■ 唐明濤陳志強(qiáng) 王志剛 程高玲

武漢經(jīng)開能源科技發(fā)展有限公司武漢經(jīng)開光伏工程設(shè)計(jì)研究院

分布式光伏發(fā)電在高速公路交通設(shè)施中的應(yīng)用

■ 唐明濤*陳志強(qiáng) 王志剛 程高玲

武漢經(jīng)開能源科技發(fā)展有限公司武漢經(jīng)開光伏工程設(shè)計(jì)研究院

利用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高速路網(wǎng)資源狀況，參考國(guó)外已有經(jīng)驗(yàn)和做法，充分利用國(guó)內(nèi)高速路網(wǎng)，將其作為太陽能光伏發(fā)電新型、有效的載體，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電、交通運(yùn)輸、節(jié)能減排高效整合與最佳統(tǒng)一。

分布式光伏發(fā)電；高速公路；交通；節(jié)能減排

0　引言

能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，是提高人民生活水平的重要條件。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人類對(duì)于能源重要性的認(rèn)識(shí)在不斷提高，能源問題已經(jīng)成為世界各國(guó)共同關(guān)心的重大問題［1］。

當(dāng)煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來越多的國(guó)家開始實(shí)行“陽光計(jì)劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。豐富的太陽能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。

大力開發(fā)、利用太陽能正是應(yīng)對(duì)能源匱乏、緩解電力緊張、保障可持續(xù)發(fā)展的有效手段。利用高速公路，對(duì)加快分布式光伏發(fā)電的發(fā)展尤為必要。光伏發(fā)電可獨(dú)立安裝、施工簡(jiǎn)單、人工和輔助材料成本低，非常適用于高速公路的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等。服務(wù)區(qū)一般場(chǎng)地比較空曠，非常適合做太陽能光伏電站；高速公路收費(fèi)站雨棚非常適合做光伏建筑一體化，不僅清潔環(huán)保，而且系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性高；光伏發(fā)電可減少電纜敷設(shè)施工，具有不消耗能源、無污染、維護(hù)簡(jiǎn)便、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1　光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)，主要部件為太陽電池、蓄電池、控制器和逆變器。光伏發(fā)電是國(guó)際上公認(rèn)并倡導(dǎo)的綠色發(fā)電方式，具有節(jié)約能源、減少污染的特點(diǎn)［2］。

光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)達(dá)到成熟、可靠、實(shí)用的程度。光伏發(fā)電系統(tǒng)使用壽命一般為25年。

1.2分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。1)獨(dú)立光伏發(fā)電：也叫離網(wǎng)光伏發(fā)電，主要由光伏組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負(fù)載供電，還需要配置交流逆變器。2)并網(wǎng)光伏發(fā)電：光伏組件產(chǎn)生的直流電經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電后，直接接入公共電網(wǎng)。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的一種，是指在用戶現(xiàn)場(chǎng)或靠近用電現(xiàn)場(chǎng)配置較小的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，因其具有負(fù)荷距離近、就近消納等特點(diǎn)，近幾年得到了廣泛應(yīng)用。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式是在有太陽輻射的條件下，太陽電池方陣將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給建筑自身負(fù)載，多余或不足的電力通過連接電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.3分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池方陣和并網(wǎng)逆變器兩部分組成。太陽電池方陣是利用光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，在陽光充足時(shí)，通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸入電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器的輸入端接太陽電池方陣，輸出端接交流電網(wǎng)。除具有普通逆變器的功能外，并網(wǎng)逆變器還應(yīng)具有以下功能：

1)純正弦波同步并網(wǎng)送電：通過DC/AC電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)電流瞬時(shí)控制，將電流控制成50 Hz正弦波，自動(dòng)與電網(wǎng)同步后送入電網(wǎng)。以正弦波電流的方式并網(wǎng)送電不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾和過多的無功分量。

2)太陽電池最大功率追蹤技術(shù)：以晶體硅為基本材料的太陽電池在不同的照射強(qiáng)度和溫度下，其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應(yīng)存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，因此，對(duì)太陽電池最大輸出功率點(diǎn)的追蹤(MPPT)成為提高整個(gè)系統(tǒng)效率的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3)反孤島運(yùn)行技術(shù)：并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)因意外情況出現(xiàn)停電時(shí)，并網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備應(yīng)能及時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)停電情況，并與電網(wǎng)解列，停止向電網(wǎng)送電，以保護(hù)人身和設(shè)備安全。

2　分布式光伏發(fā)電在國(guó)內(nèi)高速的應(yīng)用

2014年1月，陜西高速集團(tuán)在十天高速漢中東段茶條嶺隧道的110 kWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目順利通過了由施工單位、接收單位、建設(shè)單位成立的交工驗(yàn)收委員會(huì)的驗(yàn)收［3］；同時(shí)，在十天高速安康西段朱家溝隧道也采用了該光伏發(fā)電系統(tǒng)，建成效果圖如圖1所示。

圖1　隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)

茶條嶺隧道110 kWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)采用整體鋼結(jié)構(gòu)支架，支架棚面平鋪光伏組件，由250 Wp大單晶體硅光伏組件通過串并聯(lián)組合而成，裝機(jī)容量110 kWp；配置1臺(tái)相應(yīng)容量的并網(wǎng)逆變器，將方陣產(chǎn)生的直流電逆變?yōu)?80 V的交流電后，并入隧道配電房配電柜。

該系統(tǒng)所發(fā)電力主要用于隧道風(fēng)機(jī)及照明。發(fā)電系統(tǒng)工程全部并網(wǎng)后，年發(fā)電量最高可達(dá)15.04萬kWh，可以成為隧道用電的重要組成部分，每年可節(jié)省費(fèi)用約15.04萬元。電站運(yùn)營(yíng)25年，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1466 t，減排二氧化碳3749 t，減排二氧化硫113 t。

3　光伏發(fā)電在國(guó)外高速的應(yīng)用

意大利卡塔尼亞－錫拉庫薩A18高速公路(西西里島600 km高速公路網(wǎng)絡(luò)中新增的一段30 km的公路)成為一條完全由太陽能作為動(dòng)力的高速公路，而且是世界上第一條太陽能高速公路［4］。這一高速公路將成為歐洲最先進(jìn)的高速公路，包括控制系統(tǒng)、監(jiān)視設(shè)備、路面質(zhì)量、安全性能在內(nèi)的許多方面都擁有顯著的性能。

2011年1月1日，卡塔尼亞－錫拉庫薩高速公路已向公眾開放。整段公路所需電力將全部由沿路安裝的8萬個(gè)太陽電池板提供，包括路面照明、隧道通風(fēng)、道路指示牌、緊急電話等。整個(gè)太陽電池板的供電面積超過20萬m2，每年發(fā)電量預(yù)計(jì)為1200萬kWh，相當(dāng)于每年節(jié)約石油3.1萬t，減少二氧化碳排放1萬t。

圖2　意大利卡塔尼亞-錫拉庫薩A18高速公路

4　高速公路服務(wù)區(qū)分布式光伏案例介紹

4.1項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于滬蓉高速麻武(麻城－武漢)段中館驛服務(wù)區(qū)，當(dāng)?shù)毓庹諚l件屬于I類可利用區(qū)，適合光伏電站建設(shè)。服務(wù)區(qū)有宿舍樓1棟，服務(wù)綜合樓、機(jī)車庫各2棟，屋面共計(jì)5824.92 m2，建設(shè)晶體硅太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電電站作為補(bǔ)充能源，供給服務(wù)區(qū)生產(chǎn)、辦公、生活照明用電。

圖3　中館驛服務(wù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)圖

屋頂為琉璃瓦坡屋面，可利用面積為4600 m2，除去采光帶、風(fēng)機(jī)、排氣管、陰影遮擋等占用面積，結(jié)合平屋面、混凝土屋面光伏組件安裝要求，可安裝光伏組件435 kWp。其中，2個(gè)服務(wù)綜合樓裝機(jī)容量共計(jì)233.7 kWp，1個(gè)宿舍樓裝機(jī)容量為52.5 kWp，2個(gè)機(jī)車庫裝機(jī)容量共為84 kWp，輔助用房樓及廁所共計(jì)安裝64.8 kWp。

圖4　琉璃瓦屋頂安裝實(shí)景

此項(xiàng)目安裝方式采用光伏專用鋁合金橫梁及專門設(shè)計(jì)的固定結(jié)構(gòu)，確保使用年限及結(jié)構(gòu)安全，不破壞琉璃瓦外觀效果。并網(wǎng)方式為400 V低壓并網(wǎng)，自發(fā)自用、余電上網(wǎng)。年均發(fā)電量42萬kWh，日均發(fā)電量1150 kWh。

中館驛服務(wù)區(qū)月均用電量約6萬kWh，光伏發(fā)電月均發(fā)電約3.5萬kWh。光伏發(fā)電出力與服務(wù)區(qū)用電負(fù)荷匹配，光伏發(fā)電可被服務(wù)區(qū)消耗掉，同時(shí)可在一定程度上緩解當(dāng)?shù)氐挠秒娋o張局面。

圖5　光伏直流匯流、配電設(shè)備

圖6　光伏發(fā)電出力與用電負(fù)荷匹配關(guān)系

4.2運(yùn)作模式

目前光伏發(fā)電項(xiàng)目主要運(yùn)作模式有3種：建設(shè)移交、建設(shè)-經(jīng)營(yíng)-轉(zhuǎn)讓、設(shè)計(jì)采購(gòu)施工。

建設(shè)移交(Build Transfer，BT)，是基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目建設(shè)領(lǐng)域中采用的一種投資建設(shè)模式。

建設(shè)－經(jīng)營(yíng)－轉(zhuǎn)讓(build-operate-transfer ，BOT)，是指政府通過契約授予承建方以一定期限的特許專營(yíng)權(quán)，許可其融資建設(shè)和經(jīng)營(yíng)特定的公用基礎(chǔ)設(shè)施，并準(zhǔn)許其通過向用戶收取費(fèi)用或出售產(chǎn)品以清償貸款，回收投資并賺取利潤(rùn)；特許權(quán)期限屆滿時(shí)，該基礎(chǔ)設(shè)施無償移交。

設(shè)計(jì)采購(gòu)施工(Engineering Procurement Construction，EPC)/交鑰匙工程總承包，即工程總承包企業(yè)按照合同約定，承擔(dān)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、試運(yùn)行服務(wù)等工作，并對(duì)承包工程的質(zhì)量、安全、工期、造價(jià)全面負(fù)責(zé)。

滬蓉高速麻武(麻城－武漢)段中館驛服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電項(xiàng)目采取BOT模式進(jìn)行建設(shè)。

4.3盈利方式

光伏發(fā)電項(xiàng)目的盈利主要依靠政府財(cái)政補(bǔ)貼。國(guó)家補(bǔ)貼政策規(guī)定：分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目反送國(guó)家電網(wǎng)的電量，建議除按當(dāng)?shù)孛摿螂妰r(jià)收購(gòu)?fù)?，再給予0.42元/kWh的補(bǔ)貼，自用電量直接給予0.42元/kWh的補(bǔ)貼。

電網(wǎng)企業(yè)收購(gòu)電費(fèi)為脫硫電價(jià)(在上網(wǎng)電價(jià)核定的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償發(fā)電企業(yè)脫硫處理的支出后的電價(jià))0.478元/kWh+0.42元/kWh(電費(fèi)補(bǔ)貼)=0.898元/kWh，即每上網(wǎng)1 kWh可獲得0.898元收益。如果產(chǎn)生的電量完全自用，以非普工業(yè)電價(jià)0.825元/kWh計(jì)算，則每自用1 kWh可收益1.245元，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

以外，光伏發(fā)電可減少碳排放，根據(jù)發(fā)電量獲得碳排放額度，通過碳排放交易市場(chǎng)將該額度出售給碳排放量較大的企業(yè)也可獲取一定收益。

5　結(jié)語

高速公路在我國(guó)已形成較完整的公路網(wǎng)絡(luò)，其有大量的閑置屋頂、土地資源，且用電量較大、用電需求穩(wěn)定。因此，高速公路與光伏的結(jié)合符合高速公路企業(yè)和光伏企業(yè)的共同利益。

光伏發(fā)電經(jīng)營(yíng)期間的收益曲線符合光伏企業(yè)的投資需求，光伏發(fā)電項(xiàng)目一般有25年的收益期，正常的成本收回時(shí)間約8～10年，如果當(dāng)?shù)卣儆幸欢ǖ难a(bǔ)貼政策，可在更短的時(shí)間內(nèi)收回成本。較長(zhǎng)的收益期和較高的回報(bào)率可保證光伏企業(yè)在未來具有穩(wěn)定增長(zhǎng)的收益。

［1］周志敏，紀(jì)愛華.太陽能發(fā)電光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京∶電子工業(yè)出版社, 2010.

［2］王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)［M］.北京∶化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

［3］茍鈞凱. 十天高速漢中東段茶條嶺隧道110 kW用戶側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目完成交工驗(yàn)收［EB/OL］. http∶//www.sxgs. com/content.aspx？id=408062741989，2014-01-23.

［4］人民網(wǎng)-環(huán)保頻道. 意大利將建成世界第一條太陽能公路［EB/OL］. http∶//env.people.com.cn/GB/13232317.html, 2010-11-16.

2014-09-05

唐明濤(1983—)，碩士、工程師，主要從事光伏電站的規(guī)劃、可行性研究、勘察設(shè)計(jì)、電站運(yùn)行分析方面的研究。tmt20042005@163.com