摘要：在国家提出“碳达峰、碳中和”发展目标的背景下，作为耗能大户的城市轨道交通，发展以太阳能光伏发电系统为代表的绿色可再生能源技术，是实现该行业节能减排、绿色转型的重要方法之一。在众多绿色能源中，太阳能光伏发电以其清洁、无污染、分布广等特点备受青睐，在城市轨道交通领域应用潜力巨大。在城轨中引入绿色、高效、低碳的太阳能光伏发电系统，推进绿色清洁能源替代化石能源的行动也成为了城市轨道交通研究的热点。目前，北京、上海、重庆、苏州、深圳等多座城市已在其轨道交通中采用了光伏发电系统，也取得了一定的成效，但该系统仍有较大的可开发利用空间。同时，由于地上车站、场段和车辆基地的上盖开发和屋顶承重问题导致具备开发条件的建筑屋顶、外立面面积较小、利用率低，亟待开发光伏发电系统新的应用场景。

关键词：太阳能光伏发电系统;城市轨道交通

引言

新能源光伏发电技术日趋成熟，获得了普遍的运用。近年来，中国光伏总装机容量处于增长的过程中，为实现能源的可再生能源奠定了坚实的基础。目前，随着光伏并网所占比例的不断增加，太阳能间歇性和波动性所引起的不稳定性越来越明显，对太阳能光伏发电技术的运用造成了一定阻碍。

1、太阳能光伏发电技术的应用现状

照明。这一技术目前被大量应用于居民生活，照明正是一个典型的领域。例如，我国一些城市在路边设置的路灯就采用了该技术，借助电池存储白天光伏发电得到的电能，并采用定时方式对夜间照明进行控制。同时，这一技术也被运用在高速公路的夜间照明方面。例如，陕西茶条岭隧道在建设时就使用了110kWh的分布式光伏发电系统。建筑光伏一体化。在我国绿色建筑推广应用中，采用该技术产生建筑物所需要的电能，就能够用来制冷、通风以及烧水。从实践来看，绿色建筑中运用该技术通常有下列方式：（1）光伏方阵与建筑物的结合，例如在屋顶或墙壁设置屋顶光伏方阵。（2）光伏方阵集成在建筑中，如使用光电屋顶、光电幕墙等。1990年代初，德国政府就提出“一千光伏屋顶”计划，后来这一计划发展为“十万屋顶计划”，总容量达到了300～500MW。在中国，奥运会的主体育场“鸟巢”和世博会的国家馆也使用了这一技术。与其他技术共同运用。这一技术不但能够单独运用，还可以与其他技术结合起来，起到相互补充的作用，促进能源的有效利用。例如，我国学者刘凯等人就提出了水光互补的应用方案。在负荷要求不高的时候，新能源技术所产生的一部分电能就能够充分满足现有需求，剩余的部分则借助蓄电池以势能的方式储存或泵入上游水库。如果负荷达到峰值，新能源技术产生的电能难以满足实际需求的时候，就可以释放出储存的电能，以满足当前的需求。采用这种方案能够有效解决光伏发电存在的不稳定性缺陷。此外，我国学者张世亮等人认为，光伏发电技术可以在温室中得到运用，利用光伏发电系统向智能温室供电，把剩余的电能储存于电池组中。在下雨的时候，就可以使用电池组供电。他们指出，为了保证温室的光线充足，光伏板阵列应当设置在温室的侧面[1]。

2、太阳能光伏发电系统的设计要点

（1）准确选址。在设计太阳能光伏发电系统时，应准确选址。为了确保系统的发电效益，在某地铁2号线四期工程中，需要选用满足采光条件的高架车站，确保太阳光可以照射在太阳能板上。高架车站顶部应平坦、开阔，避免高大树木和周边建筑对采光的遮蔽影响，保证太阳能光伏发电系统的效果。（2）合理设计装机容量。在设计太阳能光伏发电系统时，应注意装机容量的设计。在系统的设计初期，应精确计算系统承受的电力负荷，并确定太阳能光伏发电系统的耗电情况，根据统计的各项参数，合理选择容量适配的电池，确定发电系统的最佳电流，然后确定太阳能光伏发电系统的电池功率。可以通过灵活调整串联增压、并联整流的方式完成太阳能光伏发电系统电池方阵的设计。（3）合理设计光伏方阵。在设计太阳能光伏发电系统时，应合理设计光伏方阵、光伏组件和发电系统。在光伏方阵的设计中，除了建筑物的效果，还应考虑光伏方阵的发电效益与采光条件，确定合理的方阵朝向与采光角度，综合考量控制器、电池、逆变器等的选择，重视布线分布、防雷监控等环节[2]。

3、太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用研究

3.1储直柔技术在轨道交通的应用

一是在轨道交通车辆段、车站、轨道沿线等空闲地段建设分布式太阳能光伏发电系统。随着光伏建筑一体化系统（BIPV）的发展，越来越多的轨道交通车站开始铺设大规模光伏发电设施。用电范围从最开始的照明等生活用电逐渐转向铁路沿线通信信号设备供电。二是在供电系统中配置储能装置，储存剩余的光伏能量或在光伏发电不足时补给，一定程度上起到削峰填谷的作用，并能对牵引系统再生制动能量进行回收利用。根据储能介质和电能释放方式的不同，储能装置分为飞轮储能、电化学储能、超导储能和超级电容储能等。其中，电化学储能中的锂电池能量密度高，近年来发展迅速，在轨道交通系统中既可回收再生制动能量、稳定电压，同时锂电池充放电效率、工作温度及循环寿命等性能均能满足接入轨道交通直流供电系统的需求。三是将光伏发电的直流电供给轨道交通供电系统，列车通过受流器与接触网直接接触获得电能。光伏发电系统接入轨道交通供电系统具有交流并网和直流并网两种方式，其中交流并网方式控制策略简单而成熟，直流并网方式采用控制策略来补偿牵引网电压，减少接触网损耗，从而达到改善轨道交通牵引供电质量和节能的目的。四是运用柔性用电管理系统实现轨道交通用电的自我调节和自主优化，为缓解电力供需矛盾提供有效解决途径。随着电力电子变流技术的发展和轨道交通牵引供电系统潮流控制要求的不断提高，直流牵引供电系统的潮流控制能力及系统供电安全得到有效提升。光伏发电通过牵引供电系统转换升压后可直接接入直流牵引电源接触网，消除了无功、负序等电能质量问题，提高了电能质量。当线路上列车需要牵引功率时，优先利用光伏发电并入功率，以降低双向变流机组从交流电网吸收的功率；如光伏发电功率无法充分使用，则可将多余的功率回馈给交流侧[3]。

3.2光伏监控系统设计

为更好地掌握系统运行情况，应设立监控系统。可将逆变器发电数据、故障信息与环境数据等通过监控系统连接到数据采集器，并通过计算机网络在屏幕中展现各项数据，起到实时监控与保存信息的效果。监控系统可通过开放接口协议与通信接口，展示光伏发电系统的工作状况；可以将运行情况、节能指标等发送到车站信息系统，计算发电与用电指标；可以由ISCS接口收集各个用电设备的能耗状况，通过系统性分析，实时调控供电模式；可以根据地铁车站运营特点制订时间表，通过监控系统分时段地向AFC、PIDS等系统提供命令控制切换，如开站前将站内的服务设施，如售票机、乘客信息等投屏展示，在高峰用电时间开启当天所有服务设施，在关站后或用电低谷时间关闭一定设施，减少用电时长与用电负荷，起到节能调控的效果。

结束语

总之，碳中和的目的是促进整个能源结构的低碳。在未来的发展趋势下，轨道交通将不再是一个简单的电力负荷，而是具有发电、储能、调节、用电等多种功能。光存储、直接和灵活技术是推动轨道交通实现上述功能的重要技术途径。然而，光存储、直接和柔性技术在我国轨道交通领域的应用仍处于起步阶段，在基础研究、技术研究、标准化体系建设和实际工程示范应用等方面仍有许多问题需要解决。

参考文献：

[1]刘阳.光伏发电系统在城市轨道交通中的应用[J].光源与照明，2020，（08）：69-70.

[2]丁鑫.城市轨道交通新型光伏发电系统研发[J].电工技术，2020，（16）：31-33.

[3]张晔.光伏发电系统在城市轨道交通中的应用分析[J].科技创新与应用，2020，（17）：150.