太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通高架車站的運用探討

譚明偉

中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430000

引言

在太陽能光伏系統(tǒng)實際使用過程中，其可以利用半導(dǎo)體界面的光生伏特現(xiàn)象直接將光能轉(zhuǎn)變成電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)在實際應(yīng)用具有綠色無污染、資源豐富、擴(kuò)容方便、使用靈活的優(yōu)點，并伴隨著太陽能電池研究不斷深入和轉(zhuǎn)換效率不斷提升，發(fā)電成本越來越低。從人類長遠(yuǎn)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，太陽能光伏發(fā)電在人類社會發(fā)展中扮演的角色越來越重要。城市交通具有運輸速度快、安全、節(jié)約能源的優(yōu)點，是未來城市交通重要發(fā)展方向。在城市交通系統(tǒng)發(fā)展到一定階段后，必然會朝著郊區(qū)發(fā)展。為了有效降低城市郊區(qū)軌道交通系統(tǒng)運行成本，就需要合理設(shè)置地面路線、設(shè)置高架車站，這為光伏發(fā)電系統(tǒng)在車站屋頂應(yīng)用提供了非常好的條件，能夠有效迎合環(huán)保型城市軌道交通建設(shè)需要。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)分類以及工作原理

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能電池是光伏發(fā)電技術(shù)重要組成部分。通過對太陽能電池串聯(lián)使用，就可以直接形成大面積的太陽能電池組，再配合上各種功率控制器，就可以直接形成光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器和逆變器組成，其中包括各種電子元器件，機(jī)械組件應(yīng)用相對較少[1]。光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用非常容易，系統(tǒng)運行具有可靠、穩(wěn)定、壽命長、安裝簡單的優(yōu)點。光伏發(fā)電系統(tǒng)通常可以分為光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。其中獨立光伏電站又可以分為村莊供電系統(tǒng)、戶外電源系統(tǒng)、通信信號電源、陰極保護(hù)、太陽能路燈系統(tǒng)中，為了能夠?qū)⑻柲茈娔軆Υ嫫饋?，系統(tǒng)通常都帶有蓄電池。

1.2 獨立使用光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

獨立發(fā)電系統(tǒng)使用過程中往往可以自成體系，功率范圍也比較廣，可以涵蓋幾毫瓦到幾千瓦的范圍。為了能夠在弱負(fù)載條件下依然可以持續(xù)供電，光伏發(fā)電系統(tǒng)會配合儲能系統(tǒng)使用，也有配合超級電容進(jìn)行使用。

2.3 光伏陣列

整個系統(tǒng)通常由多塊光伏電池組串聯(lián)組成，能夠形成光伏陣列。為了能夠有效保證光伏組件運行效率，在同樣條件下獲得更多的電能，就需要在光伏電池組合儲能裝置之間安裝電力電子控制裝置，從而有效實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，這些電力電子控制器通常具有充放電的控制功能。如果負(fù)載屬于交流負(fù)載，還需要在系統(tǒng)中配置逆變器，實現(xiàn)直流電源向交流電源的轉(zhuǎn)換。另外，部分獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)還具有系統(tǒng)監(jiān)控和顯示等功能。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要求

2.1 建筑設(shè)計

在開展建筑工程設(shè)計過程中，應(yīng)該考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，掌握該地區(qū)太陽能資源具體情況。另外，還應(yīng)該考慮建筑自身接受太陽輻射的條件，如建筑周圍是否存在建筑遮擋以及建筑接受光照的時間等。另外，還應(yīng)該與建筑的外立面有效結(jié)合起來，能夠根據(jù)建筑外立面設(shè)計風(fēng)格，來開展系統(tǒng)布局工作，能夠與建筑的立面協(xié)調(diào)起來。對于外立面的透光位置，應(yīng)該采用合理的代替施工方法，避免對建筑采光造成嚴(yán)重的影響，將建筑采光與光能收集有效結(jié)合起來。

2.2 發(fā)電系統(tǒng)

建筑光伏系統(tǒng)與地面光伏系統(tǒng)設(shè)計存在一定的差異，需要著重考慮建筑自身的采光需求，能夠合理開展光伏方針的布設(shè)工作，合理確定發(fā)電功率。地面系統(tǒng)設(shè)計過程中，應(yīng)該滿足發(fā)電功率要求，合理對光伏方針和配套進(jìn)行設(shè)計[2]。

2.3 光伏方陣設(shè)計

由于建筑外形和外觀裝飾的特殊性，在實際進(jìn)行光伏方陣設(shè)計過程中，需要與建筑外形結(jié)合起來，認(rèn)真做好建筑外形和外飾設(shè)計，建筑形狀、板塊大小、顏色、朝向應(yīng)該建筑立面結(jié)合起來，這就需要在設(shè)計中加強(qiáng)與設(shè)計人員的協(xié)調(diào)。此外，還需要合理確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的類型，可以選擇獨立系統(tǒng)或者并網(wǎng)系統(tǒng)的形式，能夠根據(jù)光伏系統(tǒng)輸出功率大小，來合理配置控制器和逆變器。

2.4 能夠合理選擇并網(wǎng)形式

在通常的情況下，根據(jù)光伏系統(tǒng)投產(chǎn)后供電方式的不同，太陽能光伏系統(tǒng)可以分為獨立光伏系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和混合光伏系統(tǒng)。在獨立光伏系統(tǒng)當(dāng)中，供電電力主要來自光伏系統(tǒng)，其是一個結(jié)構(gòu)最為簡單的光伏系統(tǒng)，甚至部分系統(tǒng)發(fā)電會直接供給直流系統(tǒng)，并不需要并網(wǎng)發(fā)電。這些系統(tǒng)在偏遠(yuǎn)山區(qū)的應(yīng)用比較多，可以直接驅(qū)動各種小型電器。各種并網(wǎng)光伏系統(tǒng)主要在分布式發(fā)電建設(shè)項目中進(jìn)行應(yīng)用，可以將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后?jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，然后直接并入電網(wǎng)。這種類型的光伏系統(tǒng)可以直接作為電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)，不需要配置蓄電池，占地面積相對較少，如果碰到陰雨天氣，可以直接切斷與電網(wǎng)的聯(lián)系，有效提升電網(wǎng)發(fā)電的穩(wěn)定性?；旌瞎夥到y(tǒng)屬于一種運行非常穩(wěn)定與可靠的發(fā)電系統(tǒng)[3]。通過將該系統(tǒng)引入到光伏系統(tǒng)，能夠有效保證向負(fù)載供電的穩(wěn)定性。一旦遇到了不利的天氣條件，光伏系統(tǒng)輸出功率相對較少，難以保證并網(wǎng)質(zhì)量，此時就需要采用其他形式的負(fù)載供電，避免單一光伏供電所帶來的不足。

3 城市規(guī)模交通高架站用電負(fù)荷

3.1 城市交通高架車站用電負(fù)荷通常可以分為動力負(fù)荷和照明負(fù)荷

①其中動力負(fù)荷主要包括變電所操作電源、通信設(shè)備、信號設(shè)備、AFC設(shè)備、ISCS設(shè)備、FAS設(shè)備、BAS設(shè)備、安全設(shè)備、消防水系統(tǒng)、消防用風(fēng)機(jī)、自動扶梯、防火卷簾門、普通風(fēng)機(jī)、檢修電源、空調(diào)設(shè)備、清掃電源等。②各種照明負(fù)荷主要包括車站應(yīng)急照明系統(tǒng)、車站公共區(qū)、區(qū)間照明系統(tǒng)等。在城市軌道交通高架車站實際運行過程中，對于日照條件較好的白天，除了少數(shù)沒有窗戶的設(shè)備房，并不用開啟照明設(shè)備。因此，在一般的情況下，白天可以人為不需要開啟照明設(shè)備。根據(jù)統(tǒng)計分析顯示，白天車站用電負(fù)荷主要是動力負(fù)荷，總?cè)萘看蠹s為410kVA，晚上車站運行總負(fù)荷為619kVA。

3.2 車站屋頂可以利用面積計算

對于一般類型的軌道交通高架車站屋頂總面積為2700m2，為了保證車站陰天穩(wěn)定供電，需要將太陽能電池板與屋頂面保持平行安裝，這樣能夠有效避免大風(fēng)天氣對太陽能電池板造成影響[3]。為了有效保證太陽能發(fā)電效率，根據(jù)當(dāng)?shù)厮幘暥?，將車站屋頂直接朝向太陽，并與地面呈20°的角度，這時屋頂面積約為3100m2，為了給太陽能電池維修提供必要的空間，直接將其利用面積設(shè)置在了2700m2。

3.3 系統(tǒng)輸出功率估算

根據(jù)太陽能電池理論發(fā)電量計算，太陽能電池板發(fā)電量大約為120w/m2，理論發(fā)電量大約為324kW，另外考慮到太陽能發(fā)電電能傳輸損耗以及逆變器功率因數(shù)，其設(shè)計輸出功率為291kW。

3.4 年發(fā)電量估算

根據(jù)每天3.5h有效日照時間，同時考慮線路損耗和逆變器損耗等因素，車站屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)每天發(fā)電量大約為1021°，年發(fā)電量為37.3萬°。

4 車站屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計

圖1 車站屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

根據(jù)高架車站實際用電需要，在天氣良好的情況下，車站太陽能發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量可以滿足車站所有動力負(fù)荷用電需求，剩余電能也相對較少。為了能夠保證發(fā)電系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性，車站屋頂發(fā)電系統(tǒng)不向城市電網(wǎng)輸送電能。地鐵車站的光伏系統(tǒng)和400V低壓母線并網(wǎng)使用，因地鐵很多負(fù)荷級別比較高，需要設(shè)置雙電源，晚間靠太陽能難以滿足直接末端供電的需求，則在地鐵高架站推薦使用與400V母線直接并網(wǎng)的方式，實現(xiàn)即發(fā)即用。

4.2 車站動力負(fù)荷

在光照條件較好的天氣，可以直接將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能作為車站用電負(fù)荷，對于剩余的電能可以通過EPS系統(tǒng)或者蓄電池組存儲起來。如果氣候條件不是非常理想，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能只能滿足車站部分用電設(shè)備用電需求，其中一部分負(fù)荷直接來自配電變壓器供電。遇到光照條件較差的天氣，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能只能滿足部分用電設(shè)備用電需求，全部負(fù)荷由車站配電變壓器使用，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電能僅為EPS系統(tǒng)或變電所操作電源系統(tǒng)蓄電池充電。

在車站供電方案設(shè)計中，采用了兩組光伏方陣，并使用2000kW直流柜進(jìn)行供電管理。為了能夠正常滿足車站供電負(fù)荷使用要求，需要使用逆變器將光伏直流電逆變成交流電，并將逆變好的交流電通過光伏并網(wǎng)柜導(dǎo)入到車站負(fù)荷系統(tǒng)。

4.3 光伏發(fā)電設(shè)備

車站屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜、太陽能跟蹤控制設(shè)備組成。為了保證太陽能發(fā)電系統(tǒng)在車站運行過程中，可以充分發(fā)揮自身的作用，太陽能發(fā)電系統(tǒng)直接由蓄電池組、充放電控制器和EPS電源組成。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)非常成熟，各種成功應(yīng)用案例非常多。從經(jīng)濟(jì)角度來分析，城市軌道交通車站屋頂在使用光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，可以有效得到財政和政策的支持，項目實際投入也并不是非常大。

5 結(jié)束語

隨著時代的不斷發(fā)展，對電能的需求量不斷增加，為了在提升電能供應(yīng)量的同時，保證供電綠色效果，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)對光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用。例如，可以將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通高架車站中，可以在大部分天氣狀況下滿足車站動力負(fù)荷供電需求，經(jīng)濟(jì)效益非?，F(xiàn)狀。