孙二杰
(济南轨道交通集团建设投资有限公司，济南 250000)
太阳能是目前最丰富的、清洁的可再生能源，但根据《中国电力行业年度发展报告2021》提供的数据，2020年太阳能发电量仅占中国各类能源总发电量的3.4%，因此，应尽可能利用太阳能，提高其利用率。光伏发电系统是利用太阳电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统[1]。将光伏发电系统与轨道交通车站相结合是一个新的尝试，完全符合国家节能降耗的号召。基于此，本文以济南地铁1号线高架车站为例，对光伏发电系统在该高架车站应用的可行性进行分析[2]，并对应用于该高架车站的光伏发电系统的光伏组件、光伏支架、逆变器的选型，光伏并网方式设计，光伏监控系统设计等进行阐述；
最后对该高架车站光伏发电系统产生的经济效益和环境效益进行分析[3]。
济南地铁1号线大致呈南北走向，共设有11座车站，其中，高架车站7座。高架车站屋顶中间位置设置有采光天窗，其剖面图如图1所示。
图1 高架车站剖面图Fig. 1 Sectional view of elevated station
采用光伏发电系统的高架车站的效果图如图2所示。将光伏发电系统应用于济南地铁1号线高架车站完全符合济南“安全地铁、绿色地铁、智慧地铁、品质地铁”的理念，对其他城市后续建设轨道交通有一定的参考、借鉴作用。
图2 采用光伏发电系统的高架车站的效果图Fig. 2 Rendering of elevated station with PV power generation system
光伏组件是光伏发电系统的核心部件之一，其选型决定了整个发电系统的成本及发电效率[3]。目前，应用比较广泛的光伏组件类型为晶体硅光伏组件和薄膜光伏组件。其中，晶体硅光伏组件主要包括单晶硅光伏组件和多晶硅光伏组件，薄膜光伏组件主要包括非晶硅光伏组件、碲化镉光伏组件和铜铟镓硒光伏组件[4]。不同类型光伏组件的性能对比如表1所示。
表1 不同类型光伏组件的性能对比[5-6]Table 1 Performance comparison of different types of PV modules
综合投资成本、光电转换效率及国产化率等因素，本项目采用技术成熟、性能稳定、光电转换效率高的多晶硅光伏组件。
目前，市场上的逆变器种类主要包括集中式逆变器和组串式逆变器，这两种逆变器的优、缺点对比如表2所示。
表 2 两种逆变器的优、缺点对比Table 2 Comparison of advantages and disadvantages of two kinds of inverters
由于本光伏发电系统的装机容量较小且场地分散，所需逆变器的数量较少，组串式逆变器造价高和维护点分散的劣势不明显。综合考虑后最终选择使用33 kW组串式逆变器。
根据安装方式不同，光伏支架主要可分为固定式光伏支架和跟踪式光伏支架[7]。按材质不同，固定式光伏支架可采用铝合金或热浸镀锌钢。不同材质固定式光伏支架的性能对比如表3所示。
表3 不同材质固定式光伏支架的性能对比Table 3 Performance comparison of fixed PV supports made of different materials
综合考虑本光伏发电系统的规模、特点、经济性后，最终选择采用热浸镀锌钢材质的固定式光伏支架。
同一光伏方阵中，各光伏组串的电性能参数宜保持一致[8]。根据GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》，光伏组串中光伏组件串联数N(N取整)的计算式为：
式中：Kv为光伏组件的开路电压温度系数；
K′v为光伏组件的工作电压温度系数；
t为光伏组件工作条件下的极限低温，℃；
t′为光伏组件工作条件下的极限高温，℃；
Vdc,max为逆变器允许的最大直流输入电压，V；
Vmp,max为逆变器MPPT电压最大值，V；
Vmp,min为逆变器MPPT电压最小值，V；
Voc为光伏组件的开路电压，V；
Vpm为光伏组件的工作电压，V。
由于光伏组件的工作电压温度系数对整个计算过程的影响较小，且该参数值很多厂家无法提供，为便于计算，该参数由开路电压温度系数代替。晶体硅光伏组件的工作温度范围为-40～85 ℃，最大功率温度系数为-0.42%/℃，开路电压温度系数为-0.32%/℃，短路电流温度系数为0.05%/℃。
通过式(1)计算得到N≤21，通过式(2)计算得到13≤N≤21。为达到技术经济性最优和布置合理化，本光伏发电系统中每串光伏组串的光伏组件串联数取20块。1座高架车站的屋面可放置480块285 Wp的光伏组件；
20块光伏组件为1个光伏组串，共24串，总装机容量为127.2 kWp。
7座高架车站的屋面均采用的是1 mm厚的铝镁锰直立锁边金属屋面，中间设置有采光天窗，天窗采用的是中空夹胶玻璃；
该屋面为坡屋面，坡度为15°。光伏组件平铺在坡屋面上，通过金属夹具与屋面本身的金属结合，无需打孔安装，保证了屋面的完整性。1座高架车站屋面上光伏组件的布置方式如图3所示。
发烧是人体的自我保护机制之一，是人体在调动免疫系统对抗疾病的过程中表现出来的一种症状，因此发烧不完全是坏事儿。很多种疾病都可能引起发烧，体温的高低与疾病的严重程度也不一定成正比。个人的体质不同，体温调节的敏感度也会不同，有的人轻微感冒就能烧很高，有的人即使严重感染了也不见得有很高的体温。这里说的“感染”可能是病毒感染，也可能是细菌等其他病原体感染。
图3 1座高架车站屋面上光伏组件的布置方式Fig. 3 Layout of PV modules on the roof of one elevated station
本光伏发电系统的并网方式可采用“自发自用、余电上网”和“全额上网”两种模式[9]。根据并网电压等级不同，又可分为低压并网和高压并网。地铁车站可以选择在400 V侧低压并网，也可以在35 kV侧高压并网，1个高架车站的负荷约为990 kW，用户侧用电负荷较大，且用电负荷持续、稳定。由于1个高架车站的光伏发电系统装机容量约为127.2 kWp，车站用电量足以消耗光伏发电量，因此采用“自发自用、余电上网”模式和400 V侧低压并网方式。高架车站的变压器采用2×350 kVA的形式，考虑到单个高架车站的光伏发电系统规模较小，因此全部并到400 V侧的II段。高架车站光伏发电系统的并网示意图如图4所示。
图4 高架车站光伏发电系统的并网示意图Fig. 4 Grid connection diagram of PV power generation system in elevated station
光伏监控系统主要由计量监测设备、数据采集装置和数据中心软件组成。其中，计量监测设备包括室外温度传感器、太阳总辐射传感器、光伏发电系统发电量监测电表等。光伏发电系统中需要被监测的设备主要包括逆变器、汇流箱、配电设备等。光伏监控系统的网络图如图5所示。
图5 光伏监控系统的网络图Fig. 5 Network diagram of PV monitoring system
光伏监控系统可及时发现光伏发电系统出现的故障，缩短排查故障及修复故障的时间，从而延长光伏发电系统的有效发电时间。光伏组件表面的太阳辐照度、光伏发电系统的发电量同太阳辐照度的吻合度及光伏发电系统的能效比等都在监控范围内。光伏监控系统通过比对光伏发电系统实际的日发电量和根据当天环境条件计算的应发电量来判断光伏发电系统是否运行正常。
光伏监控系统能在线协助检查光伏发电系统设备的性能，采集和评价全部气象数据和设备产能情况，并显示在计算机屏幕上，由此可以快速简便地查询相关数据。光伏监控系统的数据界面如图6所示。
图6 光伏监控系统的数据界面Fig. 6 Data interface of PV monitoring system
每座高架车站的屋面面积均约为3000 m2，采光天窗面积约为500 m2，考虑到安装安全性、后期检修的便利性，光伏组件的有效安装面积约为 825 m2。由于1#车站的方位角(即车站坐标点纵轴顺时针方向到车站长度方向中心线间的夹角)问题，仅在其南侧坡屋面进行光伏组件安装，总装机容量为63.6 kWp，而其余车站的总装机容量均为127.2 kWp。光伏发电系统并网运行后，7座高架车站(1#车站～7#车站)近30个月的年均发电量情况如表4所示。
济南地区的年有效利用小时数按2500 h计算，结合表4中的数据及厂家提供的光伏组件性能参数，再考虑到光伏组件性能衰减等各种影响因素，济南地铁1号线7座高架车站在25 年内的年均发电量预计可达90.54 万kWh，具体如表5所示。
表4 光伏发电系统并网运行后，7座高架车站近30个月的年均发电量情况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座高架车站在25 年内的年均发电量及节能减排预测Table 5 Forecast of average annual power generation capacity and energy conservation and emission reduction of seven elevated stations in 25 years
济南地铁电价按照0.57元/kWh计算，平均每年可节约电费51.6万元，结合本项目的中标价格6.74元/kWh，即使不考虑政府补贴，静态投资回收期也仅为10.26年；
25年可节约电费1290万元，除去初始投资，可实行盈利678.17万元。
2)高架车站光伏发电系统受制于车站屋面面积，装机容量较小，应采用分布式光伏发电系统，建议采用倾角不可调的固定式光伏支架；
基于光伏发电量及车站用电量，建议采用“自发自用、余电上网”模式和低压并网方式。
3)考虑建筑整体效果，对于车站两侧坡屋面，光伏组件建议采用平铺布置。若车站屋面未设置采光天窗，平屋面情况下，光伏组件倾角需通过技术经济性分析后再确定[3]。
4)为确保车站防水，安装光伏组件时应以不破坏原有屋面为原则。
5)为便于维护光伏组件，屋面建议设置冲水龙头，以便于日常的冲洗维护，提高光伏电站发电效率。
本文以济南地铁1号线高架车站为例，对光伏发电系统在该高架车站应用的可行性进行了分析，并对应用于该高架车站的光伏发电系统的光伏组件、光伏支架、逆变器的选型，光伏并网方式设计，光伏监控系统设计等进行了阐述；
最后对该高架车站光伏发电系统产生的经济效益和环境效益进行分析。结果显示：济南地铁1号线在25 年内的年均发电量预计可达90.54 万kWh，年均效益可达51.6万元，25年可盈利678.17万元，10年左右即可收回成本；
NOx、CO2、SO2的年减排量分别为12.35、820.90、24.76 t，具有较好的经济和环境效益。
