光伏发电在城市轨道交通中的应用研究
张晔
摘 要：文章从太阳能光伏发电的发展概况进行展开，然后论述光伏发电系统对城市轨道交通的重要意义和使用光伏发电系统的条件，进而分析光伏发电技术在城市轨道交通中的应用，以及在应用中需注意的问题等。
关键词：光伏发电系统；城市轨道交通；应用分析
1 光伏发电技术的发展
1839年，法国科学家贝克勒尔发现了“光生伏特效应”，1954年美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳能转换成电能的实用光伏发电技术。随着20世纪70年代工业的发展，能源危机和大气污染问题日益严重，可再生能源成为了人们改变能源结构的希望。到了90年代后，光伏发电产业快速发展，2011年，全球光伏新增装机容量约为27.5GW，涨幅比2010年高52%，在国家的十三五能源战略规划中，给了太阳能光伏发电入网定价权，更加刺激了光伏产业的发展。
2 城市轨道交通使用光伏发电系统的重要意义
就中国来说，截至2015年底，全国城市轨道交通已开通运营的城市已达26个，地铁运营线路达到85条，运营线路总长达到2658km，并且预估在二十一世纪二十年代末实现城市交通轨道运行6618公里的里程，并且在“十三五”期间使得CAGA达百分之12.84，可见地铁在交通中的龙头地位。那么，随着能源的不断消耗，地铁也对新能源引起了重视，如果在地铁建设过程中，能够应用光伏发电系统，即有助于节约能源，又对光伏发电项目建设有重要开拓意义。
北京地铁14号线张郭庄站光伏发电系统为我国首座屋顶太阳能光伏发电地铁站，该项目采用半透光太阳能电池组件排布，日均发电量40至50千瓦，承担了地铁张郭庄站大约1/3的日用电量，达到了节能减排的目的。
3 光伏发电系统在地铁中应用的条件
地铁拥有占地面积大，规模大，建筑群集中，用电负荷稳定等特点，所以应用光伏发电系统是可行的，而光伏发电系统技术应用的条件有：（1）太阳能光伏发电系统由于其自身的发电特点，在安装的过程中就需要对周边的环境和安装地的日照条件进行调研，地铁所在地日照充足，年日照时间长，并且组件要和建筑单体相结合，满足安装、清洁、维护的要求，车辆段、高架车站屋顶面积大，适合安装太阳能光伏发电装置。（2）光伏发电系统需兼顾总功率和稳定性两个方
面：在光伏发电系统的设计过成中，不仅需要考虑其日常运行的固定工作时间，还考虑其使用的峰值和最大的荷载量，电器是纯电阻性、电容性还是电感性，以及瞬间启动最大电流的流通量。（3）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续工作的天数等。在太阳能光伏系统设计中需充分考虑上述因素，保证最大效率的使用。
4 太阳能光伏发电系统应用分析
4.1 光伏发电系统组成及应用原理
太阳能光伏发电系统主要通过太阳能电池方阵在光照条件下产生直流电，直流电通过逆变器转换为交流电后并入低压或高压电网，太阳能光伏发电系统是由太阳能光伏组件、光伏控制器和交流逆变器及相应的附属设施组成。
4.1.1 太阳能光伏组件。光伏组件选型：地铁中如车辆段光伏组件选型一般结合BAPV方式，不需要改变建筑物本身，只需将光伏组件固定在建筑物屋顶上。
4.1.2 光伏控制器。太阳能光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
4.1.3 交流逆变器。逆变器是将直流电转换成交流电的设备，按照运行方式，可以分为离网逆变器和并网逆变器，离网逆变器用于独立运行的太阳电池发电系統，为负载供电，并网逆变器用于并网运行的太阳电池发电系统。
4.1.4 相关附属设施。附属设施包括直流配线系统、交流配线系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统，是太阳能光伏发电系统必不可少的组成部分。
4.2 发电系统类型选择
光伏发电系统主要有三种：（1）独立光伏发电系统（离网系统）。（2）并网光伏发电系统。（3）分布式光伏发电系统。
地铁在应用光伏发电技术时要相应选择适合自身的光伏发电装置。一般来讲根据是否带有储能设施可以划分为两种类型，还可根据电负荷的类型不同分为，直流电光伏发电系统、交流点光伏发电系统和交直流混合系统。在实际的使用当中，由于交通运输枢纽的用量大，电负荷高，所以一般采用，低压并网方式。并且由于地铁交通的稳定与否是事关人民生命财产安全的大事，其供电设施可靠与否是非常重要的，为了预防光伏发电装置的电流往高电压方向逆向输送，一般在使用的过程中会在发电系统内添置防逆流设备，以避免对高电压一侧的干扰。
4.3 光伏组件与地铁高架车站顶棚的应用
BAPV和BIPV两种方案被用于地铁高架车站顶棚。
BAPV方案是指通过简单的支撑结构将光伏组件附着安装在建筑上，不会增加建筑防风、遮雨的性能。
BIPV方案是顶棚与光伏组件集成，太阳能光伏组件兼做顶棚建筑材料是集发电、隔音、隔热、安全和装饰功能为一体的新型功能性建筑形式。BIPV使建筑物整体性效果更好；既增加了建筑的透光率，又有良好的遮阳效果，可以突出建筑物的美学光影关系，体现节能减排的观感效应。
4.4 光伏发电系统的避雷措施
无论是何种类型的太阳能发电系统都要求其采光装置有较好的朝向以及较长时间面向太阳，受到成本的限制，我国打多数太阳能发电系统（包括光伏太阳能和发电系统），其安装的位置要么出去开阔地带，要么位于屋顶，这就造成了当雷雨来临时，较易会受雷击的可能性比较大，并且太阳能电池组件和逆变器比较昂贵，因此必须采取有效保护措施。包括外部防雷保护和内部防雷保护。
外部防雷即防止直击雷，直击雷会直接落到太阳能光伏组件、配电线、电气设备上，基本措施就是安装避雷针或避雷器，装设位置应尽量避免避雷针的投影落在太阳能电池组件上，外部防雷的防雷机制是通过外部的导体，将落雷直接引导至不会对太阳能光伏发电装置（尤其是太阳能电池板）造成影响的地方，他的设备组成一般包括接闪器、引下线和接地地网等。
内部防雷就是防止感应雷的入侵。系统主要采取装设电涌保护器，其作用就是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，使设备或系统不受雷电流冲击而损坏。
4.5 太阳能光伏发电系统应用时应注意的问题
4.5.1 光伏电站的容量设计方面，必须根据负载和现场的地理及气象条件进行专门的优化设计。光伏组件阵列面尽量朝南倾斜设置，不能被其他建筑物遮挡。
4.5.2 光伏发电系统安装时不能损坏和影响车站主体结构及整体效果，因为车站是主体，光伏是客体。
4.5.3 城市轨道交通的落客点（车站）的建筑设计应当与太阳能光伏发电系统想结合。无论是建筑的形式、设备、荷载承受能力都需要在方案设计的阶段，就考虑到与光伏发电装备的结合问题，并且在施工图深化的阶段要将考虑光伏发电系统具体的施工做法和后期安装方式，在项目开工之后还要综合考虑光伏发电部件的运输、进场、管理和存放等问题。
4.5.4 地铁光伏发电系统在清洁时主要利用雨水自然清洁，如果长时间不下雨，就要进行人工清洁，清扫污染物，保证系统正常运行。
5 结束语
城市轨道交通作为现代化普遍的交通工具，行业发展迅速，是未来的轨道交通主力，同时也带来了巨大能源消耗，而太阳能光伏发电技术的诞生和发展无疑是给地铁提供了新的科技力量和动力，既可降低城市轨道交通的运营成本，同时也在起到良好的示范作用。光伏发电技术目前在轨道交通应用的范围还是比较狭窄，需要不断依靠新的政策和科技实力进行创新和推广，才能扩大应用范围。太阳能光伏发电技术在地铁上的应用推广还有一些阻碍，但两者的结合无疑是城市轨道交通发展中的一大亮点，是人类科技进步的表现。
