铁路路基边坡桁架式光伏支架现场监测及经济性分析

Truss Photovoltaic Support for Railway Embankment Slopes：On-Site Monitoring and Economic Analysis

摘要

铁路路基边坡通常分布在环境空旷的市郊、乡村乃至未开发区域，阳光照射条件较好，具备光伏发电的基础。由于路基边坡靠近轨道，其太阳能资源一直难以开发。结合铁路路基边坡场景提出了桁架式光伏支架，针对路肩风速、光伏组件表面风压、支座振动加速度、关键构件位移和应变开展了现场监测，研究了列车通行引起的列车风和振动对支架安全服役的影响，并和双立柱光伏支架对比说明了其经济性优势。研究结果表明，监测场地邻近线路的列车车速通常小于100 km/h，光伏支架结构响应幅值较小，满足该环境中的结构安全性能要求；相比双立柱光伏支架，相同场地下桁架式光伏支架装机容量提升2~3倍，综合单价降低约15%，具有良好的经济优势。

Abstract

Railway embankment slopes are usually distributed in suburbs, villages, and even undeveloped areas with an open environment, which have great sunlight exposure conditions for photovoltaic power generation. However, due to the proximity of these slopes to the tracks, the development of solar energy resources has been difficult for a long time. Truss photovoltaic support was proposed for the railway embankment slopes, and on-site monitoring was conducted for wind speeds at the slope top, wind pressures on photovoltaic modules, vibration accelerations of the support, and displacements and strains of key structural members. The influence of train-induced slipstream and vibration on the safety of the support was researched, and the economic advantages of truss photovoltaic support were illustrated by comparing it with the double-column photovoltaic support. The analysis results show that the train speed along the line adjacent to the monitoring site is usually less than 100 km/h, and the amplitude of the structural response of the photovoltaic support is small. Therefore, the structural safety in the environment satisfies the requirements. Compared with that of the double-column photovoltaic support in the same site, the installed capacity of the truss photovoltaic support is increased by 2~3 times, and the comprehensive unit price is reduced by 15%, which proves good economic advantages.

Graphical abstract

关键词

铁路路基边坡 / 桁架式光伏支架 / 现场监测 / 结构安全性 / 经济性对比

Key words

Railway Embankment Slope / Truss Photovoltaic Support / On-Site Monitoring / Structural Safety / Economic Comparison

0　引言

目前，全国铁路运营总里程已经突破16万km，是国民经济的大动脉。同时作为国家重大基础设施，铁路能源消耗大，2023年铁路全年用电量达1 041亿kW·h，约占全国总电量的1.2%。在“双碳”战略实施背景下，积极发展铁路新能源产业，提升铁路绿色发展水平，鼓励在铁路沿线合理布局光伏发电及储能设施^[1]具有重要意义。

作为主要的清洁能源，太阳能光伏发电与铁路系统的结合模式与发展路径吸引了广泛的研究^[2-6]。鲍英豪^[7]对铁路沿线不同区域建设光伏系统的可行性开展了研究，测算了3组山东地区铁路沿线光伏系统的发电量，表明其具有良好的经济效益；胡田飞等^[8]提出应根据铁路沿线负载用电时间区段，有针对性地采取不同的光伏阵列最优倾角；邬明亮等^[9]提出了一种适用于牵引供电系统的背靠背光伏发电系统，并对其消纳能力开展研究；安星锟等^[10]基于RPC背靠背变流器两相接入方案，提出了一种双桥臂控制方法实现光储能源的合理分配。

与此同时，铁路光伏项目建设也在不断推进，2018年，济青高速铁路(济南东—红岛)实施了国内首个“高铁+光伏”项目^[11]，建成了装机容量10 MW的站台雨棚光伏和34 MW的沿线线下光伏；2020年，雄安站^[12]建成并投入使用，其站房屋面铺设了装机容量6 MW的屋面光伏系统；2023年，利用中老铁路(昆明—万象)万象南机务段^[13]沿线的低效土地，建成了装机容量1.1 MW的分布式光伏系统并已实现并网发电。

铁路系统内光伏应用场景主要集中于物流基地(货场)屋面、机辆段(所)屋面以及站房和雨棚的屋面。由于紧邻线路、存在施工扰动及可能影响线路养修等问题，铁路路基边坡太阳能资源长期未被重视。但是，边坡周围环境通常比较空旷，可以充分接受阳光照射，太阳能资源丰富。同时全国铁路路基区段总里程十分可观，边坡闲置土地存量巨大，对其进行光伏开发能取得较好的经济效益，有必要进行利用和研究。

为探索适用于铁路路基边坡的光伏支架结构形式，提出了一种桁架式光伏支架，支架主体跨越整个边坡，上部、下部支座分别位于边坡坡肩和坡脚之外，最大程度减小了施工对边坡的扰动。依托国家铁道试验中心铁路沿线分布式光伏示范项目，开展了设计方案的落地验证，通过现场监测，分析了列车风和车致振动对桁架式光伏支架结构安全性的影响，最后与常见的双立柱光伏支架进行了经济性对比。

1　桁架式光伏支架

1.1　设计方案

光伏支架结构形式主要包括单列柱单坡结构、双(多)列柱单坡结构和独立柱结构等。应用于铁路边坡时，支架立柱基础需直接设置在边坡土体上，对边坡扰动较大，造成铁路运营安全隐患。针对现有支架的不足，提出一种桁架式光伏支架，单榀支架示意图如图1所示，整体结构示意图如图2所示。

由图1和图2可知，单榀桁架结构由上弦杆、下弦杆和斜腹杆通过螺栓拼装而成，各榀支架沿着线路方向每隔一定距离设置，檩条通过檩托和各榀支架上弦杆连接，光伏组件通过铝合金压块固定在檩条上。为防止上、下弦杆的平面外失稳，设置水平撑杆减小杆件的平面外计算长度。当跨中弯曲挠度较大时，可在中部设置立柱控制变形，避免弦杆截面过大、成本不合理增加。桁架式光伏支架各构件均采用薄壁型钢制作。

桁架式光伏支架两端设置铰接支座。坡肩支座由联锁板和支撑立柱组成，联锁板为贴合边坡坡肩的折角形混凝土板，通过钢钎固定，支撑立柱下部通过预埋件连接联锁板，上部通过耳板连接支架。坡脚支座由微型桩基础和支撑立柱组成，基础打入边坡坡脚外侧土体内，顶端露出地表，支撑立柱连接与坡肩处类似。通过两处支座的位置和连接方式，最大限度减小了对边坡土体的扰动。

1.2　技术优势

相比常规光伏支架，桁架式光伏支架具有以下技术优势。

（1）适应性好。支架主体结构全部通过螺栓拼接，跨度便于调节，倾角不受限于边坡，能够适应铁路沿线多变的地形，后期构件替换维护方便。

（2）施工扰动小。桁架式光伏支架支座分别位于坡肩和坡脚，基础施工过程中不需开挖边坡土体，避免了扰动边坡的安全隐患。同时基础形式简单，施工速度快，有利于节约工期。

（3）利于线路养修。常规光伏支架通常只能覆盖部分边坡，雨水沿光伏组件边缘集中滑落，易形成边坡的局部冲刷；桁架式光伏支架主体结构跨越整个边坡，通过合理的排水设计，可将雨水集中排至排水沟或坡脚之外，避免了雨水对边坡的冲刷。

（4）装机容量高。随着支架跨度增加，光伏组件的布设面积增大。同一铁路边坡场地内，桁架式光伏支架可以安装更多的光伏组件，总装机容量更高，土地利用率明显提高。

2　项目概况

依托国家铁道试验中心铁路沿线分布式光伏示范项目，设计并建设完成了1组桁架式光伏支架和1组双立柱光伏支架，研究了桁架式光伏支架的结构性能，并和双立柱光伏支架进行了经济性对比分析。

本项目建设地点位于北京市朝阳区，两组不同形式的光伏支架相邻建设。建设区段铁路边坡坡角为35°，边坡高度约5 m。依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)^[14]、《光伏支架结构设计规程》(NB/T 10115—2018)^[15]等规范进行设计。基本设计参数如表1所示。

支架构件材料统一采用Q355B钢。光伏组件尺寸为2 279 mm×1 134 mm×35 mm，组件横、纵向排布净间距均为20 mm。桁架式光伏支架采用钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，组件倾角为17°，呈6行×36列排布，共布置216块；双立柱光伏支架采用钢花管桩基础。组件倾角为35°，与边坡平行，呈2行×9列排布，共布置18块。主要构件尺寸如表2所示，表2中檩条长度、横向支撑长度为各榀支架间距离，双立柱支架上、下立柱表示立柱的相对高低。建设完成后光伏支架现场照片如图3所示。

3　结构性能监测

3.1　监测方案

为研究列车通行引起的列车风和车致振动对边坡光伏支架安全性能的影响，对路肩风速、光伏组件表面风压、支座振动加速度、关键构件位移和应变开展了现场监测，使用仪器包括风速传感器、风压传感器、加速度计、位移计和应变片。仪器现场照片如图4所示。

测点布置示意图如图5所示，具体方案如下。

（1）风速传感器1个，布置在铁路路肩上，测量列车经过时路肩风速变化。

（2）风压传感器4个，编号W1—W4，光伏组件上部和下部各布置2个，固定于光伏组件同一位置的上、下表面，其中W2，W4为光伏组件下表面测点。

（3）加速度计2个，编号A1—A2，布置于坡肩支座处，Al测量竖向振动加速度，A2测量垂直轨道水平方向振动加速度。

（4）顶杆式位移计4个，编号D1—D4，通过三脚架和夹具固定，测量列车经过时桁架下弦杆的挠度变化，其中D1和D3测量同一榀支架，D2和D4测量另一榀支架。

（5）应变片8个，编号S1—S8，分别粘贴于桁架下弦杆、斜腹杆和中部立柱底部，测量列车经过时的局部应变变化。

3.2　监测结果

3.2.1　风速和风压

列车经过前后风速监测值如图6所示，列车编组情况为轨道车+SY997847，车速77 km/h。由图6可知，列车通过前，路肩风速在3 m/s上下变化，反映此时的自然风情况，风速大小等效为2级风。列车通过时，列车行驶引起的列车风使路肩风速发生波动，波动幅值约为±3 m/s。由于列车车速较慢，且路肩位于列车车辆下方，列车风引起的路肩风速变化很小。

列车经过前后光伏组件表面风压监测值如图7所示，列车编组情况为轨道车+WX999538+WX999540，车速75 km/h。由图7可知，靠近轨道的上部光伏组件表面风压变化较大，变化规律也较为明显，风压表现出先正后负、再由负转正的趋势。列车头车引起的头波和尾车引起的尾波各包含1个正压峰值和1个负压峰值，共同决定了风压的变化规律。远离轨道的下部光伏组件表面风压几乎无明显变化，规律性较弱。这表明随着距离的增加，列车风引起的风压变化迅速衰减。同一位置处，光伏组件正面、背面的风压变化规律基本一致。

监测风压变化小于±15 Pa，支架设计采用25年重现期基本风压为0.38 kN/m²，列车风变化幅值为基本风压的4%，考虑到结构设计中已采用分项系数对荷载进行放大，在列车风作用下光伏支架结构仍然是安全的。

3.2.2　振动加速度

列车经过前后坡肩支座的振动加速度监测值如图8所示，列车编组情况和车速同风压监测。由图8可知，支座竖向振动加速度变化范围为-0.028 5g~0.036g；垂直轨道水平方向振动加速度变化范围为-0.038g~0.037g。结构设计基本地震加速度为0.20g，列车通行引起的坡肩支座振动加速度最大值小于基本地震加速度的20%。坡脚支座距离轨道更远，振动加速度应更小。可知在列车正常运行引起的振动下结构满足安全要求。

3.2.3　位移和应变

位移监测值如表3所示，应变监测值如表4所示，分别列出了列车经过时引起位移和应变变化的极值。列车编组情况和车速同风压监测。由表3可知，上侧跨中最大位移为0.21 mm，下侧跨中最大位移为0.24 mm，规范^[15]对光伏支架受弯构件挠度的容许限值为l/250(l为受弯构件的跨度)，位移变化量约为规范要求限值的1.0%。由表4可知，S7测点应变最大，对应应力1.6 MPa。通过对变形和应力的结果分析，可知列车低速通行对沿线边坡光伏支架受力影响较小，结构满足安全性能要求。

4　经济性对比

光伏电站的建设成本是投资的重要参考指标。为评估桁架式光伏支架方案的成本优势，比较了已建成的2组光伏支架的实际工程造价，评价指标包括总装机容量、每延米路基边坡装机容量、支架造价、基础造价和综合造价等，不同形式支架经济性比较如表5所示。

由表5可知，桁架式光伏支架每延米路基边坡装机容量为双立柱光伏支架的3倍，这是因为，双立柱光伏支架只能设置在边坡的部分区域内，无法跨越排水沟等设施，跨度较小，只能布置2排光伏组件，相比之下，桁架式光伏支架横跨整个边坡，布置6排光伏组件，铁路边坡土地利用效率大幅提高。在装机容量大幅提升的前提下，相比双立柱光伏支架，桁架式光伏支架平均每瓦支架造价增加约27%，平均每瓦基础造价降低60%，平均每瓦综合造价降低15.7%，体现出较好的经济优势。

5　结论

铁路路基边坡太阳能资源丰富，具有较大的开发潜力。结合路基边坡场景需求，提出了一种桁架式光伏支架，通过现场监测分析了列车风和振动对其安全性能的影响，并与双立柱光伏支架进行了经济性对比，得出以下结论。

（1）列车低速通过时，光伏组件表面风压发生小幅波动，变化幅值远小于设计基本风压，且随着距离的增加，该幅值迅速衰减。考虑到设计中分项系数的放大作用，低速行驶下列车风不会影响结构的安全性能。

（2）列车低速通过引起的光伏支架支座振动加速度小于设计基本地震加速度；光伏支架的附加变形和应力亦远小于规范限值要求。监测的光伏支架满足所处环境下安全性能要求。

（3）相比双立柱光伏支架，相同长度路基边坡区段内，桁架式光伏支架光伏装机容量可提升2~3倍，有利于充分利用铁路沿线土地，平均每瓦综合单价降低约15%，具有较好的综合经济效益。

参考文献

[1] 中华人民共和国国务院. 国务院关于印发“十四五”现代综合交通运输体系发展规划的通知[EB/OL]. (2022-01-18)[2024-11-26].

[2] 于　鑫. 太阳能光伏发电在铁路中的发展路径研究[J]. 铁道运输与经济，2024，46(10)：1-7.

[3] YU Xin. Development Path of Solar Photovoltaic Power Generation in Railway[J]. Railway Transport and Economy，2024，46(10)：1-7.

[4] 欧阳鹏，茹　旭，郝　益，等. 铁路光伏发展现状及对策建议[J]. 中国铁路，2023(9)：90-96.

[5] OUYANG Peng， RU Xu， HAO Yi，et al. Railway PV Development Status and Countermeasures[J]. China Railway，2023(9)：90-96.

[6] 胡田飞，刘济华，李天峰，等. 铁路与新能源融合发展现状及展望[J]. 中国工程科学，2023，25(2)：122-132.

[7] HU Tianfei， LIU Jihua， LI Tianfeng，et al. Current Status and Prospect of the Integration of Railway and New Energy[J]. Strategic Study of CAE，2023，25(2)：122-132.

[8] 孟　炜，欧阳鹏，王　炜，等. 铁路光伏开发边界条件研究[J]. 中国铁路，2023，(11)：72-78.

[9] MENG Wei， OUYANG Peng， WANG Wei，et al. Research on Boundary Conditions of Photovoltaic Development for Railways[J]. China Railway，2023，(11)：72-78.

[10] 沙　宽. 新能源与铁路融合发展模式及其潜力研究[D]. 北京：北京交通大学，2022.

[11] 鲍英豪. 铁路沿线建设分布式光伏发电系统的可行性研究[J]. 太阳能，2024(3)：5-13.

[12] BAO Yinghao. Feasibility Study on Construction of Distributed PV Power Generation Systems Along the Railway[J]. Solar Energy，2024(3)：5-13.

[13] 胡田飞，刘济华，张翊敏，等. 铁路沿线光伏供电系统优化设计方法研究[J]. 铁道科学与工程学报，2024，21(2)：769-780.

[14] HU Tianfei， LIU Jihua， ZHANG Yimin，et al. Optimization of Photovoltaic Systems Along Railways[J]. Journal of Railway Science and Engineering，2024，21(2)：769-780.

[15] 邬明亮，郭　爱，邓文丽，等. 铁路牵引用背靠背光伏发电系统及其消纳能力研究[J]. 太阳能学报，2019，40(12)：3444-3450.

[16] WU Mingliang， GUO Ai， DENG Wenli，et al. Research on Back-To-Back PV Generation System for Railway Traction and Its Accommodation Ability[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2019，40(12)：3444-3450.

[17] 安星锟，田奥博，吴　磊，等. 铁路沿线光伏储能接入牵引网技术研究[J]. 铁道运输与经济，2024，46(11)：13-20.

[18] AN Xingkun， TIAN Aobo， WU Lei， et al. Technology of Photovoltaic and Energy Storage Access to Traction Network along Railway Line[J]. Railway Transport and Economy，2024，46(11)：13-20.

[19] 贾　彦. 济青高铁实施国内首个“高铁+光伏”项目[J]. 山东国资，2018(Z1)：83.

[20] 常士锋，张广平，何　韬. 雄安站光伏发电一体化建设运营及效益分析[J]. 铁路技术创新，2024(4)：109-114.

[21] CHANG Shifeng， ZHANG Guangping， HE Tao. Integrated Construction and Operation of PV Power Generation at Xiongan Railway Station and Its Benefit Analysis[J]. Railway Technical Innovation，2024(4)：109-114.

[22] 张宇翔，刘天阳，张凌云，等. 中老铁路光伏发电应用与实践研究[J]. 铁道运输与经济，2024，46(10)：8-17.

[23] ZHANG Yuxiang， LIU Tianyang， ZHANG Lingyun，et al. Research on Application and Practice of Photovoltaic Power Generation in China-Laos Railway[J]. Railway Transport and Economy，2024，46(10)：8-17.

[24] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑结构荷载规范：GB 50009—2012 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012：30-33.

[25] 国家能源局. 光伏支架结构设计规程：NB/T 10115—2018 [S]. 北京：中国计划出版社，2018：3-24.

基金资助

国家自然科学基金项目(52078032)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(J2023G005)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2022YJ095)

北京交通大学人才基金项目(2024XKRC048)