新能源在地鐵系統中的應用與研究

朱賀

摘 要：文章介紹了光導照明系統（導光管日光照明系統）、光伏發電系統的工作原理，介紹了其在地鐵系統中適用場所及適用性，分析光導照明系統、光伏發電系統在地鐵車輛段應用的可行性，并結合工程案例總結光導照明在地鐵車輛段的應用情況。

關鍵詞：光導照明系統；光伏發電系統；車輛段；應用；研究

中圖分類號：U231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0169-02

Abstract： This paper introduces the working principle of photoconductive lighting system and photovoltaic power generation system， and introduces its application and applicability in subway system. The feasibility of the application of photoconductive lighting system and photovoltaic power generation system in metro depot is analyzed， and the application of photoconductive lighting in metro depot is summarized in combination with engineering cases.

Keywords： photoconductive lighting system； photovoltaic power generation system； depot； application； research

引言

地鐵由于其快速、準時、承載量大等特點，已成為解決城市交通問題的有效途徑。同時，地鐵還具有高技術、高投入和高能耗的特點。電能是地鐵運行主要能源，地鐵的電力支出至少占整個運營成本的30%及以上。另外，在我國燃煤發電量占比較大，2017年占比七成以上。燃煤發電會導致顆粒物、有害氣體、溫室氣體等排放，造成生態破壞、環境污染。近年來，隨著全球的資源供給和環境承載壓力日益突出，走節能減排的發展道路迫在眉睫。因此，在全球倡導節約能源的大背景下，綠色低碳更需要通過技術手段實現地鐵系統的節能減排。

太陽能是能夠保證人類能源需求的能量來源之一，其潛在資源120000TW，實際可開采資源高達600TW。光導照明、光伏發電技術日趨成熟，太陽能電池組件成本近30年來大大降低；廣東省太陽能資源較為豐富，年輻照時數2200小時左右；國家以及廣東省不斷出臺光伏產業利好政策，光伏電站的建設已經具備了技術、資源和政策基礎。光伏發電具有顯著的能源、環保和經濟效益，是最優質的綠色能源之一。

1 光導照明系統、光伏發電系統的概況

1.1 光導照明系統、光伏發電系統工作原理

光導照明系統其原理是通過采光罩高效采集自然光線導入系統內重新分配，再經過特殊制作的導光管傳輸和強化后由系統底部的漫射裝置把自然光均勻高效的照射到任何需要光線的地方，得到由自然光帶來的特殊照明效果。同時，系統結構和材料兩個方面可以提高系統的采光率和傳導率。

光伏發電系統是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電系統。它的主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。

1.2 光導照明系統、光伏發電系統的優缺點

光導照明系統、光伏發電系統與傳統的照明、發電系統相比，存在著獨特的優點，有著良好的發展前景和廣闊的應用領域，是真正節能、環保、綠色的照明及發電方式。

光導照明作為一種綠色的照明方式，在國內的應用較為普遍，有著節能、環保、健康、安全、光效好、采光面積小及可調光等優勢。光伏發電系統的可靠性高、使用壽命長、不污染環境、能獨立發電且能并網運行。

同時，光導照明系統、光伏發電系統在應用過程中也存在一些限制，主要體現在以下幾點：投資成本較大；受到天氣因素影響；材質要求較高；太陽能電池的安裝場所跟土建結構的前期配合工作量較大、回收期較長；由于地鐵屬于市政項目，若沒有產權證和土地使用證，將會帶來無法取得補貼的風險。

1.3 光導照明系統、光伏發電系統在地鐵系統中的主要應用場所

光導照明系統適合于車輛段綜合樓頂層和地下一層建筑，控制中心等多層建筑的頂層或者是地下室等；光伏發電系統適用于無上蓋開發車輛段的庫房、綜合樓閑置屋面等場所。

2 光導照明系統、光伏發電系統在地鐵車輛段的適用性分析

（1）幾種常見的自然采光系統有：采光天窗、采光隔板、光纖照明。目前采光天窗在帶上蓋車輛段的應用最大的受限是其需要在上蓋大面積開孔以滿足蓋下作業要求。但是這種在上蓋大面積開孔的做法一方面存在安全隱患，另一方面也減少了上蓋開發面積，無論是從經濟還是安全的角度都是得不償失的。光纖照明的開孔面積較小成本也較低，但是其光通量較小，在車輛段等大空間應用時其照度無法滿足蓋下作業要求。因此光纖照明在車輛段等地鐵上蓋物業的應用也是不合適的。車輛段一般側面為開放式，因此設置采光隔板是沒有必要的。光導照明系統在上蓋的開孔面積較為適宜，同時光導照明系統在地下車庫、工廠等大空間應用比較成熟，其光照能夠滿足作業要求，因此其在車輛段適用。光導照明的最大特點是可實現一個光源多個點照明，由于其材料的特性可實現一定范圍內靈活地彎折，且其光質穩定、光澤柔和、色彩廣泛。但是光纖截面尺寸小，所能輸送的光通量比導光管小得多。光導照明系統的工作原理前面已有介紹，相對上述幾種自然采光系統，光導照明在車輛段上蓋的開孔大小適宜，同時其光通量較大且可滿足蓋下作業要求。因此光導照明系統更加適用于車輛段等項目的自然采光系統。（2）地鐵具有城市公共交通與大型公共建筑的雙重特征，同時承載著城市公共交通運輸與建筑雙重節能的責任。在國家倡導節能減排的大背景下，利用車輛段大面積的閑置屋頂建設屋面光伏發電符合當前國家節能減排的政策，達到節能減排的目的，將有利于推動我國綠色發展，凸顯綠色；同時將深入探索更加可靠的供電模式，強化地鐵等公交系統的供電保障與應急電源保障。充分利用地鐵車輛段閑置屋頂，將其作為太陽能光伏發電的新型、有效載體，從而達到節能減排目標，實現光伏發電、交通運輸、節能減排、綠色出行、低碳生態五者的高效整合與最佳統一，具有重要社會效益。

3 光導照明系統、光伏發電系統在地鐵車輛段的可行性分析

（1）光導照明是一種綠色、環保的照明方式，充分的顯示了其“節能減排”的特性。且光導照明無需電力，因此不存在電力隱患。同時，相對于電氣照明，光導照明不存在頻閃，其采用的材料可有效隔絕大部分紫外線。目前大多數光導照明產品的防火等級可達到B級，滿足大多數建筑的防火要求。而配合調光裝置等輔助設備，可實現室內光照調節的目的。雖然光導照明在應用過程中存在著一些缺陷，但是可以通過前期設計、產品性能提升等避免。光導照明產品的價格一般高于電氣照明、采光天窗、光纖照明等設備，但其無需電力，且維護成本低，可通過后期節省電費及維護費用等達到回收提資的效果。另外，部分地區常年光照量較少，應用光導管照明效果不佳。但是，根據年光照小時可將全國分為5個等級：一等地區為太陽能資源最豐富的地區，其年光照小時可達到2800～3300小時；二等地區為太陽能資源較豐富地區，其年光照小時可達到3000～3200小時；三等地區為太陽能資源中等地區，年光照小時達到2200～3000小時；四等地區為太陽能較差地區，年光照小時為1400～2200；五等地區為太陽能資源最差地區，年光照小時為1000～1400小時。而地鐵集中城市主要分布在三等地區以內。（2）有效利用車輛段既有閑置屋面建設光伏發電系統，并結合儲能技術、通信技術、互聯網技術，打造智能微電網，調整能源結構，提升供電可靠性與應急保障，節能減排，創新管理模式，降低運營成本。a.光伏電池組件與建筑物的結合，既可發電又能作為建筑物的隔熱層，不但可使物質資源充分發揮多種功能，而且還使建筑物科技含量提高。b.光伏微電網建設可以提高光伏發電系統電能質量，并可配合高可靠長壽命的儲能系統以及智能化控制系統，實現光伏微網與大電網的無縫切換；既可靈活與電網聯接，又能脫離電網獨立運行；既有利于增強電力系統抵御戰爭和災害的能力，又有利于改善電力系統的負荷平衡，并可降低線路損耗。

根據以上分析，光導照明系統、光伏發電系統在地鐵車輛段應用是可行的。

4 光導照明系統、光伏發電系統在地鐵車輛段中的工程應用

（1）光導照明系統：廣州地鐵21號線水西停車場，作為帶上蓋地鐵場段項目已采用光導照明系統項目。共使用53套光導照明系統，主用應用于運用庫、咽喉區及道路等場所；廣州地鐵運營指揮中心的地鐵上蓋項目也采用了光導照明系統，共使用7套光導照明系統，主用應用于地下車庫。（2）光伏發電系統：上海地鐵11號線北段川楊河車輛基地、南段治北車輛基地和12號線金橋車輛基地已經采用分布式光伏發電（約9兆瓦）并網接入到地鐵的整個供電網絡里面；北京地鐵14號線張郭莊站已建成國內首座裝機容量為60千瓦的屋頂太陽能光伏發電地鐵站。廣州魚珠車輛段屋頂初步規劃共敷設23560塊峰值功率為255Wp的多晶硅光伏組件，裝機容量為6MWp。

光導照明系統、光伏發電系統在已經運營的地鐵工程中的應用在滿足了照明需求的前提下，同時又達到了節能、環保、健康、安全、光效好、采光面積小及可調光等效果。

5 結束語

科技的高速發展帶動了社會空前的發展，隨著資源利用日趨緊張，生態環境保護迫在眉睫，如何利用新能源、新技術發展是每個行業急需要解決的問題。高新、高效、節能技術逐漸引入各個行業領域，成為行業發展的重要推動劑。只有將新能源技術廣泛、有效的應用到工程項目中，可持續發展能力才會進一步提高，生態環境不斷得到改善。地鐵系統作為當前重要的城市交通工具和大型公共建筑，同時承載著城市公共交通運輸與建筑雙重節能的責任，開發和研究光導照明系統及光伏發電系統在地鐵行業的應用是可行的且具有重要意義的。

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