具將荷載傳遞到屋面板上，再通過屋面板下的檁條、鋼梁傳至車站屋頂門型鋼立柱。

圖4 光伏方陣在鋼結(jié)構(gòu)屋面固定實例圖

深圳地區(qū)臺風(fēng)頻繁，合理的光伏支架設(shè)計方案至關(guān)重要。利用SM Solver和SAP2000軟件，建立光伏組件在車站屋面上安裝的數(shù)學(xué)模型，對光伏組件與屋面連接方式間進行三維受力分析，計算光伏支架系統(tǒng)的夾具、支座、壓塊受力情況，提出分布式光伏系統(tǒng)對車站屋面的結(jié)構(gòu)受力條件如下[4]：預(yù)留光伏系統(tǒng)荷載不大于0.4 kN/m2，單個支點夾具承受向上拉力不大于2.18 kN，向下壓力恒載設(shè)計值0.33 kN、活載設(shè)計值0.4 kN；屋面板夾具支座材料抗拉抗壓和抗彎160 N/mm2、抗剪90 N/mm2；光伏組件在屋面安裝時需設(shè)有不小于2.5 cm的泄風(fēng)口。

考慮列車進出站點所帶來的振動問題，通過模擬計算和實測驗證，優(yōu)化光伏支架系統(tǒng)布置，采用特殊的防松動措施，使得支架系統(tǒng)不僅滿足受力要求，同時還能適應(yīng)深圳地區(qū)特有的臺風(fēng)災(zāi)害及列車運行振動等現(xiàn)實問題。深圳地鐵6號線高架車站光伏支架系統(tǒng)夾具與屋面固定點分布如圖5所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行至今已近2年，經(jīng)受了多次極端臺風(fēng)天氣的考驗，亦未發(fā)現(xiàn)因列車振動而出現(xiàn)支架系統(tǒng)松動情況。

圖5 光伏支架系統(tǒng)連接夾具固定點位置圖（單位：mm）

3 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)方案

3.1 并網(wǎng)接入方式選擇

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩類[1]，后者不需配置蓄電池，從而使成本大幅降低。從供電可靠性及經(jīng)濟性角度，地鐵高架車站宜選用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)的特點，在35 kV交流側(cè)、400 V交流側(cè)和1 500 V直流側(cè)可作光伏并網(wǎng)發(fā)電的接入點[5]。由于地鐵車站用電負(fù)荷較大，可供安裝太陽能光伏組件車站屋面的面積又有限，經(jīng)計算，各車站日時發(fā)電量均小于日時用電量，僅能滿足車站部分動力照明用電需求，故地鐵高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇在400 V低壓側(cè)并網(wǎng)方式。

高架車站變電所設(shè)2臺35 kV/0.4 kV配電變壓器，低壓供電系統(tǒng)采用單母線分段的主接線方案，正常情況下2臺變壓器各帶一半用電負(fù)荷。為保證最大限度的優(yōu)先使用光伏電源，選擇在動力變壓器低壓側(cè)出線與低壓進線斷路器上端之間的母線處為并網(wǎng)接入點，通過兩段母線給車站動力照明負(fù)荷供電，維持兩段母線供電平衡[6]，系統(tǒng)主接線如圖6所示。

圖6 高架車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主接線

結(jié)合系統(tǒng)裝機容量，每座車站配置6臺30 kW組串式智能逆變器，每臺逆變器接入5～6個光伏方陣，采用2臺5進1出的交流匯流箱，分成2個并網(wǎng)點，并網(wǎng)于車站2臺配電變壓器400 V低壓側(cè)母線上。車站動力照明負(fù)荷優(yōu)先使用光伏電源，光伏發(fā)電量不足部分由地鐵電網(wǎng)補給，光伏系統(tǒng)不能發(fā)電時由地鐵電網(wǎng)供電。

在并網(wǎng)接入點設(shè)置并網(wǎng)監(jiān)控裝置，實時監(jiān)測變電所400 V進線斷路器的電壓和電流，當(dāng)出現(xiàn)通信故障或其他故障（變電所故障或光伏系統(tǒng)故障）時，并網(wǎng)監(jiān)控裝置控制光伏交流并網(wǎng)斷路器斷開并隔離光伏發(fā)電系統(tǒng)與車站供電系統(tǒng)，避免故障擴大或相互影響，確保供電的可靠性。

3.2 對地鐵供電系統(tǒng)可靠性的影響

地鐵車站光伏發(fā)電成珠鏈?zhǔn)姜毩⒎植?，各車站光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入本站供電系統(tǒng)低壓側(cè)后，地鐵供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由2路市政電源接入變?yōu)槎嚯娫唇尤虢Y(jié)構(gòu)。經(jīng)潮流計算和模擬分析表明，分布式光伏發(fā)電接入車站低壓側(cè)后，前端線路負(fù)載率略有下降，但不影響供電系統(tǒng)潮流方向；光伏發(fā)電接入后系統(tǒng)短路容量增大，短路電流隨之增大，進而提高了保護裝置靈敏度[5]。因此，地鐵供電系統(tǒng)原有保護配置滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)接入后的穩(wěn)定運行要求。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控方案

深圳地鐵6號線充分利用地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、乘客資訊系統(tǒng)和通信傳輸通道對各車站光伏發(fā)電系統(tǒng)進行管理。車站光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)通過車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)，利用地鐵通信傳輸系統(tǒng)連接至控制中心級能源管理系統(tǒng)，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等進行監(jiān)視、測量和控制，對當(dāng)前和歷史發(fā)電量、節(jié)能減排情況進行對比統(tǒng)計分析，對全線光伏發(fā)電數(shù)據(jù)進行整合，為運營、檢修、管理等提供全面、便捷、差異化的數(shù)據(jù)和服務(wù)，為進一步優(yōu)化提供實際數(shù)據(jù)支持。

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)附屬設(shè)施

5.1 防雷接地設(shè)計

高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的保護接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用車站綜合接地系統(tǒng)，接地電阻不大于 4 Ω[7]。

屋面光伏系統(tǒng)采用50 mm×5 mm的熱浸鋅扁鋼組成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接閃器，接地扁鋼與屋面預(yù)留接地端子可靠焊接。光伏組件采用接地線相互連接，并不少于2點與光伏支架可靠連接，支架不少于2點與扁鋼網(wǎng)格可靠電氣連接；屋面監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測儀支架和沖洗給水管等金屬構(gòu)件與接地扁鋼網(wǎng)格可靠電氣連接。在光伏逆變器、交流匯流箱和并網(wǎng)柜中逐級加裝防雷浪涌保護器，實行多級防雷保護[8]。

5.2 屋面檢修與維護通道設(shè)計

屋面檢修與維護通道布置在屋面采光天窗四周等人員通行區(qū)域（如圖2中的黃色區(qū)域），方便工作人員安裝和維護光伏組件，提高光伏組件安裝和維護的安全系數(shù)。

檢修和維修通道包括固定支架和人行板，通道距光伏組件水平距離約200～300 mm，高出光伏組件0～100 mm。人行板采用400 mm寬樹脂格柵材料，采用光伏專用夾具和角鋼固定安裝。

5.3 光伏組件清潔設(shè)計

由于光伏組件表面受車站周邊環(huán)境影響積灰過多會降低系統(tǒng)發(fā)電量，因此屋面光伏組件需定期清潔。深圳屬于多雨地區(qū)，采用的光伏組件具有自潔功能，在自然雨水后可自行達(dá)到清潔狀態(tài)，在長期未下雨時可由人工沖洗屋面光伏組件。

屋面兩端預(yù)留給水接入條件，水壓滿足在屋頂清潔的要求。對于不滿足條件的車站在站臺增設(shè)給水管道泵，在屋面沿采光天窗四周布置DN50不銹鋼水管，安裝12個水龍頭，以便接管清洗。

5.4 屋面監(jiān)控設(shè)計

為方便運維人員掌握屋面光伏組件日常情況，在屋面設(shè)置2處視屏監(jiān)控高清攝像頭，可對屋面光伏設(shè)施進行無死角監(jiān)視。同時，在屋面設(shè)置1套環(huán)境監(jiān)測儀，可對環(huán)境溫度、太陽能輻照強度、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。屋面視頻監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)均接入光伏發(fā)電監(jiān)控系統(tǒng)，在車控室通過綜合監(jiān)控系統(tǒng)也可方便查看車站屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)情況。

6 應(yīng)用實踐

深圳地鐵6號線12座高架車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)于2020年8月正式并網(wǎng)運行，運行實測數(shù)據(jù)表明光伏發(fā)電量可滿足高架車站約30%的動力照明用電需求，在高峰發(fā)電時段甚至可提供80%以上的用電量。該光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電約234萬kW · h，25年設(shè)計壽命期內(nèi)預(yù)計總發(fā)電量5 856萬kW · h，減排二氧化碳58 400 t，純經(jīng)濟收益達(dá)5 000萬元以上，可實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)雙豐收。

7 結(jié)語

隨著國家雙碳目標(biāo)的設(shè)立，光伏發(fā)電系統(tǒng)成本的進一步降低，“光伏+軌道交通”更具有廣泛的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。深圳地鐵6號線高架車站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計和并網(wǎng)發(fā)電，填補了太陽能光伏發(fā)電在城市軌道交通高架車站中規(guī)?；瘧?yīng)用的空白，為小容量、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的進一步推廣應(yīng)用提供了示范案例，對城市軌道交通節(jié)能減排、降低運營成本具有重要意義，對推動分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在我國城市軌道交通中的應(yīng)用起到引領(lǐng)和示范效應(yīng)。