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摘要：在分析将太阳能光伏发电应用到城市轨道交通必要性的基础上，介绍了太阳能光伏发电系统构成及功能。结合城市轨道交通的特点，介绍了光伏发电组件与建筑的结合方式，提出了适合城市轨道交通的光伏发电系统方案，并做了高架车站光伏发电系统的初步设计方案。
关键词：太阳能光伏发电；城市轨道交通；光伏组件；太阳能光伏发电系统设计
太阳能资源丰富、分布广泛，是最具发展潜力的可再生能源。随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，太阳能光伏发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。
城市轨道交通以其快捷、准时、舒适、运行能力强等特点越来越被人们认可，发展城市轨道交通特别是地铁，成为我国缓解城市交通压力的首选。同时，城市轨道交通又是能耗大户，节能降耗亦是一项重要的任务和必须贯彻的设计原则。将光伏发电技术与城
市轨道交通相结合，是响应国家节能降耗的要求，也是降低城市轨道交通运营成本的需要，同时也可在市民中起到良好示范作用，凸显“绿色交通”的新理念。
因此，有必要对光伏发电技术与城市轨道交通的结合进行深入研究。
1城市轨道交通建筑光伏发电可行性
高架车站顶棚采用钢结构网架形式，站点周边一般为空旷的公共用地，高建筑物少，基本可以做到无遮挡，光照利用率提供；合理铺设电池板，综合考虑采光、遮阳、隔热、防雨等多种功能，由于太阳能电池组件吸收了太阳能辐射，且加之本身的隔热功能，因此这种结构比单纯的金属屋面有更好的隔热效果，且增加了美观性。站用电电能需求较大，结合车站顶棚屋顶大小，基本可以采用自发自用余电上网的模式，投资效益较高。
选择在高架车站建设光伏电站满足了车站本身的美观性，采光性，也可达到光伏组件与建筑匹配的合理性、发电的高效性、建设的经济性。
2太阳能光伏发电系统构成及功能
太阳能光伏发电原理是利用半导体界面的光生伏特效应而将太阳能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池，太阳能电池经过串联后进行封装保护形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器、逆变器及相关附属设施组成，系统构成如图1所示。
图1太阳能光伏发电系统构成图
（1）光伏组件
太阳能光伏组件是太阳能发电系统中的核心部分，它由多个单体太阳能电池片根据需要串并联起来，并通过专门材料和生产工艺进行封装组成。其作用是将太阳能辐射能量转化为电能。
（2）光伏控制器
光伏控制器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统的主要组成部分，光伏控制器安装于逆变柜内。
（3）光伏逆变器
将太阳能光伏组件所产生的直流电能转化为交流电能的转换装置，其作用是使转换的交流电的电压、频率、相位与地铁低压电网各参数一致，实现低压侧的安全和可靠并网，以满足各种交流用电装置、设备供配电要求。
（4）附属设施
附属设施包括直流配线系统、交流配线系统、运行监控和检测系统、防雷和接地系统，由光伏阵列汇流箱、直流配电柜、交流并网配电柜、防逆流控制柜、环境检测仪、数据采集器、监控系统软硬件、线槽、交直流缆线等组成。
4）防雷和接地系统：避免直击雷和感应雷对光伏发电系统的损害。
3城市轨道交通太阳能光伏发电系统
3.1光伏发电组件与建筑的结合方式
太阳能光伏组件与车站顶棚相结合，有两种方案可供选择：一种是顶棚与光伏组件的结合，电池组件以支架等形式安装在顶棚之上，车站顶棚作为光伏组件的载体，起支承作用，即BAPV方案（BuildingattachedPhotovoltaic）；另一种是顶棚与光伏组件集成，太阳能光伏组件兼做顶棚建筑材料，光伏组件成为车站顶棚不可分割的一部分，即BIPV方案（BuildingintegratedPhotovoltaic）。两种光伏组件与建筑的结合方案在国内外都有大量成熟的应用案例。
高架车站顶棚采用钢结构网架形式，顶棚设计时要综合考虑采光、遮阳、隔热、防雨等多种功能。车站顶棚采用金属面板，同时在顶棚上设有透明的采光带来满足车站采光要求。因此，选择在非采光带部分顶棚金属面板安装光伏组件，光伏组件与车站顶棚的结合方式采用BAPV方案。钢结构网架屋面安装太阳能组件示意图如图2-1所示，底部连接及铝轨固定示意图及组件的固定示意图如图2-2所示。光伏组件整体平铺于车站顶棚，组件与顶棚的倾角一致。
3.3太阳能光伏发电系统设计
光伏发电系统主要分为离网发电系统及并发电系统：离网发电系统是通过太阳能控制器为蓄电池及负载充电，适用于较小的光伏发电系统；并网发电系统则通过并网逆变器直接将电能并入电网，适用于大小型光伏电站。
并网系统的优点：
（1）省去了蓄电池，既节省了投入，又避免了蓄电池的二次污染和回收问题；
（2）并网系统具有无人值守、免维护的特点，节省维护管理成本；
（3）并网系统具有数据记录功能，通过显示器直观地显示发电量及产生的环保值等。
综上所述：高架车站光伏发电系统应选择并网光伏发电系统。
并网光伏发电系统根据容量的大小，可以选择10kV以上，10kV和380V等各种电压等级并网方式。
太阳能光伏发电系统通过逆变器将直流电转化为交流电，以单个光伏系统为单位，按一定比例进行分配，分别接入到高架车站三级负荷普通照明（380V）负荷端，即可满足即发即用、就近接入的原则。
太阳能光伏系统亦可采用全额上网的方式，光伏系统所发电力通过10kV并入市电电网，由电网直接调配给用户。
结合地铁车站分布的实际情况，采用即发即用，就近并网的方式，接入到高架车站0.4KV低压侧母线。
太阳能光伏发电系统分别接入变电所低压侧两段母线上，如图5所示。平常，太阳能光伏发电系统通过两段母线给车站低压用电设备供电；当供电系统任何故障时，太阳能光伏发电系统停止供电，供电系统采取原有的保护措施。
在变电所0.4kV并网接入点各设置一面防逆流控制箱，防逆控制箱实时监测变电所0.4kV进线断路器的电压和电流，一但发现向高压侧输入电能，会立即通过通讯控制逆变器降低输出电流，减少光伏系统发电功率；当出现通信故障或其它故障时（变电所故障或光伏系统故障），防逆流控制器会控制光伏交流并网柜输出接触器断开，从而断开并隔离光伏发电系统与车站供电系统，避免故障的扩大或相互影响，确保供电的可靠性。
光伏发电系统在变电所0.4kV低压侧并网接入点设置光伏并网专用负荷开关箱，隔离开关应具备明显断开点指示及断零功能，并设置专用标识“警告”、“双电源”提示性文字和符号。
系统具有自动检测功能及并网切断保护功能，与变电所并网点之间的隔离开关和断路器均应具有断零功能，且相线与零线应能同时分断和合闸。当供电系统电能质量超限时，光伏系统应自动与电网解列，在供电系统电网质量恢复后的5min之内，光伏系统不得向供电系统供电。
3.4太阳能光伏发电系统防雷接地
太阳能光伏组件安装于车站顶棚上，在雷暴发生时，尤其容易受到雷击而毁坏，并且太阳能电池组件和逆变器比较昂贵，为避免因雷击和浪涌而造成经济损失，有效的保护措施必不可少。因此，城市轨道交通太阳能光伏发电系统要与车站一起综合考虑防雷接地设计。
1）防雷
（1）顶棚的太阳能电池组件的金属构件，电缆桥架及光伏汇流箱均应与金属屋面防雷系统可靠连接。
（2）在光伏汇流箱、直流柜和交流并网柜中逐级加装防雷保护器，实行多级防雷保护，使雷击或开关浪涌电流经过多级防雷器件泄流。其中在直流线路部分采用直流电源防雷器，在逆变后的交流线路部分使用交流电源防雷器。
2）接地
（1）光伏设备的安全保护接地、工作接地、屏蔽接地及防雷接地共用车站综合接地系统，接地电阻不大于1Ω。
（2）光伏设备室所有电气设备的正常不带电金属外壳均可靠接地。
4结语
太阳能光伏发电是一种可再生、洁净的新型发电形式，大规模的应用为后代提供了可持续发展空间。我国拥有丰富的太阳辐射资源，具备大规模发展光伏发电的条件。在过去十几年里，太阳能光伏发电技术取得了长足的进步，并在实践中得到了检验。城市轨道交通作为大力提倡的“节能、环保”的出行方式，近几年在国内发展迅速，其场地上的优势为太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用提供了可能。将城市轨道交通与太阳能光伏发电技术相结合，可降低城市轨道交通运营成本，同时也可在市民中起到良好示范作用，是城市轨道交通的一大亮点。
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