光伏发电在城市轨道交通中的应用

光伏发电在城市轨道交通中的应用
摘要：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。

因此，太阳能资源丰富、获取方便成为关注的
焦点。

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方案。

关键词：轨道交通；太阳能；光伏发电；光伏组件
太阳能光伏发电作为重要的可再生能源形式，已成为当今世界上公认的最有
发展前景的新能源技术之一。

各个国家都投入了巨大的人力物力财力进行这方面
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。

目前，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
国有着丰富的太阳能资源，全国总面积2/3以上地区全年日照时数大于2200h。

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9260MJ/m2的西藏西部地区除外的地区分为五类。

1.2场地条件
城市轨道交通工程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）若为地面上的建筑物，需要足够的面积来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）尽量靠近主干电网，以减少新增输电线路的投资。

2城市轨道交通光伏发电系统组成
光伏系统由光伏组件、逆变器(根据设计或带隔离功能)、汇流箱及光伏并网柜等组成。

2.1光伏组件
光伏组件(也叫太阳能电池板)是光伏发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中最重要的部分。

单体太阳电池不能直接做电源使用。

用作电源必须将若干单
体电池串、并联连接和严密封装成组件。

其作用是将太阳能转化为电能。

2.2逆变器
逆变器是将光伏组件所产生的直流电转化为交流电的装置，逆变器要求具备
过载保护、短路保护、电网停电保护、电网过/欠压保护、电网过/欠频率保护、
防孤岛保护、极性反接保护、对地绝缘监测、直流过压及过流保护、模块温度保护、直接接地检测功能、直流侧每个输入回路电流检测功能等功能。

2.3汇流箱
汇流箱在光伏发电系统中是保证光伏组件有序连接和汇流功能的接线装置。

该装置能够保障光伏系统在维护、检查时易于切断电路，当光伏系统发生故障时
减小停电的范围。

2.4光伏并网柜
光伏并网柜是连接光伏发电系统与电网的配电装置，其主要作用是作为光伏
发电系统与电网的分界点。

对于低压并网的光伏系统，光伏并网柜通常加装计量、保护功能。

3光伏发电系统并网方案
光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。

独立光伏发电系
统把太阳能转化为电能供给负载，并将多余的电能以化学能的形式储存在蓄电池内。

并网光伏发电系统将太阳能转化为直流电后通过逆变器转化为交流电。

并网
发电系统较独立发电系统节省了蓄电池，因而发电成本大大降低。

并网光伏发电
系统分为低压并网、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，通常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35kV中压
环网，光伏发电系统分别接入车辆段变电所35kV侧两段母线。

4 城市轨道交通光伏发电系统方案
根据轨道交通工程的建筑形式，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、停车场顶棚等地方；为了节约土地，车辆段、停车场的设计大多数都与TOD开发相结合，安装太阳能的条件不是很理想。

本文主要以高架车站为例，介绍太阳能光伏发电系统应用在轨道交通工程中
的方案。

4.1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，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，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。

佛山地铁3号线通过
技术和经济性分析，采用多晶硅光伏组件，要求电池片转换效率不低于19％；第
一年内衰减率不高于2.5%，10年内输出功率衰减率不高于10%，20年内输出功
率衰减率不高于20%；总体光伏组件故障率不高于0.01%。

4.2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结合方式，不需要改变建筑物本身，只需将组件以支架方
式固定在屋顶上，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。

佛山地铁3号线在高架站屋顶运用光伏发电系统，运营模式为自发自用，在
车站建筑内部消耗所发电能，在并网点设置并网电能表显示发电量。

光伏发电系
统所产生的电能，能供给车站照明、空调、电扶梯等车站所有低压用电负荷，当
发电量不够或不能发电时，由供电系统补充。

光伏组件将太阳光能转化为电能，
经直流电缆将电能馈至光伏设备室的光伏逆变器，再进行交直流转换，逆变为
380V交流电，经交流并网柜后并入车站变电所0.4kV低压开关柜。

光伏组件通过
专用支架安装，固定在车站屋顶，安装角度按照建筑屋顶设计坡度。

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。

太阳能取之不尽,用之不竭,
清洁安全,对于缓解日趋严峻的能源与环境问题具有重大的战略意义。

地铁建设与
光伏发电相结合，不仅响应国家节能降耗的要求，也是降低地铁运营成本的需要，同时也在市民中起到了良好的节能示范作用，凸显了“绿色交通”的新理念。

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