公路隧道入口段光伏供电照明的投资与降碳效益分析

摘要：投资效益决定了公路隧道太阳能光伏供电系统的经济可行性，也影响着建设单位的投资积极性。本文以一级公路隧道洞口段照明系统利用光伏供电模式为例，介绍了其投资成本构成，包括太阳能光伏组件成本、蓄电池采购和更新成本等，根据投资回收期分析，光伏供电模式的投资回收期约为10年；然后介绍了蓄电池容量和并联数、太阳能组件串联数、日发电量、并联数和方阵功率计算方法；最后得出结论，光伏供电模式体现了良好的降碳和环保效益。1工程概况某一级公路隧道位于浙江省绍兴市，设计速度为80km/h，左线里程为K11+329～K11+987，长658m，右线里程为K11+363～K11+866，长503m。以该隧道右洞作为研究对象，其灯具在入口段和出口段采用两侧对称布设方式，灯具安装在两侧电缆桥架上，加强段灯采用功率为150W、80W、40W的LED灯，设置4个回路，分别为基本照明回路ZA、YA以及加强照明回路C、D。入口段灯具平面布置图如图1，出口段灯具平面布置图如图2所示。图1入口段灯具平面布置图图2出口段灯具平面布置图根据入口段及出口段的灯具布置图统计得到各照明回路对应的灯具数量和功率，见表1。表1出入口段各回路的灯具数量和功率设定光伏发电系统仅为出入口段的加强照明回路C和D供电，先分别计算出两个回路上所有加强灯的功率，再根据照明回路开通时间，得到两个回路的用电量，最后得到日用电量123.2kW·h，见表2。表2洞口段加强照明日用电量2工程投资分析基于光伏供电模式的公路隧道洞口段照明系统包含太阳能光伏组件、太阳能充放电控制器、蓄电池、功率表、加强照明回路灯具等（图3）。其中太阳能充放电控制器对蓄电池的充、放电进行控制，并按照负载的电源要求，控制蓄电池对负载输出电能，充电控制通常采用PWM控制方式，即脉宽调制技术，放电控制主要是指当蓄电池过度放电或系统出现故障时切断开关；蓄电池的作用是将光伏电池所获得的电能以化学能的方式储存，在需要的时候将化学能转化成电能，起到稳定电源的作用，采用阀控密封式铅酸蓄电池。图3基于光伏供电模式的公路隧道洞口段照明系统图为了准确测算光伏发电投资效益和回收期，需要对其各项组成进行详细的分析，包括太阳能组件和蓄电池成本、日照条件即年满负荷发电时间、资金成本（资本金比例和贷款利息等）、日常运营维护费用等。2.1太阳能组件成本（1）串联数一定数目的太阳能电池组件串联起来，便可以获得所需要的工作电压。若串联数太少，串联电压会低于蓄电池浮充电压，光伏板方阵就无法对蓄电池充电。相反，如果串联数太多使得输出电压远高于浮充电压，而充电电流也不会有明显的增加。因此，只有太阳能电池组件串联数合适，太阳能电池组件的串联电压与蓄电池的浮充电压匹配时，才能达到最优的充电状态。太阳能电池组件串联数的计算公式如下：式中，𝑈R为系统工作电压（V），𝑈oc为组件峰值工作电压（V）。（2）平均日辐射时数𝐻将太阳能光伏板方阵安装地点的太阳能日辐射量𝐻t，转换成标准光强（1000W/m2）下的平均日辐射时长𝐻：式中，2.778/10000（h·m2/kJ）为将日辐射量换算为标准光强下的平均日辐射时数的系数。（3）太阳能光伏组件日发电量𝑄p式中，𝐼oc为太阳能电池组件最佳工作电流；𝐾op为斜面修正系数；𝐶z为修正系数，主要为组合、灰尘、衰减、充电效率等的损失，一般取0.8。（4）冗余的蓄电池容量𝐵cb取绍兴地区连续阴雨天之间的最长间隔天数𝑁w为3d，为了在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需要蓄电池的冗余容量𝐵cb为：（5）并联数𝑁p并联的太阳能光伏板组数在两组连续阴雨天之间的间隔天数内所发电量，不仅供加强照明使用，还需要补充蓄电池在最长连续阴雨天内亏损的电量。（6）太阳能光伏方阵功率计算得到太阳能光伏组件的串并联数后，便可算得太阳能电池方阵的功率𝑃：式中，𝑃o为太阳能电池组件的额定功率。2.2蓄电池成本蓄电池容量对保证连续供电非常重要。在一年中，方形阵列的发电量每月变化很大。在方阵发电不能满足用电需求的月份，需要补充电池电量；在用电量超过需求的月份，多余的电能由电池储存。因此，方阵的发电不足和过剩是确定电池容量的基础之一。同样，连续下雨天的负载功率也必须从蓄电池获得。因此，在此期间的功耗也是决定电池容量的因素之一。蓄电池的容量𝐵c为：式中，𝐴为安全系数，取1.1～1.4之间；𝑄L为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；𝑁L为最长连续阴雨天数；𝑇0为温度修正系数，一般在0℃以上取1，−10℃以上取1.1，−10℃以下取1.2；𝐶𝐶为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，碱性镍镉蓄电池取0.85。为了达到系统的工作电压，电池应串联连接；为了达到系统容量，需要并联蓄电池。串联电池数量是系统工作电压与电池标称电压之比，并联电池数量是电池总容量与电池标称容量之比。光伏系统工作电压设定为48V，电池标称电压为12V，因此串联电池数量为4个，电池标称容量为200Ah，因此并联电池数量为11293/(200×4)≈15（个）2.3总成本计算除了蓄电池和光伏板组件外，系统还需要一个汇流箱来确保光伏组件的有序连接，以及一个光伏控制器来控制多通道太阳能电池阵列来为蓄电池充电并向负载供电。成本中需要考虑这些因素，包括安装人工成本。结合以上获得的部分部件数量和市场价格信息，计算出系统的初始建设成本为210021.9元，见表3。表3初期建设成本计算表3投资回收期分析光伏照明系统初期建设成本约21万元，维护运营成本约每年5000元。此外，保守认为电池每三年更换一次，即每三年花费5.4万元。光伏系统自用，完全可以满足负荷所需的日用电量，相当于每天有效节电123.2kW·h。按工业用电量1元每千瓦时计算，日节约电费