城軌電扶梯出入口光伏系統方案研究

鄭 燕 張 琨

?

城軌電扶梯出入口光伏系統方案研究

鄭 燕 張 琨

摘 要：城市軌道交通出入口頂部多采用透明玻璃結構，結合太陽能光伏系統的應用現狀，提出將出入口頂部透明玻璃更換成光伏玻璃的方案，既有效地減少了陽光直射導致的升溫，又可產生清潔能源供使用。結合寧波地鐵的應用實例，證明方案的可行性與優越性，為城市軌道交通中新能源的利用提供新的思路。

關鍵詞：光伏玻璃；太陽能；城市軌道交通；出入口；電扶梯

鄭 燕：中鐵第四勘察設計院集團有限公司設備設計處，工程師，湖北武漢430063

0　前言

新型能源形式的引進是引發綠色能源革命和綠色建筑革命的交匯點。隨著光伏技術的不斷發展，電池片的轉換效率不斷提升，而成本不斷下降，將太陽能光伏發電系統應用于軌道交通項目是未來的發展方向。太陽能光伏發電系統的各種彩色光伏組件，可以取代和節約昂貴的軌道交通車站出入口的外飾材料（如幕墻和玻璃頂等），使建筑物的外觀更具科技感；太陽能光伏發電系統正好在白天用電高峰供電，從而緩解高峰電力需求，這對于軌道交通等用電大戶更為重要。如柏林火車站采用了光伏采光頂，如圖1所示。

目前軌道交通項目在國內大中城市中蓬勃發展，從人性化設計的角度，每個車站出入口都設置了電扶梯，從美觀的角度出發，往往出入口都設計成透明型式，但帶來的新問題就是陽光天氣下會使得出入口溫度很高，甚至造成電扶梯控制部分死機。城市軌道交通同樣可以考慮采用光伏發電系統，如圖2所示，在地鐵出入口采用光伏玻璃作為采光頂，不僅可有效地減少直接射入光線，降低溫度，還能將太陽能轉換為電能，供給其他設備使用，有極佳的節能效果和示范效應。

圖1　柏林火車站光伏采光頂

圖2　安裝光伏組件的出入口示意圖

本文提出的設計方案就是如何在出入口設置光伏發電系統，有效地利用太陽能，實現環保節能的理念。

1　光伏系統技術方案

1.1光伏采光頂系統

1.1.1光伏系統組成

獨立光伏供電系統由光伏組件陣列、光伏控制器，離網光伏逆變器、蓄電池、電纜和匯線盒等設備組成。系統由硅電池發電，蓄電池儲存，組成1個獨立的運作系統（圖3），無需借助外部電網。

（1）光伏組件。光伏組件的核心是太陽能電池，采用高效晶體硅太陽能電池。電池的減反射膜為等離子體增強化學氣相沉積的氮化硅膜。光伏組件水平地安裝在地鐵口采光頂上（圖4），電池片采用高效晶體硅電池片。太陽能光伏組件每塊240 Wp，尺寸為2200 mm×1000 mm，具體工程根據需要計算確定數量。

（2）光伏控制器。光伏控制器通過微處理器進行蓄電池充放電控制管理，當蓄電池過壓或者欠壓自動斷開，保護電路安全。光伏控制器效率一般取97%。每個車站出入口配置1臺光伏控制器。

圖3　獨立光伏系統原理框圖

圖4　光伏采光頂

（3）蓄電池。建議盡量配置無記憶效應的蓄電池，容量根據實際需要供電的用電量進行計算，使用周期則按當地氣候進行選取。當然方案中也可以減少蓄電池，設定低于一定的電壓時，則切入市電。

（4）離網逆變器。逆變器的輸出頻率為50 Hz，正常工作條件下其偏差不超過5%。如果采用正弦波逆變器，其最大輸出電壓的波形失真度不超過 ±5%。離網逆變器效率取96%。

每個車站配置1臺離網逆變器，包含 IGBT 逆變單元、直流/交流配電、程序控制器、發電最大功率跟蹤、整合控制面板等模塊，有顯示工作狀態和工作參數（直流電壓，交流輸出）、絕緣監視（動態接地錯誤檢測）等功能。

（5）匯線盒。一般采用太陽能專用方陣匯線盒（含斷路器及避雷器），每個車站配置1套。

（6）電纜，包括光伏專用電線和交流電力電纜線。參考IECll94《 建筑物的電氣安裝 》與 IEC269-l 《 低壓保險 》標準中的相關要求，查閱《 建筑電氣設計手冊 》，考慮到工程中電纜使用環境為高層建筑、部分架空，使用交聯聚乙烯阻燃型電纜線，確保整個工程安全、防火。整個太陽能方陣線損按2% 考慮。

1.1.2接地和防雷設計

太陽能光伏電站為3級防雷建筑物，應按照GB50057《建筑防雷設計規范》進行防雷和接地設計，但設計中應盡量避免避雷針的投影落在光伏組件上。光伏電站對接地電阻值的要求較嚴格，因此，要實測數據，建議采用復合接地體，接地機的根數以滿足實測接地電阻為準。

1.2光伏采光頂安裝結構

光伏組件作為發電設備安裝在地鐵出入口及電梯井道的玻璃采光頂上，光伏組件采用四邊支撐的結構形式，固定在鋼梁結構上，替代普通建筑玻璃，構造了一種簡潔、安全、經濟的安裝結構系統。光伏組件基本水平安裝，具體見圖5。

2　光伏系統經濟效益及社會效益分析

2.1方案設置地理位置

以寧波市為例，即東經120°55' 至122°16'，北緯28°51' 至30°33'。全市規劃有軌道交通7條線路，其中軌道交通1號線一期工程共20個站，1個站平均有4個出入口。其氣象監測要素特征如下。

（1）氣溫：年平均氣溫16.4℃。

（2）降水：年平均降雨量為1480 mm。

（3）年平均水平面太陽輻射值：3.59+kW·h/m2/天。

（4）全年日照總時數：1850 h。

2.2光伏組件使用面積及發電量計算

2.2.1出入口光伏系統使用面積

車站可安裝光伏玻璃的設施包括出入口雨棚以及電梯口，每個出入口按2臺電梯考慮。雨棚的光伏玻璃主要安裝在頂部與側面；電梯口安裝方式見圖6，主要考慮對頂部設備的保護，而下部保持通透。該光伏項目采用光伏建筑一體化（BIPV）的安裝形式，由200塊“8 mm厚超白鋼化玻璃 +2.28 mm 厚非晶硅薄膜電池+8 mm 厚鋼化玻璃”的光伏組件構成，代替普通建筑玻璃，不僅具有采光、擋雨的功能，而且還具有發電的功能，有非常好的示范效果和節能作用。

圖5　光伏組件安裝結構圖（單位：mm）

2.2.2光伏系統發電量計算及經濟效益分析

每個車站的出入口光伏玻璃總面積合計大約為580 m2，采用高效晶體硅電池片，系統的總功率約為58 kW，年發電量約為7.6萬 kW·h。以上方案只是在光伏組件在附近無遮擋無嚴重污染等情況下的理論計算值，僅供參考。

出入口按照每個燈箱有 LED 燈（功率18 W）4個考慮，每天供電從18:00到23:00，共5 h，一天總的耗電量為0.36 kW·h，根據寧波的天氣情況，按有3天連續陰雨天氣進行計算如下。

圖6　電梯出入口光伏玻璃安裝示意圖（單位：mm）

（1）出入口日平均發電量。本項目每個地鐵出入口配置光伏系統功率58 kW 的光伏組件，寧波的年平均峰值日照為3.59 h，一天每個地鐵出入口配置光伏系統的發電量為：58×3.59=208.22 kW·h，即208.22度電。

（2）出入口廣告燈箱每天的耗電量：4×18×5/0.96=375 W·h =0.375kW·h，即0.375度電，由上可得，每天可以存儲的電能為：（208.22-0.375）×0.97=201.6097 kW·h。

（3）按3個陰雨天計算，總共需要存儲：0.375×3=1.125 kW·h 的電能。

（4）光伏系統產生的電量主要供出入口的排氣扇等大功率電器的日常使用，部分供廣告燈箱 LED 燈使用。按存儲3個陰雨天的廣告燈箱用電量考慮，控制器的電壓為24 V，需要蓄電池容量：1125/24=46.88 A·h，可選用蓄電池（24 V、16 A·h）3個滿足需求，考慮備用1個蓄電池，則共需要蓄電池4個。

另外，經過現場的實際測試，透明井道頂部安裝光伏組件后，在同一地鐵站，比未安裝光伏組件的井道溫度低約4 ℃，實際運行效果也穩定可靠。

此太陽能發電系統30年發電約為228萬 kW·h，目前寧波非居民照明用電價約為0.93元人民幣每度電，考慮到30年內電價上漲，估計30年后的平均電價為1.6元/度，30年估算節約電費為364.8萬元人民幣。

2.2.3社會效益分析

光伏發電系統是解決能源危機的重要手段；可促進能源多樣化，提高國家能源安全；能產生良好的環境效益，減少有害氣體排放。推廣使用這種太陽能系統，可以產生明顯的社會效益。

目前我國發電耗煤平均為390 g（標煤）/kW·h［3］，本文的光伏系統方案在30年內發電約為228萬 kW·h 的情況下，預計年節約標煤為：228萬 kW·h×390 g（標煤）/ kW·h =889.2 t。根據我國標煤的組成，每燃燒1 t標煤產生的 CO2約為2.54 t［4］，則本文的光伏系統方案可減少排放溫室氣體 CO2約2258.568 t。

3　展望

我國是太陽能資源比較豐富的國家，利用綠色、清潔的太陽能進行軌道交通的節能設計對減少化石燃料的使用、減少大氣污染、防止環境的進一步惡化都會起到積極的作用。城市軌道交通地鐵車站眾多，具有天然的利用條件，以寧波為例，線網規劃有7條線，目前1號線一期有20個車站，2號線一期有22個車站，其余線路加起來約90個車站，每個車站一般有4個出入口。因此，該系統具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］ 陳屹. 太陽能光伏發電系統在軌道交通中的應用研究［J］. 現代城市軌道交通，2010（2）：59-61.

［2］ 龍文志. 太陽能光伏建筑一體化［J］. 建筑技術，2009，40（9）：825-839.

［3］ 牛雙國，李淑芳.2 MWp 太陽能光伏發電工程技術研究［J］. 建筑技術，2013，44（7）：611-613.

［4］ 涂華，劉翠杰. 標準煤二氧化碳排放的計算［J］. 煤質技術，2014（2）：57-60.

責任編輯 冒一平

Study on Photovoltaic System Solutions at Transit Escalator Entrance

Zheng Yan, Zhang Kun

Abstract:Roof of urban rail transit entrance often uses transparent glass structure. Taking into consideration of present application situation of solar photovoltaic system, the paper puts forward a solution for the entrance roof using photovoltaic glass to replace transparent glass, effectively reducing temperature rise caused by sunlight, and generating clean energy supply and use. Taking the application of the solution in Ningbo metro as an example, it proves the feasibility of the scheme and the advantages.

Keywords:photovoltaic glass, solar energy, urban rail transit, entrance, escalator

中圖分類號：TU113.6+65

收稿日期2015-11-19