地铁车辆段应用分布式光伏发电实践研究

城市轨道交通的发展对方便市民出行、助力城市建设、提升社会经济效益发挥重要作用。截至2023年5月，北京市轨道交通运营线路共有27条，运营里程807 km，运营车站477座，车辆段28个，停车场11个。城市轨道交通已成为北京居民日常出行的主要交通方式，工作日客运量突破1 000万，投入运营的列车900多组，是承载北京城市交通运行的主要部分。同时，城市轨道交通由于技术标准高，系统种类多，安全质量严，运转体系大，在运营过程中所需车辆、设备数量多，对能源需求量庞大，年度综合能耗约30万t标煤。

目前，光伏发电技术业已成熟，并在众多领域开展应用，在解决电源多元布局的同时，提供清洁能源，助力“碳达峰、碳中和”的战略。城市轨道交通车辆段和停车场作为列车的停放和日常维护维修基地，占地面积大，阳光充足，有开发光伏发电的优势。本文以北京市轨道交通15号线车辆段为例，针对已有城市轨道交通车辆段（场）开展光伏发电的情况，提供一套完整的选址、设计、施工、安装、调试、使用、维护的技术体系和方法，以改善能源结构，降低运营成本，提升城市轨道交通车辆段的综合开发资源利用率。

北京市轨道交通15号线西起海淀区清华东路西口，东至顺义区俸伯，线路覆盖海淀、朝阳及顺义3个区，线路长度41.4 km，是一条顺义新城及北京东北部其他新城（怀柔、密云、平谷）与中心城的联络通道。其共设车站20座，其中地下车站16座，高架车站4座，地下线27.7 km，高架线13.7 km，朝阳区设置马泉营车辆段1座，顺义区设置俸伯停车场1座。

马泉营车辆段地处北京市朝阳区崔各庄乡，东经116.49°，北纬40.04°，占地面积200 000 m ² 。配套建设办公楼、食堂、公寓楼、锅炉房、污水站、停车库、检修库等建（构）筑物，其中检修库结构总长度251 m，总宽度150.37 m，主体结构为单层钢筋混凝土排架结构，排架总高13.5 m。其鸟瞰图如图1所示。

3.1 区域太阳能资源水平

根据《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526-2019），以太阳能总辐射量（GHR）为指标，将太阳能的丰富程度划分为4个等级，如表1所示。

北京属我国太阳能资源丰富地区，日照总辐射量4 704～5 712 MJ/m ² ，太阳能辐射高值区为延庆盆地及昌平西北部至怀柔东部一带，低值区位于房山区的霞云岭附近。北京年平均日照时数为2 063～2 870 h。年日照分布与太阳辐射分布相一致，最大值在延庆县和古北口地区，日照时数在2 800 h以上，最小值分布在霞云岭，日照时数为2 063 h。全年日照时数以春季最多；夏季正值雨季，日照时数相对春季减少；秋季日照时数虽没有春季多，但仍比夏季多；冬季是一年当中日照时数最少季节，月日照不足200 h。北京地区日照比较充足，古北口、汤河口一带及延庆盆地的日照百分率为全市最大。

3.2 马泉营车辆段地区太阳能资源分析

朝阳区属温带大陆型半湿润季风气候，四季分明，降水集中。春季干燥多风，昼夜温差较大；夏季炎热多雨；秋季晴朗少雨，冷暖适宜，光照充足；冬季寒冷干燥，多风少雪。年平均气温11.6℃，最冷月1月份平均气温4.6℃，最热月7月平均气温25.9℃，年无霜期192天，年平均降水量581 mm（1971至2000年），夏季降水量占全年的75%。

Meteonorm数据来源于瑞士的Meteonorm研究所，是利用耦合算法，推算出站址所在地的太阳能辐射等气象要素。该数据库收录了全球7 756所气象站的观测资料，对于气象站分布较稀少的区域利用卫星观测数据进行插补。我国122个气象辐射观测站中的大部分观测数据均被该软件的数据库收录。

在该软件中，输入项目地点的经纬度坐标即可得到该地区的各月平均总辐射量。结合本项目场址位置，得出的Meteonorm模拟辐射数据如表2及图2所示。

从Meteonorm数据可以估算出，场址区域年水平面总辐射量为1 367 kW·h/m ² ，即4 921.2 MJ/m ² 。总体趋势呈单峰型，1至5月份辐射值逐月增大，5月份达到峰值171 kW·h/m ² ，即615.6 MJ/m ² 。之后辐射值逐月减少，在12月份达到最低值57 kW·h/m ² ，即205.2 MJ/m ² 。本项目利用马泉营车辆段联合检修库屋顶安装分布式光伏发电系统。根据现场踏勘，屋面为南北向坡，综合考虑到经济、施工、安全、美观等因素，组件布置采用沿屋面坡度平铺形式。根据初步总图布置，组件安装倾角为5.71°，方位角为南偏东10°。具体项目组件数量及安装倾角如表3所示。

根据软件计算，不同安装方向组件斜面全年接受到的太阳能辐射量如表4所示。

根据辐射量统计数据及太阳能资源丰富程度的分级评估方法，评估得出该区域太阳能资源丰富程度为“C”级，属于太阳能资源丰富带。

4.1 电站所在地区中低压配电网现状

马泉营车辆段位于北京市朝阳区崔各庄乡，电网现状为建有跟随所配电室1座，配备2台1 250 kVA变压器，总容量为2 500 kVA。变压器10 kV进线分别由配电室10 kV 232-1间隔、232-2间隔引入。马泉营车辆段0.4 kV系统主要承担厂区照明、空调、工艺设备等生产用能。

4.2 光伏发电单元

马泉营车辆段光伏项目总装机容量为1 195.56 kWp，共安装2 214块组件，屋顶电池组件方阵采用18块电池串联成1个子串，共计123串，如图3所示。最大不超过14个组串构成1组接入110 kW 逆变器。每3台逆变器接入1面低压并网柜，以0.4 kV电压等级并入厂区0.4 kV系统，共计9台逆变器，3台并网柜。电气设备配置数量如表5所示。

4.3 并网接线方案

光伏组件布置于联合检修库屋顶，经逆变汇流后接入厂区内0.4 kV配电系统。根据国网典型设计要求，结合厂区实际安装容量1 195.56 kWp，采取自发自用、余电上网路径，工程光伏发电供电范围为跟随所配电室所带负荷，采用3个0.4 kV并网点并网，每2个并网点分别接入2台变压器0.4 kV母线，余电通过双向变压器反送至电网开闭站，开闭站其他用户进一步消纳该部分余电。主接线采用单母线接线方式，每个并网点配置进线间隔3回。

4.4 消纳率分析

根据国家能源局关于光伏电站消纳监测统计相关要求，光伏电站消纳利用率计算方法如下：      

      

综合考虑光伏阵列效率、逆变器转换损失和并网效率等环节能效损失，结合现场数据统计，本项目光伏系统能效比为80%，即光伏电站最大发电功率=光伏额定功率×80%。

本项目可用发电量为车辆段负载总耗电量，根据企业运营生产需要，结合实际用能情况，马泉营车辆段春秋季节耗电量低于其他季节，春秋季（3月至5月、9月至11月）月均耗电量为33.25万 kW·h，夏季（6月至8月）月均耗电量为42.26万 kW·h，冬季（12月至2月）月均耗电量为45.70万kW·h，且工作日和休息日车辆段总耗电量差距较小，综上选取春秋季负荷作为车辆段总耗电量计算依据。

另根据马泉营车辆段变压器抄表记录和项目光伏出力，如图4所示，对马泉营车辆段负荷进行分析，光伏系统每日9点至16点为光伏发电时段，车辆段总耗电量大于光伏实际发电量，即实际发电量与可用发电量相同。综上，本项目光伏系统消纳率为100%。

图4 春秋季日均光伏出力消纳分析

?

马泉营车辆段停车列检库始建于2009年，南北宽约87m，东西长约251m，屋顶面积约21837m ² ，该建筑检测区域屋架、梁、板构件均选用标准图集设计，其中钢筋混凝土屋面梁采用图集《钢凝土屋面梁》（04G353-6），梯形钢屋架采用图集《梯形钢屋架》（05G511），屋面板采用图集《钢骨架轻型板》（京05SG3）。

5.1 结构检测

依据《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344-2019）相关规定，使用手持式激光测距仪、钢卷尺等测量工具对建筑物轴线尺寸、构件截面尺寸进行检测。采用观察、锤敲相结合的方法对连接节点和焊缝进行外观检查。依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/ T 23-2011）相关规定，采用回弹法对结构构件的混凝土抗压强度进行检查。经检查，建筑所抽样检测的构件符合设计图纸和所选图集要求。混凝土柱、混凝土梁、钢屋架等构件连接方式正确，连接节点无明显缺陷，工作无异常。建筑混凝土柱类构件所测现龄期混凝土最小抗压强度推定值为44.7 MPa。

5.2 承载力检测

依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）、选用图集及现场检测数据，进行结构承载力计算，各参数取值如表6所示。

依据05G511，钢屋架可承受外加均布荷载设计值4.0 kN/m ² 。依据 04G353-6，混凝土梁可承受外加均布荷载组合标准值3.6 kN/m ² 。依据京05SG3，屋面轻型板可承受外加均布荷载组合标准值1.9 kN/m ² 。经计算，该建筑结构满足增设光伏设备荷载（等效均布荷载0.30 kN/m ² ）的使用要求。

?

根据《光伏发电站设计规范》（GB 50797-2012），发电量计算公式为：     

                                 

式（2）中，E p 为系统发电量，kW·h；HA为阵列表面太阳能总辐照量，kW·h/m ² ；PAZ为装机容量，kWp；E S 为标准条件下的辐照度，为常数，取值1 kW/m ² ；K为综合系统效率系数。

马泉营车辆段光伏发电系统首年发电量预计为135.81万kW·h。系统于2023年2月13日起全功率发电，截至4月30日，累计发电量31.84万kW·h，日均发电量3 122.35 kW·h。根据实际发电量和功率统计，系统实际发电量优于预测值，截至目前光伏消纳率为100%，发电量已全部消纳。结合发电量和消纳率，可实现每年节约标准煤477.78 t。

?

电力能耗管控（间接排放）作为北京市轨道交通节约能源降低碳排放的主要突破点，充分利用车辆段、停车场车库屋顶等空间，深入推进分布式光伏发电站自主建设，提高绿色能源使用率的同时，能够推进北京市轨道交通能源、碳排放总量和强度实现双控，助力首都实现“碳排放稳中有降、碳中和迈出坚实步伐”的目标。