沿大别山高速豫南服务区分布式光伏发电应用研究

摘要：高速公路服务区的场地资源循环利用是绿色集约的一种有效形式，充分利用服务区空间功能做好分布式太阳能光伏，可较好地建立节能减排的并网发电系统。分布式光伏发电产业是可再生能源的重要组成部分，本文研究了豫南服务区分布式光伏发电产业的创新应用，积极跟踪新技术发展，提出用清洁能源替代传统能源降低碳排放量，在高速公路全生命周期内持续降低交通运输装备能源消耗和碳排放强度，营造良好的生态运行环境。1沿大别山高速公路豫南服务区光伏发电系统建设情况1.1清洁能源的需求目前，能源利用大多借助传统的化石燃料，如煤炭开采率高达近70%，非化石能源仅占约10%，在化石能源利用与能源转化过程中产生了较大的污染，对环境造成了破坏。在可持续发展理念的前提下进行能源革命，改变能源结构，降低环境污染和生态环境破坏，需要从当下的高碳发展模式向未来的低碳发展模式转变，开发清洁低碳新能源来保证能源供应安全，是解决传统能源数量有限、环境影响大、非化石能源占比低的必要措施。同时，落实国家《能源生产和消费革命行动方案（2030）》要求，以清洁能源开发为手段的能源革命也是推动绿色交通发展的着力点。1.2服务区低碳建设要求近年来交通行业对服务区的建设提出了更高的要求，2014年的《关于进一步提升高速公路服务区服务质量的意见》就提出了加强绿色服务区建设的要求，《关于实施绿色公路建设的指导意见》将“推进绿色服务区建设”列为五大专项行动之一，要求推行服务区污水处理、建筑节能、清洁能源、垃圾处理等新技术应用。太阳能是一种清洁、高效的能源，充分利用太阳能对节能降碳有着重要意义。光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式；其能源质量高、安全可靠、无噪声危害、无污染排放；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无须消耗燃料和架设输电线路即可实现就地发电供电；具有建设周期短、获取能源花费的时间短等优点。并且根据国家能源局发布的我国太阳能资源分布表（表1），河南属于太阳能资源较丰富区域，适宜建设光伏发电站。高速服务区、收费站等场站，位置分散、面积较大，适合设置分布式光伏发电系统。表1全国太阳辐射总量等级和区域分布1.3光伏发电建设模式沿大别山高速公路鸡公山至商城段项目（以下简称项目）是全省高速公路“13445”第一批切块项目，路线全长123.32公里，是首次贯通河南、湖北、安徽三省边界线的交通要道，对积极推进鄂豫皖大别山区交通一体化战略构想、促进大别山革命老区经济社会发展和旅游资源开发、巩固大别山区脱贫攻坚成果、实现区域协同发展等方面具有重要意义。项目针对上述工程特点，全面贯彻交通运输部《关于实施绿色公路建设的指导意见》，以“创新引领、绿色集约”为主线，执行“策划阶段倒序思考、实施阶段正序优化”的总体思路，将“节能降耗、资源节约、环境友好、畅通耐久”的绿色公路建设理念贯穿到沿大别山高速公路鸡公山至商城段的设计、施工、运营管理的全寿命周期，围绕不同实施阶段的绿色目标，开展光伏发电、储能和电动汽车充电一体化系统设计建设，实现项目绿色公路建设总体目标。图1豫南（汤泉池）服务区效果图2豫南服务区光伏发电系统设计2.1设计理念（1）创新引领创新是公路发展的强大驱动力，项目把创新贯穿到公路建设的各环节，打造创新引领的科技之路。针对分布式光伏应用（铺设光伏发电板、充电桩或充电站建设、分布式储能系统）在项目上综合应用面临的一系列问题，通过有针对性的科技攻关、现有科技成果消化吸收再创新以及成熟技术的推广应用，保障施工安全，保证工程质量，提升工程科技创新水平。（2）绿色集约建设绿色公路是时代的呼唤，项目要以加强生态保护、统筹资源利用为重点，打造资源节约、环境友好的绿色之路。项目沿线生态环境敏感，要坚持生态优先、和谐发展的指导方针，强化设计、施工、运营、养护等各阶段的生态环境保护，实现最大限度地保护、最低程度地影响、最有力度地自然恢复，实现公路与生态、社会的健康可持续发展。2.2设计思路利用高速公路服务区（收费站）、客货场站的建筑屋顶、停车棚等空置资源，合理布局分布式光伏发电设施，打造“车棚光伏+屋顶光伏”发电模式；配套建设快速充电桩（站），推广“光储充一体化”智能充电设施，合理匹配用电需求，提升能源利用率，见图2。图2豫南（汤泉池）服务区光伏布设项目区年峰值日照时数约为1460小时，年水平总辐射约4800MJ/m2。设计规模为1000kwp的分布式光伏发电项目，所有电池板阵列安装在建筑屋面，项目服务区、收费站建筑屋面均为朝南向，建筑间隔楼距较大，相互无遮挡，四周较空旷，无高建筑遮挡，当地太阳能资源较为丰富，日照时间长，适合安装太阳能光伏发电站项目。光伏发电是在光生伏特效应的作用下，利用太阳能电池方阵的太阳能电池吸收光能，在太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，太阳能电池一般为硅电池，是能量转换的器件，平均光电转换效率为17%～19.6%。2.3多能源互补系统构想针对服务区多能互补概念薄弱，综合能源系统效率偏低，用能需求多样（包括向社会司乘人员和服务区从业人员提供冬季采暖、夏季制冷、日常供电与热水等基本服务功能），能源需求量巨大，碳排放偏高等系列问题，根据豫南服务区供暖需求的特点，结合地方环保要求，充分考虑资金投入和服务区建设规划，拟在本项目建立多能互补的交直流柔性微电网系统，通过多种能源之间相互补充和梯级利用，提升能源系统的综合利用效率，构成丰富的清洁低碳供能结构体系，实现清洁能源之间的深度融合，服务区各类分布式能源系统进行多能互补、优化调度，打造低碳服务区。通过多能互补实现对太阳能等可再生能源的高效、高比例消纳与转化利用。采用太阳能供电，空气能或地热能供暖（冷），并辅助储热、储电等技术，实现冷热电融合。使用空气能或地热能供暖（冷），可消纳光伏发电，在光伏发电量大时，可利用储热技术进一步消纳电量，光伏发电量不足或夜间时，可使用储热装置放热，从而实现夜间低耗能供热，增强各能源间的联系，进一步提高终端用户的能源利用率，最大限度地促进可再生能源的就地消纳，提高服务区能源系统的能源利用率、经济性与稳定性，减少服务区对外界的能量需求。3服务区分布式光伏发电应用3.1清洁能源循环利用服务区运营有采暖及提供生活热水的需求，需消耗大量能源。采用清洁能源能在保证使用功能的同时，最大程度实现建设过程及运营阶段的节能、降碳。鉴于豫南（汤泉池）服务区具有温泉资源（图3），首次在服务区利用温泉水源热泵技术，充分利用地热能为服务区供暖。冷热源采用螺杆式水源（温泉）热泵机组，冬季从地下水吸取热量，提供40℃～45℃热水；夏季将系统热量释放到水库，提供7℃～12℃冷水，末端采用风机盘管/空调机组+新风系统。图3豫南（汤泉池）服务区原貌光伏发电运行模式是由太阳能电池组件阵列作为吸收因子，在太阳辐射的条件下，将吸收存储的太阳能转换为电能输出，再由并网逆变器逆变成交流电供给服务区用电设备使用，通过连接电网调节多余或不足的电力，完成完整的用电、补给、存储。在服务区建设过程中，可以考虑光伏建筑一体化，把光伏发电系统与建筑物同时设计、同时施工、同时投入使用，如用光伏组件来做建筑物的整个屋面、外墙和玻璃幕墙，在停车场安装太阳能光伏棚，场区照明采用光电互补供能等。3.2光伏发电原理服务区光伏发电系统流程如图4所示。图4服务区光伏发电系统流程3.3豫南服务区减排降碳测算（1）发电量计算公式如式(1)：式中，𝐸p为上网发电量，kW·h；𝐻A为水平面太阳能总辐照量（取峰值小时数），kW·h/m2；A为太阳能组件安装面积；𝑛i为组件转换效率；K为综合效率系数。本研究中，𝐻A暂按郑州所在经纬度取值。转换效率按17%的规范最低值进行计算。综合效率按规范取值0.75～0.85。太阳能光伏板尺寸规格没有固定，考虑安装角度、太阳能板的尺寸、安装契合度等因素，单位面积光伏板年发电量约为180kW·