鄭 燕 張 琨

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城軌電扶梯出入口光伏系統(tǒng)方案研究

鄭 燕 張 琨

摘 要：城市軌道交通出入口頂部多采用透明玻璃結(jié)構(gòu)，結(jié)合太陽能光伏系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出將出入口頂部透明玻璃更換成光伏玻璃的方案，既有效地減少了陽光直射導(dǎo)致的升溫，又可產(chǎn)生清潔能源供使用。結(jié)合寧波地鐵的應(yīng)用實(shí)例，證明方案的可行性與優(yōu)越性，為城市軌道交通中新能源的利用提供新的思路。

關(guān)鍵詞：光伏玻璃；太陽能；城市軌道交通；出入口；電扶梯

鄭 燕：中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司設(shè)備設(shè)計(jì)處，工程師，湖北武漢430063

0　前言

新型能源形式的引進(jìn)是引發(fā)綠色能源革命和綠色建筑革命的交匯點(diǎn)。隨著光伏技術(shù)的不斷發(fā)展，電池片的轉(zhuǎn)換效率不斷提升，而成本不斷下降，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于軌道交通項(xiàng)目是未來的發(fā)展方向。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的各種彩色光伏組件，可以取代和節(jié)約昂貴的軌道交通車站出入口的外飾材料（如幕墻和玻璃頂?shù)龋菇ㄖ锏耐庥^更具科技感；太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)正好在白天用電高峰供電，從而緩解高峰電力需求，這對于軌道交通等用電大戶更為重要。如柏林火車站采用了光伏采光頂，如圖1所示。

目前軌道交通項(xiàng)目在國內(nèi)大中城市中蓬勃發(fā)展，從人性化設(shè)計(jì)的角度，每個車站出入口都設(shè)置了電扶梯，從美觀的角度出發(fā)，往往出入口都設(shè)計(jì)成透明型式，但帶來的新問題就是陽光天氣下會使得出入口溫度很高，甚至造成電扶梯控制部分死機(jī)。城市軌道交通同樣可以考慮采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示，在地鐵出入口采用光伏玻璃作為采光頂，不僅可有效地減少直接射入光線，降低溫度，還能將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，供給其他設(shè)備使用，有極佳的節(jié)能效果和示范效應(yīng)。

圖1　柏林火車站光伏采光頂

圖2　安裝光伏組件的出入口示意圖

本文提出的設(shè)計(jì)方案就是如何在出入口設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，有效地利用太陽能，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的理念。

1　光伏系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1光伏采光頂系統(tǒng)

1.1.1光伏系統(tǒng)組成

獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)由光伏組件陣列、光伏控制器，離網(wǎng)光伏逆變器、蓄電池、電纜和匯線盒等設(shè)備組成。系統(tǒng)由硅電池發(fā)電，蓄電池儲存，組成1個獨(dú)立的運(yùn)作系統(tǒng)（圖3），無需借助外部電網(wǎng)。

（1）光伏組件。光伏組件的核心是太陽能電池，采用高效晶體硅太陽能電池。電池的減反射膜為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的氮化硅膜。光伏組件水平地安裝在地鐵口采光頂上（圖4），電池片采用高效晶體硅電池片。太陽能光伏組件每塊240 Wp，尺寸為2200 mm×1000 mm，具體工程根據(jù)需要計(jì)算確定數(shù)量。

（2）光伏控制器。光伏控制器通過微處理器進(jìn)行蓄電池充放電控制管理，當(dāng)蓄電池過壓或者欠壓自動斷開，保護(hù)電路安全。光伏控制器效率一般取97%。每個車站出入口配置1臺光伏控制器。

圖3　獨(dú)立光伏系統(tǒng)原理框圖

圖4　光伏采光頂

（3）蓄電池。建議盡量配置無記憶效應(yīng)的蓄電池，容量根據(jù)實(shí)際需要供電的用電量進(jìn)行計(jì)算，使用周期則按當(dāng)?shù)貧夂蜻M(jìn)行選取。當(dāng)然方案中也可以減少蓄電池，設(shè)定低于一定的電壓時，則切入市電。

（4）離網(wǎng)逆變器。逆變器的輸出頻率為50 Hz，正常工作條件下其偏差不超過5%。如果采用正弦波逆變器，其最大輸出電壓的波形失真度不超過 ±5%。離網(wǎng)逆變器效率取96%。

每個車站配置1臺離網(wǎng)逆變器，包含 IGBT 逆變單元、直流/交流配電、程序控制器、發(fā)電最大功率跟蹤、整合控制面板等模塊，有顯示工作狀態(tài)和工作參數(shù)（直流電壓，交流輸出）、絕緣監(jiān)視（動態(tài)接地錯誤檢測）等功能。

（5）匯線盒。一般采用太陽能專用方陣匯線盒（含斷路器及避雷器），每個車站配置1套。

（6）電纜，包括光伏專用電線和交流電力電纜線。參考IECll94《 建筑物的電氣安裝 》與 IEC269-l 《 低壓保險(xiǎn) 》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，查閱《 建筑電氣設(shè)計(jì)手冊 》，考慮到工程中電纜使用環(huán)境為高層建筑、部分架空，使用交聯(lián)聚乙烯阻燃型電纜線，確保整個工程安全、防火。整個太陽能方陣線損按2% 考慮。

1.1.2接地和防雷設(shè)計(jì)

太陽能光伏電站為3級防雷建筑物，應(yīng)按照GB50057《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行防雷和接地設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免避雷針的投影落在光伏組件上。光伏電站對接地電阻值的要求較嚴(yán)格，因此，要實(shí)測數(shù)據(jù)，建議采用復(fù)合接地體，接地機(jī)的根數(shù)以滿足實(shí)測接地電阻為準(zhǔn)。

1.2光伏采光頂安裝結(jié)構(gòu)

光伏組件作為發(fā)電設(shè)備安裝在地鐵出入口及電梯井道的玻璃采光頂上，光伏組件采用四邊支撐的結(jié)構(gòu)形式，固定在鋼梁結(jié)構(gòu)上，替代普通建筑玻璃，構(gòu)造了一種簡潔、安全、經(jīng)濟(jì)的安裝結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。光伏組件基本水平安裝，具體見圖5。

2　光伏系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益及社會效益分析

2.1方案設(shè)置地理位置

以寧波市為例，即東經(jīng)120°55' 至122°16'，北緯28°51' 至30°33'。全市規(guī)劃有軌道交通7條線路，其中軌道交通1號線一期工程共20個站，1個站平均有4個出入口。其氣象監(jiān)測要素特征如下。

（1）氣溫：年平均氣溫16.4℃。

（2）降水：年平均降雨量為1480 mm。

（3）年平均水平面太陽輻射值：3.59+kW·h/m2/天。

（4）全年日照總時數(shù)：1850 h。

2.2光伏組件使用面積及發(fā)電量計(jì)算

2.2.1出入口光伏系統(tǒng)使用面積

車站可安裝光伏玻璃的設(shè)施包括出入口雨棚以及電梯口，每個出入口按2臺電梯考慮。雨棚的光伏玻璃主要安裝在頂部與側(cè)面；電梯口安裝方式見圖6，主要考慮對頂部設(shè)備的保護(hù)，而下部保持通透。該光伏項(xiàng)目采用光伏建筑一體化（BIPV）的安裝形式，由200塊“8 mm厚超白鋼化玻璃 +2.28 mm 厚非晶硅薄膜電池+8 mm 厚鋼化玻璃”的光伏組件構(gòu)成，代替普通建筑玻璃，不僅具有采光、擋雨的功能，而且還具有發(fā)電的功能，有非常好的示范效果和節(jié)能作用。

圖5　光伏組件安裝結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2.2.2光伏系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算及經(jīng)濟(jì)效益分析

每個車站的出入口光伏玻璃總面積合計(jì)大約為580 m2，采用高效晶體硅電池片，系統(tǒng)的總功率約為58 kW，年發(fā)電量約為7.6萬 kW·h。以上方案只是在光伏組件在附近無遮擋無嚴(yán)重污染等情況下的理論計(jì)算值，僅供參考。

出入口按照每個燈箱有 LED 燈（功率18 W）4個考慮，每天供電從18:00到23:00，共5 h，一天總的耗電量為0.36 kW·h，根據(jù)寧波的天氣情況，按有3天連續(xù)陰雨天氣進(jìn)行計(jì)算如下。

圖6　電梯出入口光伏玻璃安裝示意圖（單位：mm）

（1）出入口日平均發(fā)電量。本項(xiàng)目每個地鐵出入口配置光伏系統(tǒng)功率58 kW 的光伏組件，寧波的年平均峰值日照為3.59 h，一天每個地鐵出入口配置光伏系統(tǒng)的發(fā)電量為：58×3.59=208.22 kW·h，即208.22度電。

（2）出入口廣告燈箱每天的耗電量：4×18×5/0.96=375 W·h =0.375kW·h，即0.375度電，由上可得，每天可以存儲的電能為：（208.22-0.375）×0.97=201.6097 kW·h。

（3）按3個陰雨天計(jì)算，總共需要存儲：0.375×3=1.125 kW·h 的電能。

（4）光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電量主要供出入口的排氣扇等大功率電器的日常使用，部分供廣告燈箱 LED 燈使用。按存儲3個陰雨天的廣告燈箱用電量考慮，控制器的電壓為24 V，需要蓄電池容量：1125/24=46.88 A·h，可選用蓄電池（24 V、16 A·h）3個滿足需求，考慮備用1個蓄電池，則共需要蓄電池4個。

另外，經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)際測試，透明井道頂部安裝光伏組件后，在同一地鐵站，比未安裝光伏組件的井道溫度低約4 ℃，實(shí)際運(yùn)行效果也穩(wěn)定可靠。

此太陽能發(fā)電系統(tǒng)30年發(fā)電約為228萬 kW·h，目前寧波非居民照明用電價(jià)約為0.93元人民幣每度電，考慮到30年內(nèi)電價(jià)上漲，估計(jì)30年后的平均電價(jià)為1.6元/度，30年估算節(jié)約電費(fèi)為364.8萬元人民幣。

2.2.3社會效益分析

光伏發(fā)電系統(tǒng)是解決能源危機(jī)的重要手段；可促進(jìn)能源多樣化，提高國家能源安全；能產(chǎn)生良好的環(huán)境效益，減少有害氣體排放。推廣使用這種太陽能系統(tǒng)，可以產(chǎn)生明顯的社會效益。

目前我國發(fā)電耗煤平均為390 g（標(biāo)煤）/kW·h［3］，本文的光伏系統(tǒng)方案在30年內(nèi)發(fā)電約為228萬 kW·h 的情況下，預(yù)計(jì)年節(jié)約標(biāo)煤為：228萬 kW·h×390 g（標(biāo)煤）/ kW·h =889.2 t。根據(jù)我國標(biāo)煤的組成，每燃燒1 t標(biāo)煤產(chǎn)生的 CO2約為2.54 t［4］，則本文的光伏系統(tǒng)方案可減少排放溫室氣體 CO2約2258.568 t。

3　展望

我國是太陽能資源比較豐富的國家，利用綠色、清潔的太陽能進(jìn)行軌道交通的節(jié)能設(shè)計(jì)對減少化石燃料的使用、減少大氣污染、防止環(huán)境的進(jìn)一步惡化都會起到積極的作用。城市軌道交通地鐵車站眾多，具有天然的利用條件，以寧波為例，線網(wǎng)規(guī)劃有7條線，目前1號線一期有20個車站，2號線一期有22個車站，其余線路加起來約90個車站，每個車站一般有4個出入口。因此，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］ 陳屹. 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在軌道交通中的應(yīng)用研究［J］. 現(xiàn)代城市軌道交通，2010（2）：59-61.

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［4］ 涂華，劉翠杰. 標(biāo)準(zhǔn)煤二氧化碳排放的計(jì)算［J］. 煤質(zhì)技術(shù)，2014（2）：57-60.

責(zé)任編輯 冒一平

Study on Photovoltaic System Solutions at Transit Escalator Entrance

Zheng Yan, Zhang Kun

Abstract:Roof of urban rail transit entrance often uses transparent glass structure. Taking into consideration of present application situation of solar photovoltaic system, the paper puts forward a solution for the entrance roof using photovoltaic glass to replace transparent glass, effectively reducing temperature rise caused by sunlight, and generating clean energy supply and use. Taking the application of the solution in Ningbo metro as an example, it proves the feasibility of the scheme and the advantages.

Keywords:photovoltaic glass, solar energy, urban rail transit, entrance, escalator

中圖分類號：TU113.6+65

收稿日期2015-11-19