地鐵綠色低碳新能源建設實踐
—— 分布式光伏發電系統

周 超

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

地鐵作為緩解城市交通壓力的重要設施，較好地解決了大城市日益嚴重的交通問題，但其本身耗能巨大。利用光伏發電技術可減少地鐵對城市電網的用電需求，推動交通能源低碳轉型，實現城市軌道交通行業綠色低碳可持續發展。分布式光伏發電技術由于其投資成本低、建設區域廣、利用效率高、環境友好等特點得到大規模快速發展。深圳地鐵6號線高架車站分布式光伏發電系統的成功應用為城市軌道交通如何利用綠色新能源建設降低運營能耗提供了參考。

1 工程概況

深圳地鐵6號線是深圳市軌道交通線網中位于中部發展軸的市域快線，串聯龍華區、光明區和寶安區。線路全長37.626 km，其中高架段長24.616 km，地下段長5.647 km，過渡段長1.197 km，山嶺隧道段長6.166 km。全線共設置20座車站，其中高架車站15座，地下車站5 座。高架車站沿道路路中或路側布置，與周邊建筑間距大，無遮陽影響，車站頂棚采用門式弧形鋼結構網架形式，具備設置光伏發電系統基礎條件。全線共12 座高架車站設置分布式光伏發電系統，裝機容量為2.3 MWp。

2 高架車站光伏建筑一體化方案

2.1 光伏與車站建筑結合形式選擇

光伏與建筑物的結合形式大體可分為兩類[1]：一類是光伏方陣與建筑的結合，另一類是光伏方陣與建筑集成，也稱為光伏建筑一體化設計。結合地鐵高架車站特點，經全壽命周期成本分析，深圳地鐵6號線采用光伏建筑一體化設計，車站建筑景觀設計時充分考慮光伏系統要求，將光伏、建筑和美學融為一體，與城市景觀相融合。光伏發電系統與地鐵車站同步設計、同步施工，提高車站整體美觀性。

2.2 屋面光伏與建筑結合方案

深圳地鐵6號線在車站造型方案比選時充分考慮高架車站在通透、輕巧、節能及光伏組件安裝等方面的要求，采用光伏建筑一體化設計。屋頂采用門式弧形鋼結構網架形式，屋面外板選用直立鎖邊鋁鎂錳合金屋面板，屋面板每隔0.4 m設一道板肋。光伏組件整體平鋪于車站頂棚，通過光伏支架固定在屋面板上，如圖1所示。光伏支架采用專用夾具與鋁鎂錳屋面板肋固定連接，既保證光伏組件與屋面板結構的連接強度，也不影響屋面結構布置及防水，實現光伏發電系統與車站建筑完美結合[2]，如圖2所示。

圖1 高架車站建筑剖面圖

圖2 車站光伏建筑一體化實景圖

深圳地鐵6號線高架車站依據采光、遮陽、通風等功能需求進行的光伏建筑一體化設計為光伏發電系統與高架車站景觀相融合提供了新思路。

2.3 太陽能光伏組件選擇及布置

太陽能電池主要分為晶硅電池與薄膜電池。晶硅電池目前發展最成熟，商業化程度最高，市場占有率高達90%以上。晶硅電池可分為單晶硅電池和多晶硅電池[3]。薄膜電池優點是材料用量少、成本低，最大缺點是多數品種光電轉化率比晶硅電池低。結合太陽能電池在轉化效率、成本上的差異，通過全壽命周期成本分析，深圳地鐵6號線采用轉化效率達18.6%的高效單晶硅光伏組件，光伏組件尺寸為1 956 mm×991 mm×40 mm，單塊光伏組件最大輸出功率為360 Wp 。

深圳地鐵6號線標準高架車站屋頂面積約2 800 m2，考慮到鋼結構屋面受力、檢修與維護等多種因素，光伏組件有效安裝面積約1 500 m2，安裝512 塊單晶硅光伏組件，車站裝機容量為184.32 kWp。光伏組件在屋面的平面布置如圖3所示，每16塊光伏組件構成1個光伏方陣，高架車站分布式光伏發電系統由32 個光伏方陣構成。

圖3 高架車站屋面光伏組件平面布置圖（單位：mm）

2.4 光伏方陣屋面鋼結構受力條件

高架車站屋面光伏方陣采用專用夾具與鋁鎂錳屋面板肋固定，如圖4所示，夾具固定點位選擇在鋁鎂錳面板固定座的正上方，布置間距為0.4 m，與屋面板肋一致。光伏方陣荷載通過光伏支架傳遞給夾具，夾具將荷載傳遞到屋面板上，再通過屋面板下的檁條、鋼梁傳至車站屋頂門型鋼立柱。

圖4 光伏方陣在鋼結構屋面固定實例圖

深圳地區臺風頻繁，合理的光伏支架設計方案至關重要。利用SM Solver和SAP2000軟件，建立光伏組件在車站屋面上安裝的數學模型，對光伏組件與屋面連接方式間進行三維受力分析，計算光伏支架系統的夾具、支座、壓塊受力情況，提出分布式光伏系統對車站屋面的結構受力條件如下[4]：預留光伏系統荷載不大于0.4 kN/m2，單個支點夾具承受向上拉力不大于2.18 kN，向下壓力恒載設計值0.33 kN、活載設計值0.4 kN；屋面板夾具支座材料抗拉抗壓和抗彎160 N/mm2、抗剪90 N/mm2；光伏組件在屋面安裝時需設有不小于2.5 cm的泄風口。

考慮列車進出站點所帶來的振動問題，通過模擬計算和實測驗證，優化光伏支架系統布置，采用特殊的防松動措施，使得支架系統不僅滿足受力要求，同時還能適應深圳地區特有的臺風災害及列車運行振動等現實問題。深圳地鐵6號線高架車站光伏支架系統夾具與屋面固定點分布如圖5所示。光伏發電系統并網運行至今已近2年，經受了多次極端臺風天氣的考驗，亦未發現因列車振動而出現支架系統松動情況。

圖5 光伏支架系統連接夾具固定點位置圖（單位：mm）

3 分布式光伏發電系統并網方案

3.1 并網接入方式選擇

光伏發電系統分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統兩類[1]，后者不需配置蓄電池，從而使成本大幅降低。從供電可靠性及經濟性角度，地鐵高架車站宜選用并網光伏發電系統。根據地鐵供電系統的特點，在35 kV交流側、400 V交流側和1 500 V直流側可作光伏并網發電的接入點[5]。由于地鐵車站用電負荷較大，可供安裝太陽能光伏組件車站屋面的面積又有限，經計算，各車站日時發電量均小于日時用電量，僅能滿足車站部分動力照明用電需求，故地鐵高架車站光伏發電系統選擇在400 V低壓側并網方式。

高架車站變電所設2臺35 kV/0.4 kV配電變壓器，低壓供電系統采用單母線分段的主接線方案，正常情況下2臺變壓器各帶一半用電負荷。為保證最大限度的優先使用光伏電源，選擇在動力變壓器低壓側出線與低壓進線斷路器上端之間的母線處為并網接入點，通過兩段母線給車站動力照明負荷供電，維持兩段母線供電平衡[6]，系統主接線如圖6所示。

圖6 高架車站分布式光伏發電系統主接線

結合系統裝機容量，每座車站配置6臺30 kW組串式智能逆變器，每臺逆變器接入5～6個光伏方陣，采用2臺5進1出的交流匯流箱，分成2個并網點，并網于車站2臺配電變壓器400 V低壓側母線上。車站動力照明負荷優先使用光伏電源，光伏發電量不足部分由地鐵電網補給，光伏系統不能發電時由地鐵電網供電。

在并網接入點設置并網監控裝置，實時監測變電所400 V進線斷路器的電壓和電流，當出現通信故障或其他故障（變電所故障或光伏系統故障）時，并網監控裝置控制光伏交流并網斷路器斷開并隔離光伏發電系統與車站供電系統，避免故障擴大或相互影響，確保供電的可靠性。

3.2 對地鐵供電系統可靠性的影響

地鐵車站光伏發電成珠鏈式獨立分布，各車站光伏發電系統分別接入本站供電系統低壓側后，地鐵供電系統網絡結構由2路市政電源接入變為多電源接入結構。經潮流計算和模擬分析表明，分布式光伏發電接入車站低壓側后，前端線路負載率略有下降，但不影響供電系統潮流方向；光伏發電接入后系統短路容量增大，短路電流隨之增大，進而提高了保護裝置靈敏度[5]。因此，地鐵供電系統原有保護配置滿足光伏發電系統接入后的穩定運行要求。

4 光伏發電系統監控方案

深圳地鐵6號線充分利用地鐵綜合監控系統、能源管理系統、乘客資訊系統和通信傳輸通道對各車站光伏發電系統進行管理。車站光伏發電監控系統通過車站級綜合監控系統、能源管理系統，利用地鐵通信傳輸系統連接至控制中心級能源管理系統，對光伏發電系統的運行狀態、設備參數、環境數據等進行監視、測量和控制，對當前和歷史發電量、節能減排情況進行對比統計分析，對全線光伏發電數據進行整合，為運營、檢修、管理等提供全面、便捷、差異化的數據和服務，為進一步優化提供實際數據支持。

5 光伏發電系統附屬設施

5.1 防雷接地設計

高架車站光伏發電系統設備的保護接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用車站綜合接地系統，接地電阻不大于 4 Ω[7]。

屋面光伏系統采用50 mm×5 mm的熱浸鋅扁鋼組成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接閃器，接地扁鋼與屋面預留接地端子可靠焊接。光伏組件采用接地線相互連接，并不少于2點與光伏支架可靠連接，支架不少于2點與扁鋼網格可靠電氣連接；屋面監控、環境監測儀支架和沖洗給水管等金屬構件與接地扁鋼網格可靠電氣連接。在光伏逆變器、交流匯流箱和并網柜中逐級加裝防雷浪涌保護器，實行多級防雷保護[8]。

5.2 屋面檢修與維護通道設計

屋面檢修與維護通道布置在屋面采光天窗四周等人員通行區域（如圖2中的黃色區域），方便工作人員安裝和維護光伏組件，提高光伏組件安裝和維護的安全系數。

檢修和維修通道包括固定支架和人行板，通道距光伏組件水平距離約200～300 mm，高出光伏組件0～100 mm。人行板采用400 mm寬樹脂格柵材料，采用光伏專用夾具和角鋼固定安裝。

5.3 光伏組件清潔設計

由于光伏組件表面受車站周邊環境影響積灰過多會降低系統發電量，因此屋面光伏組件需定期清潔。深圳屬于多雨地區，采用的光伏組件具有自潔功能，在自然雨水后可自行達到清潔狀態，在長期未下雨時可由人工沖洗屋面光伏組件。

屋面兩端預留給水接入條件，水壓滿足在屋頂清潔的要求。對于不滿足條件的車站在站臺增設給水管道泵，在屋面沿采光天窗四周布置DN50不銹鋼水管，安裝12個水龍頭，以便接管清洗。

5.4 屋面監控設計

為方便運維人員掌握屋面光伏組件日常情況，在屋面設置2處視屏監控高清攝像頭，可對屋面光伏設施進行無死角監視。同時，在屋面設置1套環境監測儀，可對環境溫度、太陽能輻照強度、風速等氣象數據進行監測。屋面視頻監控和環境監測數據均接入光伏發電監控系統，在車控室通過綜合監控系統也可方便查看車站屋面光伏發電系統情況。

6 應用實踐

深圳地鐵6號線12座高架車站分布式光伏發電系統于2020年8月正式并網運行，運行實測數據表明光伏發電量可滿足高架車站約30%的動力照明用電需求，在高峰發電時段甚至可提供80%以上的用電量。該光伏發電系統年發電約234萬kW · h，25年設計壽命期內預計總發電量5 856萬kW · h，減排二氧化碳58 400 t，純經濟收益達5 000萬元以上，可實現經濟與生態雙豐收。

7 結語

隨著國家雙碳目標的設立，光伏發電系統成本的進一步降低，“光伏+軌道交通”更具有廣泛的經濟效益和顯著的社會效益。深圳地鐵6號線高架車站分布式光伏發電系統的創新設計和并網發電，填補了太陽能光伏發電在城市軌道交通高架車站中規模化應用的空白，為小容量、分布式光伏發電系統在城市軌道交通中的進一步推廣應用提供了示范案例，對城市軌道交通節能減排、降低運營成本具有重要意義，對推動分布式光伏發電系統在我國城市軌道交通中的應用起到引領和示范效應。