在鐵路弓網上方安裝光伏發電系統的方案探討

江衛青，武 文，江鵬程，賈麗榮

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，青島 266000；2.中國海洋大學，青島 266100)

0 引言

隨著鐵路開始向現代物流轉型，勢必需要完善鐵路沿線的集疏運系統，增加現代物流裝具，但所需的能源消耗也將隨之增長。沿鐵路線架設光伏發電系統可補充鐵路沿線的電能供應，為鐵路的綠色、多元化發展提供支持。基于此，本文對在鐵路弓網上方安裝光伏發電系統(即光伏化弓網)的方案進行探討，分析采用光伏化弓網時，雨雪、覆冰、橫向風、接觸線硬點對鐵路線造成的影響；對光伏發電系統的主要設備進行對比選擇并估算發電量，簡算列車風對光伏組件的影響；并探討如何在不影響鐵路運營的情況下，對已有鐵路弓網進行光伏化改造。

1 方案簡述

以圖1所示的光伏發電系統為基礎，探討將其架設于以圖2為例的鐵路弓網上方的設計方案，并分析其對鐵路線的影響及其如何與既有鐵路線連接。由于光伏電力為清潔電力，且中國鐵路營業總里程已超過14萬km，因此擁有巨大的改造價值。

圖1 光伏發電系統示例Fig. 1 Example of PV power generation system

圖2 鐵路弓網示例Fig. 2 Example of railway pantograph-catenary

1.1 光伏化弓網設計

光伏化弓網是將光伏發電系統僅架設在鐵路弓網上方，兩側不封閉。該設計方案的正視圖和側視圖如圖3所示。

圖3 設計方案的正視圖和側視圖Fig. 3 Front and side views of design scheme

圖3所示的光伏化弓網結構為雙坡門式鋼架，依據鐵路線情況也可選擇單坡門式鋼架、網架等其他形式。光伏發電系統的跨距和立柱高度根據鐵路線情況調整。弓網的接觸線可通過吊弦懸掛于光伏發電系統支撐結構的支撐梁或檁條，而定位器安裝在支撐梁上，這樣能夠避免光伏發電系統的結構與弓網系統的結構相干擾，并減少不必要的資金浪費。

1.2 光伏化弓網接觸線懸掛方式

傳統弓網的接觸線通過吊弦與承力索連接，以Re 330型弓網為例，承力索的懸掛間距(即立柱間距)可達65 m。而光伏化弓網的跨距(即立柱間距)通常在9 m以內，此種情況下無需采用承力索，只需將接觸線通過吊弦安裝于光伏發電系統的支撐梁或檁條。光伏化弓網與Re 330型傳統弓網的接觸線懸掛方式對比如圖4所示，圖中展示的是側視效果。

圖4 光伏化弓網與Re 330型傳統弓網的接觸線懸掛方式對比Fig. 4 Comparison of catenary suspension modes between PV pantograph-catenary and Re 330 traditional pantograph-catenary

2 光伏化弓網對鐵路線的影響

光伏化弓網對鐵路線的影響主要體現在以下方面：1) 減少軌面雨雪對列車牽引、制動的影響；2)減少接觸線受覆冰的影響；3)降低橫向風對接觸線的影響；4)減少接觸線硬點。

2.1 減少軌面雨雪對列車牽引、制動的影響

軌道上存在雨雪會降低列車加速度，延長制動距離，而制動距離的延長會直接影響到行車安全。因此，當軌道上存在雨雪時，列車通常需要降低運行速度，情況嚴重時，甚至需要停運。但光伏化弓網可對鐵路軌道進行遮蔽，降低雨雪對列車運行的影響。

2.2 減少接觸線受覆冰的影響

接觸線覆冰會影響受電弓與接觸線之間的相互作用，出現受電弓從接觸線上取流不暢、電弧燒傷供電設備等情況，嚴重時甚至會導致接觸線斷開、中斷鐵路行車等。接觸線覆冰的種類及成因如表1所示[1]。

表1 接觸線覆冰的種類及成因Table 1 Types and causes of catenary icing

霧凇的形成難以避免，但其密度及附著力均低，對接觸線的影響不大，可考慮在必要時采用熱力融冰；因凍雨、雪花降落至接觸線引起的雨凇和混合凇的密度大、附著力高，對接觸線的影響較大。而光伏化弓網可對接觸線上方進行遮蔽，能夠減少雨凇、混合凇的形成。

2.3 降低橫向風對接觸線的影響

傳統弓網的立柱間距通常在30～65 m，較長的吊掛間距使接觸線受橫向風影響嚴重，而減小吊掛間距可降低橫向風影響。針對立柱間距分別為65 m和9 m的傳統弓網和光伏化弓網，對二者的跨中接觸線的最大風偏值bmax進行計算，計算方式示意圖如圖5所示。圖中：a為“之”字值(又稱為“拉出值”)，傳統弓網取300 mm，光伏化弓網取42 mm；c為光伏化弓網9 m立柱間距內接觸線中心線與線路中心線的間距；d為行業通常采用的跨中接觸線最大風偏值，mm，取500[2]；A～F均為接觸線固定點，光伏化弓網的固定點設置比較靈活，例如E、F之間被分為4段；圖中均為俯視圖。

圖5 傳統弓網和光伏化弓網的跨中接觸線的最大風偏值計算方式示意圖Fig. 5 Schematic diagram of calculation method of maximum wind deflection of mid span catenary of traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

根據文獻[2]，跨中接觸線最大風偏值的計算式為：

式中：m為當量系數，取0.85；Tj為第j條接觸線的額定張力，kN，取9.8；pj為第j條接觸線的風荷載，N/m，風速為30 m/s時，取8.53；r為支柱撓度，mm，取20；l為跨距長度，m，傳統弓網取65，光伏化弓網取9。

經計算，傳統弓網跨中接觸線的最大風偏值為468 mm，光伏化弓網的為78 mm。

由此可見，減小立柱間距后，跨中接觸線的最大風偏值大幅減小，這意味著可以在上述線路中心線較遠的地方設置光伏化弓網的接觸線固定點。

2.4 減少接觸線硬點

硬點為接觸線鉛垂方向彈性突變或底面不平順形成的點，會增加弓網離線概率、損傷受電弓碳滑板。硬點常見于接觸線接頭、交叉式道岔、定位器線夾處、電連接線夾處。其中，接觸線接頭、交叉式道岔形成硬點的原因為接觸線不平順，需通過加強施工來控制；定位器線夾、電連接線夾處的硬點是因鉛垂方向彈性突變產生，而造成鉛垂方向彈性突變的根本原因是定位器線夾、電連接線夾引起的接觸線質量不均衡，可通過變更吊弦結構來控制。光伏化弓網可由兩個固定點固定吊弦，此時吊弦呈“Y”或“V”形，該情況下可取消定位器線夾，從而減少由其引起的接觸線質量不均衡；用支撐梁或檁條懸掛電連接線，可減少電連接線夾引起的接觸線質量不均衡。由此可知，光伏化弓網可降低硬點的形成。

2.5 小結

針對傳統弓網與光伏化弓網對鐵路線的影響進行匯總，匯總結果如表2所示。

通過表2可以發現，光伏化弓網可大幅改善鐵路線運行環境。

表2 傳統弓網與光伏化弓網對鐵路線的影響匯總Table 2 Summary of impact of traditional pantographcatenary and PV pantograph-catenary on railway line

3 光伏發電系統設計

3.1 接入方式選擇

根據用電設備的位置、并網需求不同，光伏化弓網可采用多種接入方式。文獻[3]介紹了德國鐵路系統將光伏發電直接接入牽引供電系統的技術，但其不足之處是光伏組件性能易受到列車運行狀態的影響。現階段光伏化弓網可參考文獻[4]提出的在牽引變電站的27.5 kV側接入光伏發電系統的方案。光伏化弓網還可安裝通信設備、鐵路安全監測設備、融冰融雪裝置等；按需求設置電壓、頻率可為各設備供電。

3.2 光伏發電系統用逆變器的選擇

根據類型不同，逆變器主要分為集中式逆變器和組串式逆變器兩種。其中，集中式逆變器的功率通常在500～2500 kW，防護等級一般為IP20，體積較大且需在室內安裝；組串式逆變器的功率通常在1～80 kW，防護等級一般為IP65，體積較小且可在室外臂掛式安裝。

而采用不同的逆變器類型，光伏發電系統的配置也會有所不同。采用集中式逆變器時，光伏發電系統的配置方案為：光伏組件、直流電纜、直流匯流配電柜、集中式逆變器、隔離變壓器、交流配電柜；采用組串式逆變器時，光伏發電系統的配置方案為：光伏組件、直流電纜、組串式逆變器、交流配電柜。

光伏化弓網的光伏陣列寬度遠小于其長度，若使用集中式逆變器，直流匯流難度大、成本高，且需設置機房。組串式逆變器可分散布置，且可安裝于光伏化弓網的結構上。因此，光伏化弓網的光伏發電系統宜選用組串式逆變器。

3.3 光伏組件的選用

根據材料不同，光伏組件可分為晶體硅光伏組件、薄膜光伏組件、化合物半導體光伏組件等。對晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件的性能進行對比，對比結果如表3所示。針對表中內容，需要說明的幾點是：1) 標稱功率。由于薄膜光伏組件包括多種類型，其標稱功率也會有所不同，常見的非晶硅光伏組件的為85～90 W/m2；銅銦鎵硒光伏組件的為140～150 W/m2；碲化鎘光伏組件的為 160～180 W/m2。2) 阻水遮蔽。 阻水遮蔽是指光伏組件組成光伏陣列后，對下方空間形成的遮蔽。晶體硅光伏組件安裝后鋁框之間會存在間隙，而薄膜光伏組件各邊以密封膠粘接，不存在間隙。3) 隱性裂紋。光伏組件受到較大的機械或熱應力時，可能使其太陽電池產生肉眼不易察覺的隱性裂紋。太陽電池制備工藝包括硅切片步驟，導致晶體硅光伏組件存在隱裂可能；薄膜光伏組件通常為真空靜電鍍膜，基本不受隱裂影響。4)熱斑效應。鳥糞等會在光伏組件上形成遮擋，串聯支路中被遮擋的太陽電池成為負載會消耗其他太陽電池產生的能量，造成局部溫升，可能會導致該塊光伏組件報廢。

表3 晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件的性能對比Table 3 Performance comparison between crystalline silicon PV modules and thin-film PV modules

從表3可以看出：晶體硅光伏組件的標稱功率明顯較優，但需要對阻水遮蔽、隱性裂紋及熱斑效應多加關注。

3.4 列車風情況下光伏組件的仿真計算

由于光伏發電系統架設在鐵路線上方，必須考慮列車運行引起的風荷載是否會影響到光伏組件的安全。利用FLUENT軟件對橫向風時兩輛列車明線會車時的情況進行仿真計算。本文參考文獻[5]，選擇如圖6所示的計算流場區域，計算模型中光伏組件的高度、車體高度等相關尺寸的選擇如圖7所示。

圖6 計算流場區域Fig. 6 Computational flow field area

圖7 計算模型取值Fig. 7 Values of calculation model

參考文獻[6]，選擇兩輛列車等速會車時速為 350 km/h，橫向風速為18 m/s。以動網格技術，對會車過程中光伏組件所受的壓強進行監控，光伏組件所受壓強最大值出現在兩車車頭剛開始交錯時，此時兩車頭及光伏組件壓強云圖如圖8所示。

由圖8可知：光伏組件所受最大壓強為1484 Pa，小于光伏組件許用壓強 2400 Pa[7]。由此可知，選擇合適的架設高度時，光伏組件能夠承受兩車交會形成的列車風；在實際安裝時光伏組件需按鐵路光照環境設置傾角，本文不再展開計算。

圖8 兩車頭及光伏組件壓強云圖Fig. 8 Pressure nephogram of two headstocks and PV modules

3.5 發電量估算

光伏化弓網中光伏組件安裝傾角需優先滿足鐵路光照環境需求，不能按照最大發電量時的最佳安裝傾角進行布置。按覆蓋兩條鐵路線的光伏陣列寬度為14 m考慮，每米光伏鐵路線可布置裝機容量為1200 W的薄膜光伏組件，以青島的光照資源計算，每年可發電約1400 kWh；相同條件下，采用晶體硅光伏組件每年可發電超過2000 kWh。

4 弓網的光伏化改造

建設光伏化弓網，需分別考慮新建鐵路線和運營中的已有鐵路線這兩種情況。

新建鐵路線宜從規劃之初即考慮光伏化弓網建設。運營中的已有鐵路需視情況進行光伏化改造設計：架空軌道、鐵路橋等，未預留荷載余量及安裝所需接口，不宜進行光伏化改造；單軌、多軌的鐵路正線(包含限速段)適宜布置光伏化弓網。為不影響鐵路的運營，需控制改造時長(例如1個夜晚)，對運營中的已有線路進行光伏化改造時宜分段進行。

4.1 過渡結構

設置1套過渡結構同時連接傳統弓網及光伏化弓網，用以實現鐵路線的分段改造。傳統弓網與光伏化弓網的連接如圖9所示，具體的實現方式為：在光伏化弓網設置弓網過渡件，傳統弓網的承力索連接到弓網過渡件，傳統弓網的接觸線與光伏化弓網的接觸線相連。

圖9 傳統弓網與光伏化弓網的連接Fig. 9 Connection between traditional pantograph-catenary and PV pantograph-catenary

4.2 模塊化安裝設計

光伏化弓網需要將光伏發電系統安裝在弓網上方，安裝位置高、安裝難度大。常規施工順序為：立柱→橫梁→檁條→光伏組件→電纜→逆變器→弓網→光伏發電系統→光伏化弓網測試，但這種施工順序會長時間占用鐵路線，不宜采取。光伏化弓網宜采取模塊化施工方案，如圖10所示，施工順序為：立柱→頂部模塊→弓網安裝及測試，其中，頂部模塊可先在地面組裝好。

圖10 光伏化弓網模塊化施工方案Fig. 10 Modular construction scheme of PV pantograph-catenary

光伏化弓網模塊化施工方案具體步驟如下：

1)在鐵路線旁完成光伏化弓網的基礎施工、立柱安裝。立柱安裝后，安裝光伏發電系統用逆變器的外部接口，比如安裝交流配電系統，做好并入電網的準備。

2)在廠房或鐵路線附近，將支撐梁、檁條、光伏組件、電纜、逆變器、弓網吊掛需要的安裝件組成頂部模塊。頂部模塊可進行防水測試、光伏發電測試。

3)頂部模塊安裝至立柱上，安裝弓網并測試。

若鐵路線中使用到剛性接觸線、通信設備、鐵路安全監測設備、融冰融雪裝置時，可將其作為頂部模塊的一部分，隨頂部模塊一起安裝至立柱上。

4.3 光伏化弓網損壞后的緊急修復

針對鐵路運營過程中光伏化弓網可能發生的意外受損情況，需要制定緊急修復方案，比如準備輕便易安裝的簡易結構，在受損后先使用簡易結構恢復接觸線，然后在條件允許時修復光伏化弓網。

5 結論

本文對在鐵路弓網上方安裝光伏發電系統(即光伏化弓網)的方案進行了探討，分析采用光伏化弓網時，雨雪、覆冰、橫向風、接觸線硬點對鐵路線造成的影響；對光伏發電系統的主要設備進行了對比選擇，并探討了如何在不影響鐵路運營的情況下，對已有的鐵路弓網進行光伏化改造。分析結果顯示：光伏化弓網能夠降低雨雪、覆冰、橫向風、接觸線硬點對鐵路運行的影響，且易于安裝、維護，具有較高的實用價值。但將其投入實際運用還需進行多種測試，比如：會車情況下光伏發電系統的應力檢測、受電弓接觸力測試等。