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太阳能光伏发电系统在铁路站房中的应用

摘要：结合呼东铁路站房太阳能光伏发电系统设计，具体阐述并网光伏发电系 统的构成及功能，并对站房光伏发电系统的效益进行分析。 关键词：铁路站房；太阳能光伏发电系统；太阳能光伏电池板；并网光伏 发电；系统构成及功能。 0、引 言 太阳能作为清洁、无污染、方便易得的可再生建筑能源，越来越受到人们 的青睐，它在建筑中的应用有着其它能源不可比拟的优越性，正在全球飞速发 展。太阳能光伏发电系统安全可靠、无噪音、无振动、无污染、无需消耗燃料， 无需架设输电线路即可就地发电供电，建设周期短、可靠性高、维护简便，对 于缓解常规能源的短缺和减少环境污染具有重要的意义，目前我国在太阳能利 用方面取得了可喜的成就。呼东站房作为呼和浩特地区重要的特大型铁路客运 站房，具有重要的地理交通位置，这一新技术的应用，为可持续发展的绿色能 源技术与系统在铁路站房领域的应用开辟了新的篇章。 1、呼东站房光伏发电系统的优势 1)呼和浩特的地理位置及气候条件为太阳能资源的利用提供了非常有利的 条件。 我国幅员辽阔，全国各地的太阳能资源储量存在很大差异。根据各地太阳 总辐射量的多少，可将全国划分为 4 类地区，如下图、表所示。

由此可见，呼和浩特处于太阳能较丰富的Ⅱ类地区，年日照量约 6000MJ/(m2·a)。可以充分利用当地的太阳能资源来发展经济，在有限的城市 空间实现太阳能的无限利用。 2)呼和浩特处于内蒙旅游胜地，建造在铁路站房的光伏并网发电技术的实 施， 随着人员的流动， 对利用可再生能源的宣传将会起到积极的模范带头作用， 使太阳能高端利用具有较高的社会效益、环保效益和经济效益。 3)呼东站房建筑体系庞大，光伏发电系统功能与建筑造型的有机结合，既 能节省太阳能电池板的放置空间及支撑结构，降低系统建设成本，又能利用光 电池的特性减少室内外温差引起的热能损失，利于建筑节能，同时使建筑外观 更具技术魅力及节能宣传效果。 4)呼东站房建设光伏发电系统，将会为我国铁路建设的科技化、高速化、 节能化发展打下坚实的基础，为我国经济建设的可持续发展提供有力的保证。 2、站房太阳能光伏发电系统的设计内容 光伏发电系统一般由光电池板、逆变器、控制器、蓄电池及监控装置几部 分组成。其中光电池板是直接将太阳能转换为电能的关键组件。目前国内外的 太阳能电池板有三类，即单晶硅、多晶硅及非晶硅薄膜电池板。 2.1 太阳能光伏电池板的选择 根据电池板的特性，结合呼东站房所处的气候环境特点及工程投资情况， 并考虑到建筑的美观性，设计选择了非晶硅薄膜电池板。这种光电池材料和制 造工艺成本低，具备弱光发电的性能；非晶硅薄膜电池受风沙、雨雪等天气的 影响很小，工作不受环境影响；具有透光性，不同透光度的电池板显示的颜色 也不一样，可以更好的表现建筑创意。

太阳能光电池板与建筑的结合形式有两大类：一类是光伏方阵与建筑的结 合。将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用；另 一类是光伏方阵与建筑的集成。光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方 阵成为建筑不可分割的一部分，如光电瓦屋顶、光电幕墙和光电采光顶等。结 合站房的建筑特点及节能要求，采用光伏方阵与建筑的结合形式，穹顶外围的 屋顶均采用白色铝合金屋面，设计考虑将光伏方阵直接铺设在穹顶四周的六角 形斜屋面上，来充分接收太阳光，提高光伏发电系统的利用率。如下图所示： 2.2 光伏发电系统的运行方式

光伏发电系统的运行方式主要有独立运行和并网运行两种形式。设计时考 虑到独立系统需要配备大容量的蓄电池来储能，这必然会增加系统的投资，而 且站房内必须提供足够的空

间和合适的环境来放置这些蓄电池。综合站房的实 际情况，选择了光伏并网发电系统。 光伏并网发电系统就是将太阳能电池发出的直流电通过逆变器变换成交流 电输送到电网， 或与电网端接同时输出到低压负载， 也就是当时发电当时使用。 其优点是节省了蓄电池占用的空间，发电容量可做得很大，并可保障用电设备 电源的可靠性。但由于逆变器输出与电网并联，必须保持两组电源电压、相位、 频率等电气特性的一致性，否则会造成两组电源之间的充放电，引起整个电源 系统的内耗和不稳定。站房用电负荷远大于太阳能发电电力，采用太阳能所发 的电与市电并联形式后向用电负荷供电， 原则是优先使用太阳能所产生的电力。 当太阳能所产生的电力小于用电量时，市电作为补充。由于太阳能所发电力未 直接接入市电网络，也无须与供电部门联络，因此十分灵活便利。此系统适合

于包括中国在内的一些发展中国家，尤其适用于全面改造城市电网阻力大的城 市或地区。 2.3 光伏发电系统的构成及功能

1)系统构成 整个光伏并网发电系统光伏方阵安装面积 4200m2，总共 828 大块非晶硅太 阳能薄膜电池组件组成， 安装在屋面六边形区域上， 直流峰值总功率 132.48kW。 828 大块非晶硅太阳能薄膜电池组件按照建筑屋面造型及布局分成了六大部 分，每部分有 138 块组件，分成 3.5 个子阵列，其中 3 个采用 2 串 20 并方式组 成， 多出的 18 块太阳能电池组件与相邻部分的 18 块合并组成一个 2 串 18 并子 阵列。 整个屋面光伏方阵由 21 个光伏子阵列构成， 每个子阵列将直流接线汇集 到一个安装有浪涌保护器的二极管集线盒内， 通过光伏电缆输送到并网逆变器， 将直流电逆变为单相 220V 交流电。21 台并网逆变器的输出送到并网控制器， 通过均衡匹配组成三相交流电，直接接入站房低压电力系统供负载使用，做到 即时消耗电能。 为了保证光伏发电系统的正常运行， 及时了解系统的运行状态和环境数据， 系统设计了一套光伏通讯与监测系统。21 台并网逆变器的运行数据传输给一台 数据采集器，采集器将它接收到的信息存储处理后，通过 RS485 通讯线发送给 与之相连的计算机，计算机利用所安装的软件对数据进行分析，使整个电站的 运行性能、运行趋势、故障和潜在问题都能够得到快速检测并及时发送给用户 进行处理。 2)系统主要功能

同步闭环控制功能：实时对外部电网的电压、相位、频率等信号进行采样 并比较，始终保证逆变器输出与外部电网同步。 最大功率跟踪功能：逆变器最基本的功能，保证逆变的电能最大化。 具有自动关闭与运行功能：逆变器实时对外部电网电能质量参数、直流输 入、交流输出的电压、电流等信号进行检测，当出现异常情况时会自动保护关 闭，断开外部输出；当外部电网或其它恢复正常时，逆变器系统进行检测并延 时一定时间，才恢复交流输出并自动并网运行。 具有完善的保护功能，包括过压、欠压、过载过流、短路、漏电及防孤岛 效应等保护功能；在小功率状态高效运行，转换效率达 96.1％。 并网逆变器是光伏并网系统的核心设备，选择高品质的逆变产品是整个 系统安全、可靠运行的基本条件。并网逆变器均带有隔离变压器，使得逆变器 的直流输入和交流输出之间电气隔离开来，具有防孤岛保护单元，能有效地防 止孤岛效应。此外，在并网逆变器检测到电网失电后，会立即停止工作，当电 网恢复供电时，并网逆变器并不会立即投入运行，而是需要持续检测电网信号 在一段时间内完全正常，才重新投入运行。 3、呼东站房光伏发电系统的效益分析 3.1 社会效益分析 能源是人类社会得以生存和发展的基础，目前人类获得绝大多数能源式矿 物燃料，如煤、石油等。此类能源并不是取之不尽的，并随着这些能源的消耗， 已造成日益严重的环境污染和温室效应，当今世界上已将节约能源、保护环境 作为主要的技术研究和科学发展的课题，运用自然能源、可再生能源的需求逐 步增加。自然能源包括太阳能、风能、水能等，而地球能获得的太阳能相当于

2 亿个中型核电站的总发电量，太阳能是一种取之不尽，用之不竭的能源。因 而我们通过高科技手段将太阳能转变成电能，并加以高效利用。太阳能光伏发 电系统的最大优势在于：它不需要燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪 音污染，可用来发电。 3.2 经济效益

分析

呼和浩特位于中国北方内蒙古自治区中部的土默川平原上，东径 110°46 ˊ至 112°10ˊ，北纬 39°35ˊ至 40°51ˊ。年平均温度 3℃，极端最低温度 32.8℃，极端最高温度 37℃，年均日照数为 2945 小时，年平均日辐射量为 16574KJ/m2。 根据热功当量：1 千瓦小时＝3600 千焦耳，将日辐射量换算为标准光强 (1000W/m2)下的平均日辐射时数 H 为：H＝Ht÷3600-16574÷3600＝4.6(小时) 呼和浩特东站太阳能电池板直流额定功率为 132.48 千瓦 则日平均发电量为：132.48×4.6＝609(度) 年平均发电量：609×365＝222285(度) 3.3 环保效益分析

光伏发电系统不仅具有良好的社会效益，而且具有巨大的环保效益，发电 系统是将太阳能转化为电能，光电池在发电过程中，不会排放二氧化碳及二氧 化硫等会产生温室效应的有害气体，对环境没有产生污染，也不会产生噪音， 是一种洁净的能源。光电板成分中没有有毒物质，不会在建筑物起火时出现任 何诸如释放有毒气体等危险。 根据专家统计： 每节约 1 度(千瓦时)电， 就相应节约了 0.379 升燃油或 0.4 千克标准煤， 同时减少污染排放 0.272 千克碳粉尘、 0.997 千克二氧化碳(CO2)、

0.03 千克二氧化硫(SO2)、0.015 千克氮氧化物，节约用水 40 升。则该光伏发 电系统建成后， 可节省轻柴油 8.42 万升或标准煤 88.91 吨， 这也意味着少排放 221.62 吨的二氧化碳、6.69 吨的二氧化硫和 3.33 吨氮氧化物。同时减少因火 力发电产生的 60.46 吨粉尘，节约 88.91 万升净水，在社会效益和节能减排方 面效果显著。 4、结束语 我国的光伏发电技术及其产业还需做好以下工作： 1)降低太阳光伏组件的价格，提高光电转换效率。 2)提高逆变电器的性能指标，提高转换效率和降低畸变系数。 3)太阳光伏组件应多样化，以满足建筑物设计要求。 4)政府和有关部门应对并网光伏发电给予更多的政策支持。 太阳能屋顶发电的最终实施既要吸取国外成功经验，又要结合我国国情， 针对具体工程对配电系统运行方式和技术经济指标进行分析研究。将屋顶并网 光伏发电系统的光伏组件与建筑物设计融为一体，特别是与建筑物节能设计和 改造结合起来，做到既美观大方，又经济实用。 参考文献： [1]李安定，太阳能光伏发电系统工程，北京：北京工业大学出版社，2001 [2]电力工业部电力规划设计总院编(纪雯主编)， 电力系统设计手册， 北京： 中国电力出版社，1998

[3]黄磊，太阳能光伏发电市电并网电站的应用，低压电器，2007

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