摘要：对太阳能光伏发电系统在国内城市轨道交通应用的经济性和环保性展开论证。全国城市轨道交通的分布与太阳能辐照资源的分布的具有一定的规律性，分析太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用类型、设置方案，在此基础上，基于全生命周期评价(LCA)方法，引入太阳能光伏发电系统的全生命周期分析方法，推导出太阳能光伏发电系统在城市轨道交通应用中的碳排放回收周期模型、经济投资回收周期模型，以轨道交通主要分布城市的太阳能辐照资源为边界条件，通过计算，得出从经济性和环保性层面上，太阳能光伏发电系统在全国主要城市的轨道交通应用是合理可行的，并结合实际项目中的参数条件，进一步验证了在边界条件下，模型在轨道交通主要所在区域的适用性。本研究对太阳能光伏发电系统在全国轨道交通的应用具有指导意义。

　　关键词：可再生能源；光伏；轨道交通；全生命周期；碳排放；投资回收

　　Study on the Whole Life Cycle of Photovoltaic Power Generation System in Urban Rail Transit

　　Xiao Zhenpeng，Duan Qifeng，Liao Yanpei

　　(Guangzhou Metro Design&Research Institute Co.,Ltd.,Guangdong,Guangzhou 510010,China)

　　Abstract:Demonstration is given of the economy and environmental protection of the application of solar photovoltaic power generation system

　　in domestic urban rail transit.The distribution of domestic urban rail transit and the distribution of solar radiation resources have certain

　　regularity.The application type and setting scheme of solar photovoltaic power generation system in urban rail transit are analyzed in this

　　paper.On this basis,based on the full life cycle assessment(LCA)method,the full life cycle analysis method of solar photovoltaic power

　　generation system is introduced,and the carbon emission recovery cycle model and economic investment recovery cycle model of solar

　　photovoltaic power generation system in urban rail transit applications are derived.With the solar radiation resources of the main distribution

　　cities of rail transit as the boundary condition,through calculation,it is concluded that the application of solar photovoltaic power generation

　　system in rail transit in major cities across the country is reasonable and feasible in terms of economy and environmental protection,and

　　combined with the parameter conditions in the actual project,Combined with the parameter conditions in the actual project,the applicability of

　　the model in the main area of rail transit under the boundary conditions is further verified,which has guiding significance for the application of

　　solar photovoltaic power generation system in rail transit across the country.

　　Key words:renewable energy;photovoltaic;rail transit;full life cycle;carbon emissions;investment recovery

　　0引言

　　近年来，国内城市轨道交通在建设过程中不断探索实践可再生能源的利用场景。在国家“双碳”目标的催动下，GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(以下简称《节能规范》)于2022年4月1日实施。该标准为强制性，须严格执行。《节能规范》中“5.2.1新建建筑应安装太阳能系统。”对太阳能系统在全国城市轨道交通行业的应用提出了更高、更全面的要求。《节能规范》的实施有其合理性，面对全面铺开的太阳能系统设计应用，从太阳能资源分布、全国城市轨道交通分布等宏观角度出发，在经济性、环保性等层面评估太阳能光伏发电系统在全国不同地域城市轨道交通中的应用价值具有重要意义。

　　目前我国的能源结构以煤炭为主体，但占比呈总体下降趋势[1]。近年来，我国以风电、光伏发电为代表的新能源发展成效显著，装机规模稳居全球首位，发电量占比稳步提升，成本快速下降，已基本进入平价无补贴发展的新阶段。从图1可以看出可再生能源发电量占比在逐年提高。

　　可再生能源类型众多，其应用系统包括太阳能系统、地源热泵系统、空气源热泵系统。具体形式需要根据当地资源条件和系统末端需求，进行适宜性分析，当技术可行性和经济合理性同时满足时，方可采用[2]。

　　从系统末端需求进行分析，在车辆基地或者停车场的公寓、综合楼、运转综合楼等有热水需求的建筑单体，通常采用设置太阳能热水系统或者地源热泵系统的方案，对于车辆基地其他单体建筑、地铁车站基本没有热水需求，其需求主要集中在制冷供暖和电力。

　　地铁车站通常位于市区建筑密集区，地下管线情况较为复杂，难以具备地源换热井的布置和施工条件，以及存在土壤热平衡问题[3]，地源热泵系统依然需要配备冷却塔等设备，而空气源热泵主要用于热水系统，所以地源热泵系统、空气源热泵系统不适合在地铁车站中应用。

　　结合国内应用实例，太阳能系统是目前国内地铁可再生能源利用的主要形式。太阳能系统可分为太阳能热利用系统、太阳能光伏发电系统、太阳能光伏光热(Photovoltaic/Thermal，PV/T)系统[2]。其中太阳能热利用的主要形式为太阳能热水、太阳能空调等，但是根据热水需求和太阳能空调的技术成熟度，太阳能热利用系统不适合在地铁车站应用。而太阳能光伏发电系统是通过利用太阳能产生电力，可以被地铁车站有效使用，符合地铁车站的需求和特点。

　　综上分析，太阳能光伏发电系统是最适合城市轨道到交通应用的可再生能源利用形式。目前广州、深圳、上海、北京、宁波、济南、苏州、石家庄等城市地铁工程的小范围内的车辆基地、高架车站设置了太阳能光伏系统[4]。

　　根据2021年中国风能太阳能资源年景公报，我国太阳能资源属于很丰富，但是地区性差异较大，呈现西部少雨干燥地区大于东部多雨高湿地区，高原大于平原的分布特点[5]。如图2[5]所示，除四川盆地外，光照资源较好，可结合当地气候特点进行太阳能光伏发电开发利用。

　　根据交通运输部公布的数据，截至2022年底，全国有53个城市开通运营城市轨道交通线路290条，运营里程9 584 km，车站5 609座[6]。结合地域分布情况，主要集中于中部、东部、东北等。

　　基于目前太阳能光伏发电系统在城市轨道交通领域应用范围相对有限，而规范及节能的趋势又需要其在大范围内实施，其可行性需要进一步论证。从现有研究来看，目前轨道交通太阳能光伏发电系统的应用研究主要集中在单点项目实施方案(高架车站、车辆基地)、并网方式及策略(配电网或者牵引网)等方面[4,7~11]。尚鲜见从太阳辐照资源分布和城市轨道交通分布的全局层面对太阳能光伏发电系统在轨道交通领域实施可行性的研究。结合图2以及文献[12]，全国主要地铁城市分布区域与光伏发电年利用小时数区域在721~1 400 h的地域相重合。建立全生命周期模型，利用轨道交通分布区域的太阳能资源量丰富度，整体性评价太阳能光伏发电系统在城市轨道交通领域的应用可行性，对于推动太阳能光伏发电系统在城市轨道交通中的应用具有指导意义。

　　1太阳能光伏发电系统设置方案

　　太阳能光伏发电存在发电波动性强[13]、不易调度的特点，而城市轨道交通属于公共服务性建筑，对电能稳定性要求高。

　　结合城市轨道交通自身特点，太阳能光伏发电系统适合采用并网型光伏系统[14]。利用电网稳定电压，克服光伏发电波动性强的缺点。

　　太阳能光伏发电系统由光伏组件、逆变器、汇流箱、并网柜、监控柜及电缆、监控软件等组成，如图3所示。

　　光伏组件主要采用单晶硅或者多晶硅，经逆变器、汇流箱，将产生的电能输送至400 V开关柜室的并网柜，并入低压配电柜。并通过设置在400 V开关柜室的监控柜与综合监控进行数据连接，上传太阳能光伏发电系统的相关运行数据。

　　太阳能光伏发电系统在轨道交通的应用场景主要分为车辆基地和正线车站，结合各自建筑特点及《节能规范》，对太阳能光伏发电系统的设置方案进行分析。

　　1.1车辆基地设置方案

　　车辆基地是地铁系统的车辆停修和后勤保障基地，通常包括车辆段、综合维修中心、物资总库、培训中心等部分，以及相关的生活设施，其占据较大面积土地，与车站不同，场段内通常为地面建筑，可在条件适合的单体建筑物的屋顶设置光伏板。

　　车辆基地的功能复杂，单体建筑的功能多样，由门卫、综合楼、运转综合楼、洗车机库、工程车停车棚、物资库、材料库、污水处理站、牵引降压混合变电所、运用库(停车列检库、联合检修库等)等组成。根据《节能规范》第1.0.2条的条文解释，《节能规范》“不适用于没有设置供暖、空调系统的工业建筑”，而像门卫等单体体量较小，综合考虑可在运用库、牵引降压混合所等单体的屋面设置，非混凝土屋面还需要钢结构预留足够的荷载，如图4所示。

　　1.2正线设置方案

　　正线车站可以分为高架车站和地下车站，二者差异较大，方案设置分析如下。

　　1.2.1地下车站

　　地下车站是地铁车站的主要形式，其车站主体深埋于地表下，高出地面的构筑物有风亭、安全出口、出入口飞顶等。这些构筑物的高度较低，常被周边建筑物、树木遮挡，太阳光照条件差，且随着城市的快速发展，影响光照的因素存在诸多不确定性。出入口飞顶的钢结构屋面通常有一定的坡度，朝向根据道路、站位、周边建筑情况确定，难以保证光伏组件的最佳安装倾角。结合以上分析，地下车站设置光伏发电系统的条件较为苛刻，不适合设置太阳能光伏发电系统。

　　1.2.2高架车站

　　地铁高架车站的车站主体在地面以上，通常高度在20~30 m，可以有效避免周边树木、普通建筑物等的遮挡，太阳光照条件好，可以根据车站形式进行光伏板布置，比如结合高架车站主体钢结构屋面布置光伏组件，如图5所示。

　　当高架车站主体钢结构屋面为异形，难以安装光伏组件，而高架车站带有附属用房建筑时，可以将光伏板设置在附属用房建筑的屋顶，如图6所示。

　　2太阳能光伏发电系统的回收周期

　　引入全生命周期评价方案，建立模型，对城市轨道交通光伏发电系的碳排放和投资回收进行分析[15-16]。

　　2.1碳排放回收周期

　　碳排放是一个系统性的指标，应从太阳能光伏发电系统的设备及组件的原材料采集开始至系统生命末期拆除，进行全方位的分析计算。根据全生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)方法，引入太阳能光伏发电系统碳排放模型：

　　C=Cg+Cs+Cd+Cf（1）

　　式中：C为光伏发电系统全生命周期的碳排放总量，kg；Cg为光伏组件全生命周期的碳排放量，kg；Cs为系统设备(包括汇流箱、逆变器、并网柜等)全生命周期的碳排放量，kg；Cd为系统电缆全生命周期的碳排放量，kg；Cf为系统辅材全生命周期的碳排放量，kg。

　　其中光伏组件碳排放模型如下[15,17]

　　Cg=C 1+C2+C3+C4+C5+C6（2）

　　式中：Cg为光伏组件全生命周期的碳排放总量，kg；C 1为光伏组件原材料获取阶段的碳排放量，kg；C2为光伏组件在生产阶段的碳排放量，kg；C3为光伏组件在运输阶段的碳排放量，kg；C4为光伏组件在施工安装阶段的碳排放量，kg；C5为光伏组件在使用维护阶段的碳排放量，kg；C6为光伏组件在拆除清理阶段的碳排放量，kg[15]。

　　光伏组件的全生命周期碳排放主要集中在原材料的获取阶段、光伏组件和设备的生产阶段，这两个阶段的碳排放量占比达95%以上。以采用多晶硅为例进行分析，采用改良西门子法，根据太阳能光伏发电系统全生命周期碳排放模型计算，得到光伏组件的全生命周期的碳排放量[15]基准为Cg0=1.79×103 kg/kW。Cg0的取值需要根据光伏行业的发展进行动态更新，主要影响因子为原材料的获取、设备和组件等生产工艺的提升。

　　光伏发电系统的全生命周期的碳排放量保持不变，而光伏发电系统的碳减排能力随着运行年份呈线性增长，建立碳排放回收周期计算公式如下：

　　式中α根据生态环境部公布的《中国区域电网准线排放因子》中的区域进行选取。

　　从上述公式可以得出，在采用相同生产工艺光伏组件的前提下，项目所在地区的太阳能辐照水平是影响碳排放回收周期的主要因素。

　　结合图2的数据，全国多数地铁城市的年利用小时数为721~1 400 h，按此临界数据进行计算(多晶硅光伏组件首年2.5%的衰减后，每年按0.7%的速度衰减[2,18])，电力排放因子按边界条件取0.792(华东区域电网)，得到图7。

　　太阳能光伏发电系统的碳排放主要为光伏组件的碳排放，图7中以光伏组件的碳排放作为对比，从图7可得出，目前大部分的地铁城市设置太阳能光伏发电系统的碳排放回收周期在2~4 h。可见太阳能光伏发电系统在全生命周期内减碳效果明显，符合减碳的预期目标。

　　2.2经济投资回收周期

　　太阳能光伏发电系统中的光伏组件设计使用寿命高于25 a，按25 a边界条件考虑，系统的主要成本为建设期投入，建立投资回收模型如下：

　　从上述公式可以得出，投资回收周期与光伏发电系统的建设成本成正比，与项目所在地的太阳辐照水平成反比。

　　结合图2数据，全国多数地铁城市的年利用小时数为721~1 400 h，按此临界数据进行计算(多晶硅光伏组件首年衰减2.5%，后续按0.7%/年的速度衰减[2,18])，得到图8。

　　从图8可得，目前大部分的地铁城市设置太阳能光伏发电系统的投资回收周期在10~19 a。随着光伏发电系统产业的不断完善，成本下降，以及碳交易等收益，投资回收周期可进一步缩短。

　　对于系统25 a的寿命而言，随着年限的增长，全国不同地区使用环境的差异，为维护成本、不可抗力因素预留的余量有限，19 a的投资回收周期的抗风险能力较弱。结合图2，四川、重庆、贵州的太阳能辐照资源最低，固定式光伏发电首年利用小时数为721~900 h，将该区域的数据从中剔除后，经过计算，得到大部分的地铁城市设置太阳能光伏发电系统的投资回收周期在10~15 a，处于一个较为合理的区间。

　　2.3广州地铁某高架车站光伏发电系统

　　以广州地铁某高架车站光伏发电系统为例，该车站为两线换乘车站，系统采用800块260 W多晶硅光伏组件，安装于车站主体结构屋顶，采用热浸镀锌U型钢固定在金属物面，系统总装机容量208 kW。运行模式为自发自用方式。

　　车站屋顶的光伏发电系统由2个子系统组成，每个子系统通过光伏组件、逆变器、汇流箱、并网柜分别接至400 V开关柜，主要设备材料表如表1所示。

　　3结束语

　　并网型太阳能光伏发电系统是较为适合城市轨道交通的太阳能利用方式。本文结合国内外研究成果，通过分析城市轨道交通太阳能光伏发电系的应用类型和方案，根据全生命周期评价方法，建立城市轨道交通太阳能光伏发电系统全生命周期碳排放回收周期模型和投资回收周期模型。利用全国主要城市轨道交通分布城市所在区域的太阳能辐照资源数据，通过边界条件进行计算，得出城市轨道交通太阳能光伏发电系统碳排放回收周期短，减碳效果显著，其投资回收周期在合理范围内，从宏观角度论证了太阳能光伏发电系统在国内城市轨道交通推广的可实施性。

　　城市轨道交通太阳能光伏发电系统在全生命周期应用中的经济性与环保性，与《节能规范》对太阳能系统的要求是相符的，对太阳能光伏发电系统在城市轨道中的推广应用具有重要的指导意义。

　参考文献：

　　[1]郑翠,张玉峰,龙陆军.新时期我国主体能源消费结构调整优化研究[J].中国煤炭地质,2021,33(S1):49-51.

　　[2]GB 55015—2021,建筑节能与可再生能源利用通用规范[S].

　　[3]马宏权,龙惟定.地埋管地源热泵系统的热平衡[J].暖通空调,2009,39(1):102-106.

　　[4]陈霞,韩春白雪,张晔,等.城市轨道交通光伏发电系统的应用现状及发展趋势[J].城市轨道交通研究,2021,24(6):166-171.

　　[5]王志华,裴顺强,姚锦烽.中国风能太阳能资源年景公报(2022年)[N].中国能源报,2023-04-10(13版).

　　[6]闻欣.全国轨道交通运营里程达9584公里[N].中国交通报,2023-01-12(1版).

　　[7]郑林涛,李晓歌,白雪,等.光伏发电系统在地铁高架车站的应用研究[J].建筑科学,2019,35(8):131-136.

　　[8]张邦力.轨道交通生态智能车辆基地设计探讨及创新[J].铁道标准设计,2022,66(9):166-170.

　　[9]宋昕,何治新,韩春白雪,等.城市轨道交通光伏发电系统的总体设计方案与并网模式分析[J].太阳能,2020(6):22-28.

　　[10]韩春白雪.城市轨道交通光伏－储能系统研究[D].成都:西南交通大学,2020.

　　[11]陈维荣,王璇,李奇,等.光伏电站接入轨道交通牵引供电系统发展现状综述[J].电网技术,2019,43(10):3663-3670.

　　[12]城市轨道交通2022年度统计和分析报告[R].北京:中国城市轨道交通协会,2023.

　　[13]邹鹏辉.基于线性自抗扰控制的光伏发电波动性消除方法研究[J].电力学报,2020,35(6):507-514.

　　[14]刘依明.光伏发电系统的控制策略研究[D].济南:济南大学,2021.

　　[15]翁琳,陈剑波.光伏系统基于全生命周期碳排放量计算的环境与经济效益分析[J].上海理工大学学报,2017,39(3):282-288.

　　[16]苏剑,周莉梅,李蕊.分布式光伏发电并网的成本/效益分析[J].中国电机工程学报,2013,33(34):50-56+11.

　　[17]刘臣辉,詹晓燕,范海燕,等.多晶硅-光伏系统碳排放环节分析[J].太阳能学报,2012,33(7):1158-1163.

　　[18]李铁成,曾四鸣,孟良,等.晶体硅光伏组件功率特性及衰减评估分析[J].电源技术,2022,46(8):920-924.