摘要：介绍太阳能光伏发电系统的应用条件、原理、组成及结合轨道交通的特点，提出适合轨道交通光伏发电系统设计方案，并进行了能源、经济、社会、环境的效益分析。
关键词：轨道交通； 太阳能； 光伏发电； 光伏组件；
随着经济和社会的发展，能源和环境问题逐渐引起社会的关注，对可再生能源的利用与开发越来越迫切。随着经济的快速发展，我国面临着电力、煤炭、石油等传统能源急剧消耗导致供应紧张的局面，经济社会发展的主要制约因素是能源消耗与环境保护。因此，合理开发和利用可再生能源是改善能源结构、增强能源持续供给能力、保障能源安全、恢复自然环境的有效措施。
太阳能光伏发电作为重要的可再生能源形式，已是当今世界上公认的最有发展前景的新能源技术之一。各发达国家都投入了巨大的人力物力进行这方面的技术研发，并投入巨额资金积极推进产业化进程，大力开拓和培育光伏产业市场。
利用太阳能主要有两种方式，一种是光热转换，另一种就是光电转换（即通常所说的光伏发电），其中重点是后者。城市轨道交通的能源消耗量巨大，已成为重点用能单位，利用太阳能光伏发电为轨道交通沿线用电负荷供电，不仅可以减少轨道交通对市电的需求，降低运营的成本；同时还可积极响应节能减排目标，有效推动新能源的发展。
1 利用光伏发电技术的主要条件
1.1 光照资源
太阳能资源的分布与各地的海拔高度、纬度、气候条件和地理状况有关，我国有着丰富的阳能资源，全国总面积2/3以上地区全年日照时数大于2 200 h.光伏发电系统设置的位置需要有富集的太阳光照资源，以保证系统较稳定的发电量。
为了便于太阳能资源的开发与利用，我国把年辐射量大于9 260 MJ/m2的西藏西部地区除外的地区分为五类，太阳能资源地区分类如表1所示。
表1 太阳能资源地区分类
1.2 场地条件
轨道交通工程项目中光伏发电系统的设置需要充分考虑建筑物形式和周边环境。
（1） 为地面上的建筑物，能有足够的面积安装满足用电容量需求的太阳能电池板、蓄电池等发电设施；
（2） 光伏组件的布置要避开或远离遮阴物；
（3） 靠近主干电网，以减少新增输电线路的投资。
2 轨道交通光伏发电系统设计
根据轨道交通工程建筑形式，有条件设置光伏发电系统的主要有高架站（地面站）顶棚、车站出入口顶棚、车辆段顶棚等地方；由于车辆段库房屋顶空间较大，而且比较开阔，适合设置较大型的光伏发电系统，本文主要以车辆段为例，介绍太阳能光伏发电系统应用在轨道交通工程中的设计方案。
2.1 太阳能电池选择
太能能电池（片）是光伏组件的基本元件，主要类型有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。单晶硅与多晶硅电池是现在市场的主流产品；光电转换率最高的是单晶硅电池，其商业化电池的转换效率可以达到在15%~19%,且性能稳定，相同容量太阳能电池组件所需安装面积小，相对成本较高；多晶硅电池生产效率高，光电转换效率相较单晶硅略低，其商业化电池的转换效率在13%~16%,产品使用期内转换效率有一定衰减，相对成本较低；单晶硅与多晶硅电池的使用寿命都可以达到25年，使用期内功率衰减均能小于20%.
随着光伏产业的不断推进与发展，材料技术的不断提升，其综合生产成本也会逐渐降低，在此本文选择光电转换效率高、性能稳定、技术成熟的单晶硅太阳能电池组件来进行方案介绍。
2.2 光伏组件与建筑结合方式选择
光伏组件与建筑结合方式分为两类：一类是建筑与光伏系统结合，也称为光伏附着设计，即BAPV（Building Attached Photovoltaic）结合方式，不需要改变建筑物本身，只需将组件固定在建筑物上，即在建筑物上铺一层光伏组件，另一类是通过专门的设计，实现建筑与光伏组件的良好结合，也称为光伏和建筑的一体化集成设计，即BIPV（Building Integrated Photovoltaic）结合方式。
车辆段库房顶棚一般采用钢结构网架形式，设计时要考虑采光、隔热、遮阳等因素，因此车辆段可采用BAPV与BIPV相结合的方案，顶棚采光带部分采用BIPV方案，非采光部分的顶棚采用BAPV方案；本方案把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为建筑的一部分，相互间有机结合，减少对建筑的外形影响；利用太阳能设施取代部分屋顶覆盖层，可减少成本，提高效益。
3 光伏发电系统并网设计
针对轨道交通工程并网光伏发电系统有低压并网及中压并网两种方案。
3.1 低压并网方案
低压并网系统通常应用在系统装机容量较小或光伏组件安装场地面积有限的地方，在轨道交通工程中高架站（地面站）宜采用低压并网方式；光伏发电系统分别接入变电所低压侧两段母线上，并设置防逆流装置，避免对高压侧保护装置造成干扰。
根据轨道交通低压负荷容量及等级要求，本方案建议低压并网系统主要给车站二、三级负荷供电，如正常照明、路灯照明、广告照明和一般动力等负荷。
3.2 中压并网方案
中压并网系统通常用在系统装机容量较大或有足够场地安装光伏组件的地方，在轨道交通工程中车辆段、停车场宜采用中压并网方式，该并网方式和逆变器的匹配更佳，可提高逆变器的转换效率。并网系统通过升压变压器接入35 kV中压环网，光伏发电系统分别接入车辆段变电所35 kV侧两段母线。
4 效益分析
4.1 能源及经济效益
本文太阳能资源在四类区，以杭州市的轨道交通某车辆段工程为例进行分析，车辆段库房屋顶一般可提供安装场地的面积约50 000 m2,屋顶利用率按50%计算；该地区平均年辐射总量取4 800 MJ/m2.按现有光伏组件市场的常用参数，选取额定功率为285 Wp,尺寸为2 100 mm×1 130 mm的组件参数来计算分析。
由于安装倾角、阳光遮挡、灰尘、逆变器效率、输电线损等因素对光伏发电系统的效率会产生影响，因此计算系统效率时应综合考虑以上因素，本文系统综合效率取75%,系统年上网电量和节能减排测算如表2所示。
表2 年上网电量和节能减排测算
根据以上测算数据，可实现系统装机容量为3 002.5 kWp.整个系统按照25年运营周期考虑，组件年衰减按照0.8%计算，系统运行25年预计发电总量约85 277 MWh,节约总标煤约33 258 t,减排二氧化碳总量约119 388 t.
目前太阳能光伏发电系统的市场综合造价指标为16 元/W,按此指标计算本工程造价约为4 804万元；按目前杭州地铁运营电价0.75元，且每年上涨2%测算，本工程投资回收期约为16年，25年内经济收益约为3 323万元；若考虑政策补贴，工程投资的回收期会更短经济收益也会更高。
4.2 社会及环境效益
太阳能光伏发电是一种清洁、可再生能源，既不会产生污染物，也不会产生温室气体破坏大气环境等问题，从节约煤炭和减排二氧化碳量可以看出环境效益是明显的，该系统的应用可以响应节能号召，积极配合完成节能减排指标；充分利用可再生的清洁能源，即可减少化石能源的需求，同时也可减少环境污染、保护人类的生态环境，其社会效益较为明显。
5 结语
随着我国城市化进程不断加快，轨道交通的建设也得到了大力推进，其场地上的优势为太阳能光伏发电系统的应用提供了可能。轨道交通作为覆盖范围广、客流量大的公共建筑，采用太阳能光伏发电系统，可起到良好的节能减排宣传和示范作用。
参考文献
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