王國富 公丕柱 劉海東

濟南軌道交通R1線高架車站光伏系統(tǒng)研究

王國富1，2公丕柱1劉海東1

(1.濟南軌道交通集團有限公司濟南250101;2.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院山東青島266590)

對光伏電池、光伏支架的選型進行分析，研究光伏陣列安裝傾角與年總輻照量及陣列間距之間的關(guān)系，根據(jù)軌道交通光伏系統(tǒng)的特點，選取經(jīng)濟評價指標，對直接關(guān)乎投資成本和收益的傾角選擇進行技術(shù)經(jīng)濟比選，最終確定光伏發(fā)電系統(tǒng)的陣列布置方案和并網(wǎng)方案。結(jié)果表明:濟南軌道交通R1線高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

軌道交通;高架車站;光伏;技術(shù)經(jīng)濟分析

隨著我國城市化進程的發(fā)展，交通擁堵已成了久治不愈的頑疾，發(fā)展城市軌道交通是解決該問題的有效途徑。光伏發(fā)電具有資源豐富、獲取便捷、利用靈活的特點。將光伏發(fā)電技術(shù)與城市軌道交通相結(jié)合，不僅是響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，也是降低城市軌道交通運營成本的需要［1］。濟南軌道交通R1線在高架車站采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，將推動光伏發(fā)電技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中的發(fā)展，為其他城市的軌道交通建設(shè)提供借鑒。

1 項目概況

濟南市位于北緯36°41'，東經(jīng)117°59'，屬暖溫帶半濕潤季風型氣候。年總輻照量為4 810～5 400 MJ/m2，年平均日照時數(shù)為2 200～2 900 h［2］，光照資源豐富，適宜建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。

R1線是濟南市西部新城區(qū)一條南北向軌道交通線。全長26.11 km，其中地上16.2 km;共設(shè)11座車站，其中高架車站7座;標準高架車站屋頂總面積3 056 m2，其中光伏可用面積2 033 m2，標準車站剖面參見圖1［3］。

圖1 標準車站剖面

2 光伏元件選型

2.1 電池

光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的是電池，是收集太陽能量的基本單位，大量的電池通過串并聯(lián)組合構(gòu)成光伏組件。各類光伏電池性能對比詳見表1。

目前應(yīng)用的絕大多數(shù)電池是由晶體硅材料制造，薄膜電池中的非晶硅薄膜電池應(yīng)用相對較多。晶體硅電池的價格已經(jīng)與非晶硅電池價格相當，但非晶硅電池的效率較低，同等容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)，非晶硅的占地、支架用鋼量和基礎(chǔ)數(shù)量是晶硅的2～2.5倍;硒化銅銦電池和碲化鎘電池適于用小批量示范項目。綜合投資成本、轉(zhuǎn)化效率及國產(chǎn)化率等因素，本項目采用技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高的多晶硅太陽能電池組件，擬采用的光伏組件基本參數(shù)見表2。

表1 光伏電池性能比較

表2 多晶硅光伏組件基本參數(shù)

2.2 支架

光伏支架有固定式和自動跟蹤式兩種類型，光伏支架性能對比詳見表3(以固定式傾角不可調(diào)支架作為計算基準)。鑒于地鐵高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，本項目采用固定式傾角不可調(diào)支架。

3 光伏陣列布置方案

3.1 傾角選擇

3.1.1 傾角與年輻照總量的關(guān)系

利用軟件PVSYST6.0對年總輻照量進行計算，圖2是在方位角為0°時，濟南市區(qū)光伏陣列接受到的年總輻照量與傾角關(guān)系。

圖2 不同傾角下的年總輻照量曲線

由圖2可知，傾角在［0°，32°］時，光伏陣列接受到的年總輻照量隨傾角的增大而增大;傾角為32°時，年總輻照量達到最大值1 566 kWh/m2;在［32°，90°］時，年總輻照量隨傾角的增大而減小。當光伏陣列的方位角不同時，年總輻照量與傾角的關(guān)系會略有差異。

3.1.2 傾角與陣列間距的關(guān)系

光伏陣列各排、列的布置間距，應(yīng)保證冬至日當天9:00-15:00時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋。固定式布置的光伏陣列不被遮擋的間距如圖3所示，兩排陣列間距計算如下［4］

式中:L為陣列傾斜面長度;

β為陣列傾角;

為當?shù)鼐暥取?/p>

圖3 陣列間距示意

濟南緯度=36.40°，若L為定值，當傾角在［0°，68°］區(qū)間時，陣列間距隨傾角增大而增大;在［68°，90°］區(qū)間時，陣列間距隨傾角增大而減小。

根據(jù)光伏組件年總輻照量與傾角、陣列間距與傾角的關(guān)系，光伏陣列傾角應(yīng)在［0°，32°］區(qū)間選擇。

3.2 安裝傾角確定

光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于高架車站，首先應(yīng)不影響建筑功能，并與建筑協(xié)調(diào)一致;其次需要對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟分析［5］，結(jié)合項目實際情況，確定最優(yōu)方案。

3.2.1 高架車站兩側(cè)坡屋面傾角確定

為保證建筑統(tǒng)一和諧的外觀，高架車站屋頂兩側(cè)坡屋面的光伏組件采用平鋪方式布置，即光伏陣列傾角為14.5°。光伏陣列的布置如圖4所示，共布置光伏組件數(shù)量288塊;7座高架車站兩側(cè)坡屋面的年總輻照量如表4所示。

圖4 車站兩側(cè)光伏陣列布置

表4 高架車站兩側(cè)坡屋面年總輻照量

由表4可知，盡管7座高架車站的方位角不同，但每座車站的年總輻照量的平均值非常接近，因此，以總平均值1 373 kWh/m2作為技術(shù)經(jīng)濟分析的數(shù)據(jù)。

3.2.2 高架車站平屋面傾角確定

7座高架車站的方位角各不相同，如表4所示，其中池東站為東西走向，結(jié)合車站屋頂平屋面形狀，池東站采用光伏組件平鋪方案。其余6座車站為南北走向，車站方位角不同時，光伏陣列接受到的年總輻照量也不同，各個車站年總輻照量與傾角的關(guān)系見圖5。

圖5 不同車站年總輻照量與傾角變化關(guān)系曲線

由圖5可知，光伏陣列的法線方向與正南方向的夾角越大，年總輻照量越小。為降低投資成本，減少運營維護量，光伏組件支架采用統(tǒng)一傾角，因此，以6座車站的年總輻照量平均值作為技術(shù)經(jīng)濟分析的數(shù)據(jù)。

考慮到高架車站外觀效果以及光伏組件支架風荷載等因素，車站平屋面采用光伏組件短邊(982 mm)起角方案。利用式(1)求出光伏陣列最小間距與傾角的關(guān)系，見圖6。

圖6 陣列間距與傾角關(guān)系曲線

由圖6可知，隨著安裝傾角的增大，光伏陣列的最小間距逐漸增大，實際工程建設(shè)中還要考慮檢修通道。

由于高架車站安裝區(qū)域一定，當安裝傾角不同時，光伏陣列接受到的年總輻照量和陣列間距也不同，導(dǎo)致光伏組件安裝數(shù)量和發(fā)電量均會有所差別，因此，安裝傾角的確定需要結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果進行比選。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

4.1 分析指標

光伏發(fā)電項目建設(shè)期一次性投資大，運營期通過發(fā)電產(chǎn)出回收成本。隨著軌道交通運營成本的提高，前期對項目進行技術(shù)經(jīng)濟分析尤為必要。通過對財務(wù)凈現(xiàn)值、項目投資回收期等指標進行分析，確定項目的可行性。

4.1.1 財務(wù)凈現(xiàn)值(FNPV)

財務(wù)凈現(xiàn)值計算［6］

式中:CI為現(xiàn)金流入量;

CO為現(xiàn)金流出量;

(CI－CO)t為第t年的凈現(xiàn)金流量;

n為項目計算期;

ic為設(shè)定的折現(xiàn)率。

光伏系統(tǒng)的現(xiàn)金流出量在建設(shè)年主要為初始一次性投資，包含設(shè)備采購費和安裝費;運營期現(xiàn)金流出量主要包括設(shè)備維護費及人員工資等。為降低運營費用，光伏系統(tǒng)可由地鐵供電工班維護保養(yǎng)，按建設(shè)年現(xiàn)金流出量的1%考慮。

光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)年現(xiàn)金流出量為

式中:N為光伏組件數(shù)量;

Pc為每塊光伏組件價格，包含組件與支架、逆變器單元、電纜等采購費和安裝費。

光伏發(fā)電系統(tǒng)年現(xiàn)金流入量為

式中:EP為發(fā)電量，kWh;

Pe為電價(含政策補貼)。

光伏系統(tǒng)的發(fā)電量計算為

式中:HA為水平面年總輻照量，kWh/m2;

Es為標準條件下的輻照度(常數(shù)=1kWh/m2);

Wp為組件最大功率，kWp;

k為組件衰減系數(shù);

K為綜合效率系數(shù)。

4.1.2 項目投資回收期(Pt)

投資回收期計算

式中:T為各年累計現(xiàn)金流量首次為正值或零的年數(shù)。

4.2 分析結(jié)果

假設(shè)折現(xiàn)率為8%，綜合效率系數(shù)為0.815，投資成本為7.8元/WP，電價為1.22元/kWh(含政策補貼0.42元/kWh)，檢修通道寬度為500 mm。

4.2.1 高架車站兩側(cè)坡屋面

當車站兩側(cè)坡屋面光伏組件采用平鋪布置時，技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果見表5。

4.2.2 高架車站屋頂平屋面

當平屋面光伏陣列安裝傾角不同時，技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果見表6。

由表6可知，傾角在［0°，32°］時，項目財務(wù)凈現(xiàn)值均為正，表明項目在財務(wù)上可行。

1)傾角為0°時，安裝的光伏組件數(shù)量最多，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量最大，但初始投資大，回收期長，主要原因是年總輻照量平均值低。工程實踐表明:光伏組件安裝傾角為0°時，不可利用的太陽輻射損失和表面塵埃遮擋損失大幅增加，實際效率比理論效率低20%左右［7］。

表5 車站兩側(cè)坡屋面技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果

表6 車站屋頂平屋面技術(shù)經(jīng)濟分析結(jié)果

2)傾角為32°時，光伏發(fā)電系統(tǒng)初始投資小、回收期短，但系統(tǒng)發(fā)電量太小。

3)傾角為12°時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的凈現(xiàn)值和發(fā)電量較高(僅次于0°)，項目的初始投資和回收期適中，能較好地兼顧經(jīng)濟效益和社會效益。

綜合發(fā)電量、初始投資、財務(wù)凈現(xiàn)值以及工程經(jīng)驗，本項目光伏陣列的安裝傾角為12°，光伏陣列布置見圖7。

圖7 車站屋頂平屋面光伏陣列布置

5 并網(wǎng)方案

R1線7座高架車站配電變壓器容量均為2×400 kVA，光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大上網(wǎng)功率約為114.4 kW，不能滿足車站的全部負荷用電需求，基于供電可靠性要求，高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)采用低壓并網(wǎng)方式。白天車站負荷優(yōu)先使用光伏發(fā)電的電能，不足時由電網(wǎng)補給;在夜間或陰雨天光伏系統(tǒng)不能發(fā)電時，車站負荷由電網(wǎng)供電。光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)電路參見圖8，光伏發(fā)電系統(tǒng)分別接入車站低壓側(cè)兩段母線給車站動力照明負荷供電。

圖8 光伏發(fā)電并網(wǎng)主電路

6 效益分析

1座高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)的25年經(jīng)濟效益預(yù)測和節(jié)能減排預(yù)測見表7、8。由表可知，濟南軌道交通R1線應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。

表7 經(jīng)濟效益預(yù)測

表8 節(jié)能減排預(yù)測

7 結(jié)論

1)高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)需考慮車站所在地日照資源、建筑條件、周邊環(huán)境條件等因素，進行技術(shù)經(jīng)濟分析后，評估是否適宜建設(shè)。

2)高架車站光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模較小，宜選擇多晶硅光伏組件，采用固定式傾角不可調(diào)支架安裝;基于供電可靠性要求，應(yīng)采用低壓并網(wǎng)方式。

3)高架車站光伏組件安裝區(qū)域一定，影響項目經(jīng)濟效益的關(guān)鍵因素是光伏陣列的安裝傾角;對于車站坡屋面光伏組件可利用建筑角度平鋪布置，平屋面光伏組件傾角需通過技術(shù)經(jīng)濟分析確定。

［1］周超.地鐵高架車站太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計［J］.都市快軌交通，2014，27(6):104-108.

［2］舒海靜.濟南地區(qū)風力發(fā)電和太陽能發(fā)電資源潛力分析［D］.濟南:山東大學(xué)，2005.

［3］北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司.濟南市軌道交通R1線工程初步設(shè)計［A］.濟南，2015.

［4］光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范:GB 50797—2012［S］.北京:中國計劃出版社，2012.

［5］鐘天宇，劉慶超，楊明.并網(wǎng)光伏電站光伏組件支架最佳傾角設(shè)計［J］.發(fā)電與空調(diào)，2013，34(1):5-7.

［6］國家發(fā)展改革委建設(shè)部.建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)［M］.3版.北京:中國計劃出版社，2006.

［7］楊光勇，陳貺，鄒宗育，等.不同安裝傾角的光伏系統(tǒng)發(fā)電量分析［J］.有色冶金節(jié)能，2013，10(5):50-54.

(編輯:郝京紅)

Research of Photovoltaic System Installed on Elevated Station of R1 in Jinan Rail Transit

Wang Guofu1，2Gong Pizhu1Liu Haidong1
(1.Jinan Rail Transit Group Co.，Ltd.，Jinan 250101;2.College of Architecture and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590)

By analyzing the design of photovoltaic cell and photovoltaic support，the relationship among the tilt angle of photovoltaic array，the annual total amountof radiation and the distance between arrayswas studied.The economic evaluation index is selected in accordancewith the characteristicsof the photovoltaic system.The tech－economic comparison hasbeenmadeon the impacts of tilt anglewhich directly affects investment costs and benefits.Finally，the array layout scheme and grid photovoltaic power generation system are determined.It turns out that the photovoltaic power generation system installed on elevated station of R1，Jinan brings excellent economic，environmental and social benefits.

rail transit;elevated station;photovoltaic;tech－economic analysis

U231

A

1672-6073(2016)02-0026-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.006

2015-09-07

2015-11-03

王國富，男，博士，教授級高級工程師，從事城市軌道交通工程研究，metro_jinan@126.com

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028)