光伏發電系統在濟南地鐵1號線 高架車站的應用

孫二杰

(濟南軌道交通集團建設投資有限公司，濟南 250000)

0 引言

太陽能是目前最豐富的、清潔的可再生能源，但根據《中國電力行業年度發展報告2021》提供的數據，2020年太陽能發電量僅占中國各類能源總發電量的3.4%，因此，應盡可能利用太陽能，提高其利用率。光伏發電系統是利用太陽電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉換成電能的發電系統[1]。將光伏發電系統與軌道交通車站相結合是一個新的嘗試，完全符合國家節能降耗的號召。基于此，本文以濟南地鐵1號線高架車站為例，對光伏發電系統在該高架車站應用的可行性進行分析[2]，并對應用于該高架車站的光伏發電系統的光伏組件、光伏支架、逆變器的選型，光伏并網方式設計，光伏監控系統設計等進行闡述；最后對該高架車站光伏發電系統產生的經濟效益和環境效益進行分析[3]。

1 背景介紹

濟南地鐵1號線大致呈南北走向，共設有11座車站，其中，高架車站7座。高架車站屋頂中間位置設置有采光天窗，其剖面圖如圖1所示。

圖1 高架車站剖面圖Fig. 1 Sectional view of elevated station

采用光伏發電系統的高架車站的效果圖如圖2所示。將光伏發電系統應用于濟南地鐵1號線高架車站完全符合濟南“安全地鐵、綠色地鐵、智慧地鐵、品質地鐵”的理念，對其他城市后續建設軌道交通有一定的參考、借鑒作用。

圖2 采用光伏發電系統的高架車站的效果圖Fig. 2 Rendering of elevated station with PV power generation system

2 光伏發電系統設計

2.1 光伏組件選型

光伏組件是光伏發電系統的核心部件之一，其選型決定了整個發電系統的成本及發電效率[3]。目前，應用比較廣泛的光伏組件類型為晶體硅光伏組件和薄膜光伏組件。其中，晶體硅光伏組件主要包括單晶硅光伏組件和多晶硅光伏組件，薄膜光伏組件主要包括非晶硅光伏組件、碲化鎘光伏組件和銅銦鎵硒光伏組件[4]。不同類型光伏組件的性能對比如表1所示。

表1 不同類型光伏組件的性能對比[5-6]Table 1 Performance comparison of different types of PV modules

綜合投資成本、光電轉換效率及國產化率等因素，本項目采用技術成熟、性能穩定、光電轉換效率高的多晶硅光伏組件。

2.2 逆變器選型

目前，市場上的逆變器種類主要包括集中式逆變器和組串式逆變器，這兩種逆變器的優、缺點對比如表2所示。

表 2 兩種逆變器的優、缺點對比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of two kinds of inverters

由于本光伏發電系統的裝機容量較小且場地分散，所需逆變器的數量較少，組串式逆變器造價高和維護點分散的劣勢不明顯。綜合考慮后最終選擇使用33 kW組串式逆變器。

2.3 光伏支架選型

根據安裝方式不同，光伏支架主要可分為固定式光伏支架和跟蹤式光伏支架[7]。按材質不同，固定式光伏支架可采用鋁合金或熱浸鍍鋅鋼。不同材質固定式光伏支架的性能對比如表3所示。

表3 不同材質固定式光伏支架的性能對比Table 3 Performance comparison of fixed PV supports made of different materials

綜合考慮本光伏發電系統的規模、特點、經濟性后，最終選擇采用熱浸鍍鋅鋼材質的固定式光伏支架。

2.4 光伏組串設計

同一光伏方陣中，各光伏組串的電性能參數宜保持一致[8]。根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》，光伏組串中光伏組件串聯數N(N取整)的計算式為：

式中：Kv為光伏組件的開路電壓溫度系數；K′v為光伏組件的工作電壓溫度系數；t為光伏組件工作條件下的極限低溫，℃；t′為光伏組件工作條件下的極限高溫，℃；Vdc,max為逆變器允許的最大直流輸入電壓，V；Vmp,max為逆變器MPPT電壓最大值，V；Vmp,min為逆變器MPPT電壓最小值，V；Voc為光伏組件的開路電壓，V；Vpm為光伏組件的工作電壓，V。

由于光伏組件的工作電壓溫度系數對整個計算過程的影響較小，且該參數值很多廠家無法提供，為便于計算，該參數由開路電壓溫度系數代替。晶體硅光伏組件的工作溫度范圍為-40～85 ℃，最大功率溫度系數為-0.42%/℃，開路電壓溫度系數為-0.32%/℃，短路電流溫度系數為0.05%/℃。

通過式(1)計算得到N≤21，通過式(2)計算得到13≤N≤21。為達到技術經濟性最優和布置合理化，本光伏發電系統中每串光伏組串的光伏組件串聯數取20塊。1座高架車站的屋面可放置480塊285 Wp的光伏組件；20塊光伏組件為1個光伏組串，共24串，總裝機容量為127.2 kWp。

7座高架車站的屋面均采用的是1 mm厚的鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面，中間設置有采光天窗，天窗采用的是中空夾膠玻璃；該屋面為坡屋面，坡度為15°。光伏組件平鋪在坡屋面上，通過金屬夾具與屋面本身的金屬結合，無需打孔安裝，保證了屋面的完整性。1座高架車站屋面上光伏組件的布置方式如圖3所示。

發燒是人體的自我保護機制之一，是人體在調動免疫系統對抗疾病的過程中表現出來的一種癥狀，因此發燒不完全是壞事兒。很多種疾病都可能引起發燒，體溫的高低與疾病的嚴重程度也不一定成正比。個人的體質不同，體溫調節的敏感度也會不同，有的人輕微感冒就能燒很高，有的人即使嚴重感染了也不見得有很高的體溫。這里說的“感染”可能是病毒感染，也可能是細菌等其他病原體感染。

圖3 1座高架車站屋面上光伏組件的布置方式Fig. 3 Layout of PV modules on the roof of one elevated station

2.5 并網方案

本光伏發電系統的并網方式可采用“自發自用、余電上網”和“全額上網”兩種模式[9]。根據并網電壓等級不同，又可分為低壓并網和高壓并網。地鐵車站可以選擇在400 V側低壓并網，也可以在35 kV側高壓并網，1個高架車站的負荷約為990 kW，用戶側用電負荷較大，且用電負荷持續、穩定。由于1個高架車站的光伏發電系統裝機容量約為127.2 kWp，車站用電量足以消耗光伏發電量，因此采用“自發自用、余電上網”模式和400 V側低壓并網方式。高架車站的變壓器采用2×350 kVA的形式，考慮到單個高架車站的光伏發電系統規模較小，因此全部并到400 V側的II段。高架車站光伏發電系統的并網示意圖如圖4所示。

圖4 高架車站光伏發電系統的并網示意圖Fig. 4 Grid connection diagram of PV power generation system in elevated station

2.6 光伏監控系統設計

光伏監控系統主要由計量監測設備、數據采集裝置和數據中心軟件組成。其中，計量監測設備包括室外溫度傳感器、太陽總輻射傳感器、光伏發電系統發電量監測電表等。光伏發電系統中需要被監測的設備主要包括逆變器、匯流箱、配電設備等。光伏監控系統的網絡圖如圖5所示。

圖5 光伏監控系統的網絡圖Fig. 5 Network diagram of PV monitoring system

光伏監控系統可及時發現光伏發電系統出現的故障，縮短排查故障及修復故障的時間，從而延長光伏發電系統的有效發電時間。光伏組件表面的太陽輻照度、光伏發電系統的發電量同太陽輻照度的吻合度及光伏發電系統的能效比等都在監控范圍內。光伏監控系統通過比對光伏發電系統實際的日發電量和根據當天環境條件計算的應發電量來判斷光伏發電系統是否運行正常。

光伏監控系統能在線協助檢查光伏發電系統設備的性能，采集和評價全部氣象數據和設備產能情況，并顯示在計算機屏幕上，由此可以快速簡便地查詢相關數據。光伏監控系統的數據界面如圖6所示。

圖6 光伏監控系統的數據界面Fig. 6 Data interface of PV monitoring system

3 發電量分析

每座高架車站的屋面面積均約為3000 m2，采光天窗面積約為500 m2，考慮到安裝安全性、后期檢修的便利性，光伏組件的有效安裝面積約為 825 m2。由于1#車站的方位角(即車站坐標點縱軸順時針方向到車站長度方向中心線間的夾角)問題，僅在其南側坡屋面進行光伏組件安裝，總裝機容量為63.6 kWp，而其余車站的總裝機容量均為127.2 kWp。光伏發電系統并網運行后，7座高架車站(1#車站～7#車站)近30個月的年均發電量情況如表4所示。

濟南地區的年有效利用小時數按2500 h計算，結合表4中的數據及廠家提供的光伏組件性能參數，再考慮到光伏組件性能衰減等各種影響因素，濟南地鐵1號線7座高架車站在25 年內的年均發電量預計可達90.54 萬kWh，具體如表5所示。

表4 光伏發電系統并網運行后，7座高架車站近30個月的年均發電量情況Table 4 After PV power generation system is connected to grid, average annual power generation capacity of seven elevated stations in the past 30 months

表5 7座高架車站在25 年內的年均發電量及節能減排預測Table 5 Forecast of average annual power generation capacity and energy conservation and emission reduction of seven elevated stations in 25 years

濟南地鐵電價按照0.57元/kWh計算，平均每年可節約電費51.6萬元，結合本項目的中標價格6.74元/kWh，即使不考慮政府補貼，靜態投資回收期也僅為10.26年；25年可節約電費1290萬元，除去初始投資，可實行盈利678.17萬元。

4 建議

2)高架車站光伏發電系統受制于車站屋面面積，裝機容量較小，應采用分布式光伏發電系統，建議采用傾角不可調的固定式光伏支架；基于光伏發電量及車站用電量，建議采用“自發自用、余電上網”模式和低壓并網方式。

3)考慮建筑整體效果，對于車站兩側坡屋面，光伏組件建議采用平鋪布置。若車站屋面未設置采光天窗，平屋面情況下，光伏組件傾角需通過技術經濟性分析后再確定[3]。

4)為確保車站防水，安裝光伏組件時應以不破壞原有屋面為原則。

5)為便于維護光伏組件，屋面建議設置沖水龍頭，以便于日常的沖洗維護，提高光伏電站發電效率。

5 結論

本文以濟南地鐵1號線高架車站為例，對光伏發電系統在該高架車站應用的可行性進行了分析，并對應用于該高架車站的光伏發電系統的光伏組件、光伏支架、逆變器的選型，光伏并網方式設計，光伏監控系統設計等進行了闡述；最后對該高架車站光伏發電系統產生的經濟效益和環境效益進行分析。結果顯示：濟南地鐵1號線在25 年內的年均發電量預計可達90.54 萬kWh，年均效益可達51.6萬元，25年可盈利678.17萬元，10年左右即可收回成本；NOx、CO2、SO2的年減排量分別為12.35、820.90、24.76 t，具有較好的經濟和環境效益。