太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用研究

劉 昊，李克飛

（北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司，北京 100101）

1 引言

在國家提出“碳達峰、碳中和”發(fā)展目標(biāo)的背景下，作為耗能大戶的城市軌道交通，發(fā)展以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為代表的綠色可再生能源技術(shù)，是實現(xiàn)該行業(yè)節(jié)能減排、綠色轉(zhuǎn)型的重要方法之一。在眾多綠色能源中，太陽能光伏發(fā)電以其清潔、無污染、分布廣等特點備受青睞[1-2]，在城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。在城軌中引入綠色、高效、低碳的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，推進綠色清潔能源替代化石能源的行動也成為了城市軌道交通研究的熱點。目前，北京、上海、重慶、蘇州、深圳等多座城市已在其軌道交通中采用了光伏發(fā)電系統(tǒng)，也取得了一定的成效，但該系統(tǒng)仍有較大的可開發(fā)利用空間[3-4]。 同時，由于地上車站、場段和車輛基地的上蓋開發(fā)和屋頂承重問題導(dǎo)致具備開發(fā)條件的建筑屋頂、外立面面積較小、利用率低，亟待開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)新的應(yīng)用場景。

基于上述背景，本文對現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用情況進行調(diào)研分析，并結(jié)合線網(wǎng)規(guī)劃情況對光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用進行預(yù)測分析，在梳理其存在問題的基礎(chǔ)上提出光伏建筑一體化和光伏聲屏障2種新的應(yīng)用場景，為光伏發(fā)電在城市軌道交通中的應(yīng)用提供新的思路。

2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用情況

2.1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。光生伏特效應(yīng)是指半導(dǎo)體在受到光照射時產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象，即半導(dǎo)體在受到光照射時，由于光生載流子在不同位置具有不均一性，或者由于p—n結(jié)產(chǎn)生了內(nèi)部載流子，就會因擴散或者漂移效應(yīng)而引起電子和空穴密度分布不均勻，從而產(chǎn)生電能的現(xiàn)象；光伏發(fā)電原理與太陽能電池器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、直流防雷接線箱、光伏逆變器、監(jiān)控設(shè)備等組成，如圖2所示；其關(guān)鍵元件是由太陽能電池組裝而成的光伏組件[5-6]。

圖1 光伏發(fā)電原理與太陽電池器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

目前，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并廣泛應(yīng)用于各類場景。但是，光伏發(fā)電容易受到環(huán)境、天氣以及光照條件的影響，具有間歇性、隨機性和周期性等特點。進一步研究優(yōu)化光儲一體化調(diào)控，使之既能滿足有功輸出最大化，又能“削峰填谷”響應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度需求，實時保障電網(wǎng)調(diào)度要求一直都是行業(yè)的重點研究內(nèi)容。而在光伏系統(tǒng)中接入儲能設(shè)備，二者相互協(xié)調(diào)可以很好地解決光伏發(fā)電輸出功率不穩(wěn)的問題，平滑電力輸出，提升光伏電力質(zhì)量。結(jié)合城市軌道交通自身特點，探索集分布光伏發(fā)電、高效儲能、直流配電、柔性用電于一體的“光-儲-直-柔”模式，提高城市軌道交通中可再生能源利用的可持續(xù)性，增強自身的消納能力，優(yōu)化用能結(jié)構(gòu)，將成為城市軌道交通行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色轉(zhuǎn)型的重要路徑[7]。

2.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

城市軌道交通是能耗大戶；將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通既可以降低企業(yè)的全生命周期運營成本，又可以減少二氧化碳排放。各城市軌道交通企業(yè)相繼開展相關(guān)工作，已有北京、上海、重慶、蘇州、深圳等 9 座城市的軌道交通中布置了光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量約36 MWp，年發(fā)電量約4 000萬kW · h，具體應(yīng)用情況如表1所示。各城軌企業(yè)的工作主要包括對既有運營線路地上車站建筑屋頂、未做上蓋開發(fā)的車輛基地（車輛段、停車場）建筑屋頂?shù)冗M行荷載、光照等全方面評估，對滿足安裝條件的屋頂、場地和沿線加裝光伏發(fā)電系統(tǒng)。同時，在新建線路具備條件的場所推廣應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)，充分利用地上車站、停車場、車輛段的建筑屋頂?shù)冗m宜場地空間，安裝光電轉(zhuǎn)換效率高的光伏發(fā)電設(shè)施已經(jīng)成為城市軌道交通節(jié)能減排的重要手段。

經(jīng)調(diào)研，在已實施的光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，各城市軌道交通企業(yè)也在積極制定新的光伏發(fā)電應(yīng)用規(guī)劃，不斷拓展新的應(yīng)用場景，增加城市軌道交通的光伏裝機容量。例如，由鐵科院（北京）工程咨詢有限公司組織實施的鐵路沿線光伏儲能及能源綜合管理項目；該項目選擇鐵路邊坡和沿線保護區(qū)2種典型地塊，在鐵路沿線保護區(qū)創(chuàng)新性應(yīng)用預(yù)應(yīng)力懸索柔性光伏支架系統(tǒng)，充分利用南北走向鐵路線路的東西邊坡、沿線保護區(qū)、夾心地的空間資源，增加綠色電力來源。示范段裝機容量216 kWp，預(yù)計每日可向國家鐵道試驗中心提供1 000 kW · h左右的綠色電力。隨著光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展，各環(huán)節(jié)成本逐步降低，投資回收期也逐漸縮短，光伏發(fā)電系統(tǒng)自發(fā)自用投資回收期為4～5年，自發(fā)自用余電上網(wǎng)投資回收期為5～7年，并在不斷縮短。同時，與燃燒化石能源相比，光伏發(fā)電技術(shù)在提供能源的同時，不排放煙塵、二氧化硫、氮氧化合物和其他有害氣體；因此，其在城市軌道交通中的應(yīng)用具有巨大的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

3 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用預(yù)測分析

根據(jù)全國主要城市軌道交通已批復(fù)線網(wǎng)規(guī)劃，對軌道交通2021年、2025年和2030年的高架站數(shù)量、車輛基地光伏發(fā)電面積進行統(tǒng)計，得到全國主要城市軌道交通光伏發(fā)電可利用總面積，并由此推算出未來全國主要城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量。根據(jù)如表2所示的統(tǒng)計信息，以北京地區(qū)光照峰值小時數(shù)等參數(shù)進行模擬計算得出全國主要城市軌道交通光伏發(fā)電2021 年、2025年和2030年的實際與預(yù)計全年發(fā)電量約為6.1 億、8.7億和10.4 億kW · h。由表1中數(shù)據(jù)可知，全國主要城市軌道交通2021年光伏發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量約36 MWp，年發(fā)電量約4 000 萬kW·h。基于此，2021年全國主要城市軌道交通已開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量僅占可開發(fā)容量的6%左右，說明城市軌道交通中光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用仍有巨大的發(fā)展空間。同時，城市軌道交通新建、運營線路的地上車站、場段建筑承重、安全問題與上蓋開發(fā)導(dǎo)致具備可開發(fā)條件的建筑屋頂、外立面面積較少、利用率低，也是限制光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。因此，為優(yōu)化城市軌道交通能源結(jié)構(gòu)，完成綠色發(fā)展轉(zhuǎn)型，太陽能作為最適合城市軌道交通發(fā)展的綠色能源，亟需拓展新的應(yīng)用場景。

表1 國內(nèi)城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用情況調(diào)查表

表2 全國主要城市軌道交通光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量與發(fā)電量統(tǒng)計與預(yù)測數(shù)據(jù)

4 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的新場景應(yīng)用

4.1 應(yīng)用光伏建筑一體化

光伏建筑一體化是指將光伏發(fā)電與建筑物相結(jié)合，于建筑物結(jié)構(gòu)外圍鋪設(shè)光伏器件，從而產(chǎn)生電力。結(jié)合國家部委、各地市政策和軌道交通的實際情況，光伏建筑一體化具備在軌道交通中應(yīng)用的必要性和可行性。光伏建筑一體化有2種主要模式：與建筑相結(jié)合的分布式光伏系統(tǒng)可分為附著于建筑物上的光伏系統(tǒng)（Building attached photovoltaics，BAPV）和與建筑物融為一體的光伏系統(tǒng)（Building integrated photovoltaics，BIPV）；目前城市軌道交通中應(yīng)用的主要是BAPV的形式。而BIPV則采用建筑材料與光伏器件相結(jié)合的形式，用光伏器件直接代替建筑材料；系統(tǒng)作為建筑物外部結(jié)構(gòu)的一部分，既具有發(fā)電功能，又具有建筑構(gòu)件和建筑材料的功能，充分利用太陽能發(fā)電，提高綠電使用率，實現(xiàn)節(jié)能減排。在新建城軌線路具備條件的場所推廣應(yīng)用BIPV系統(tǒng)，將光伏組件與建筑構(gòu)件組合在一起，或?qū)⒎辖Y(jié)構(gòu)強度要求的光伏組件獨立作為建筑構(gòu)件，充分利用地上車站、停車場、車輛段、車間的建筑屋頂?shù)冗m宜場地空間，達到即節(jié)省建筑材料又節(jié)能減排的目的。同時，可以對既有運營線路地上車站車輛段、停車場等屋頂?shù)冉ㄖM行荷載、光照等全方面評估，對滿足安裝條件的屋頂、玻璃、墻體進行光伏建筑材料改造升級，全方位地開展節(jié)能降耗和綠色能源替代行動。

4.2 應(yīng)用光伏聲屏障

光伏聲屏障一體化是“光伏+”在城市軌道交通的一種新型應(yīng)用形式，拓展了城市軌道交通中新的光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場景，也是響應(yīng)國際城市軌道交通綠色發(fā)展方向以及落實國內(nèi)相關(guān)政策的重要實踐。歐洲Shift2Rail擬定的零碳運輸路線圖12大愿景中，愿景 5“能源最佳利用”明確將軌道旁高效的分布式新能源發(fā)電技術(shù)作為系統(tǒng)新能量重要來源之一。

目前，光伏聲屏障在世界范圍內(nèi)僅在高速公路領(lǐng)域有試點應(yīng)用案例[8]，在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)尚未有相關(guān)成熟產(chǎn)品。結(jié)合城軌行業(yè)自身特點，將不同類型太陽能組件與半封閉、全封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在不影響聲屏障的隔音性能和安全性的情況下，充分利用軌道沿線合理布局光伏發(fā)電系統(tǒng)。以光伏聲屏障作為綠電源頭，就近安裝儲能系統(tǒng)，接入照明等設(shè)備設(shè)施，通過能量路由器形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立新型軌道交通能源互聯(lián)網(wǎng)，并強化“源網(wǎng)荷儲”各環(huán)節(jié)間協(xié)調(diào)互動，充分挖掘系統(tǒng)靈活性調(diào)節(jié)能力和需求側(cè)資源。將產(chǎn)生的綠色能源在牽引、動照等方面進行消納，可提升城市軌道交通的經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益，實現(xiàn)高質(zhì)量、可持續(xù)的綠色發(fā)展。

5 結(jié)語

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，各城市軌道交通企業(yè)也在不斷建立新的光伏發(fā)電設(shè)施，但2021年全國主要城市軌道交通已開發(fā)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量僅占可開發(fā)容量的6%左右，說明其仍有巨大的發(fā)展空間。太陽能作為最符合城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展要求的綠色能源，只有因地制宜開發(fā)應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)，不斷開拓新的應(yīng)用場景和利用方式，構(gòu)建多能互補的軌道交通能源互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)多能協(xié)同供應(yīng)和能源綜合梯級利用，才能減少城市軌道交通對外購傳統(tǒng)電能的依賴，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性減排，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)貢獻城軌力量。