近日，西安交通大学建筑节能研究中心，关博文助理教授在国际杂志《Journal of Cleaner Production》上发表论文，题目为“Leveraging cost-effectiveness of photovoltaic-battery system in metro station under time-of-use pricing tariff”。本文旨在探讨在地铁高架站应用屋顶光伏系统以减少碳排放和节约能源的可行性。关博文助理教授为本文第一作者和通讯作者。

背景

作为当代城市交通基础设施的基石，地铁轨道运输系统带来了巨大的能源消耗和碳排放。在高架车站屋顶应用光伏系统能够减少地铁系统的碳排放量，是地铁交通部门走向更清洁未来的关键。然而，现有文献尚未充分报道高架地铁站屋顶光伏应用的技术经济可行性。本研究针对这一研究空白，深入探讨了光伏储能(PVB)系统在北京地铁线高架车站内的节能和经济效益，并在三级峰谷电价方案下建立了多目标非线性混合整数规划模型，以最小化电网负荷并最大化经济效益。

主要内容

该研究针对北京地铁某地上车站的节能问题，提出了两种不同的PVB系统设计（System I和System II），并对其经济性能进行了评估。其中，System I主要利用电池储能模块实现峰谷电价差的利用；而System II则在System I的基础上增加了光伏阵列和太阳能电池储能模块，以进一步提高系统的性能和经济效益。在具体实施上，该研究采用了Gurobi Solver来求解混合整数的非线性规划问题，并通过引入权重因子来将多个目标函数转化为单个目标函数，实现对地上车站削峰填谷潜力的评估。

Fig.1. Schematic diagrams of: (a) system I, and (b) system II (PVB system).

研究结果

本文主要介绍了作者在研究地铁站能源管理方面所做的对比分析。分析分为三个部分：第一部分是研究单目标最小化成本的优化方案效果。该方案通过整合电池储能模型来实现电费峰谷差的利用，从而降低年度总成本。研究结果表明，与基准系统相比，采用该方案可以将年度电费降低8.3%，并将电池投资和维护成本纳入考虑后，最终减少年度总成本约10%。第二部分是研究设备配置优化对系统性能的影响。该部分首先优化了屋顶光伏系统的倾角和方位角，以获得最大年发电量。然后比较了不同系统的能源消耗和经济性能。结果表明，与基准系统和仅使用电池储能系统相比，集成光伏系统的自给率提高了17.5%，并且能够显著降低年度总成本。第三部分是研究整个地铁线的能量节约潜力。通过对8个高架车站进行模拟分析，得出了PVB系统在整个地铁线上的能量节约率和年度总成本降低率。结果显示，PVB系统可以在整个地铁线上节省大量能源，并且可以显著降低年度总成本。总的来说，本文通过多个实验对比，证明了在地铁站能源管理中，采用光伏储能系统（PVB）可以有效地提高系统的经济性能和能源效率。

Fig.2. Constrictions and solutions for improving station’s economic performance: (a) with the integration of the energy storage device, and (b) with the integration of the energy storage device and the consolidation of the PV subsystem.

论文总结

该论文研究了在地铁站中应用光伏电池储能系统（PVB）的技术经济可行性，并优化了系统的安装容量和操作策略以实现成本效益最大化或能源节约最大化。研究采用了单目标和多目标混合整数非线性规划问题来确定最优的电池容量和最佳的操作策略。主要结论如下：

1.  通过利用电力价格差异，能量存储设备可以为地铁站带来19.0%的年度电费减免。此外，锂离子电池的传统充电和放电速率足以满足地铁站的能量储存需求。

2.  将光伏子系统集成到PVB系统中可以显著提高成本效益，从而提高自给率。因此，在基线场景下，PVB系统实现了显著的能源节约率（17.5%）和年度化成本降低率（27.5%）。在整个地铁线路中，PVB系统可导致年度化成本减少26.1%-47.8%。

3.  站点的成本效益受限于两个高峰期的高电价，即上午10:00至下午3:00和晚上6:00至9:00。前一个时期的限制可以通过将屋顶光伏子系统整合进来来缓解，从而减少电网负荷。后一个时期可以通过储能设计来解决，它将电网负荷转移到非高峰时。

4.  同时实现成本最小化和能源节约最大化的可能性是不存在的。通过权重系数的方法可以使投资者可以根据额外标准选择一种适合自身利益需求的方案。

综上所述，该论文研究了在地铁站中应用PVB系统的问题，包括技术经济可行性和优化策略。这些发现有助于地铁公司和政府采取相应的政策和措施来促进清洁能源的应用。同时该论文也指出了一些局限性，如电池类型的选择等，需要进一步的研究和评估。