江蘇省高速公路站區(qū)光伏能源綜合利用研究

許雪記，徐文文,*，殷承啟，曹亞麗，字素平

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014；2.江蘇省交通運輸環(huán)境保護工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京210014)

0 引言

江蘇省高速公路是中國華東地區(qū)重要的交通樞紐。截至2016年底，全省高速公路里程4 539 km，其中屬于江蘇交通控股公司投資管理的高速公路里程近4 000 km，占比87%；江蘇省高速公路密度已居全國各省區(qū)之首，首輪規(guī)劃的“四縱四橫四聯(lián)”高速公路網(wǎng)絡主骨架全面建成，且已基本建成“五縱九橫五聯(lián)”的高速公路路網(wǎng)布局[1]。此外，江蘇省高速公路沿線站區(qū)服務設施數(shù)量多，經(jīng)統(tǒng)計共有服務區(qū)88對，收費站396處，平均每個服務區(qū)面積60～80畝，利用高速公路服務區(qū)、收費站、辦公樓屋面資源建設光伏發(fā)電系統(tǒng)為新能源的發(fā)展提供了廣闊的應用空間[2]。

另一方面，江蘇省全年日照時數(shù)(絕對日照)平均為1 300～1 450 h，空間分布上，江蘇省全年日照時數(shù)(絕對日照)表現(xiàn)為由南向北遞增的趨勢，時間分布上，全省各地日照時數(shù)均以夏季最多，冬季最少，各占全年的29.0%～32.8%、20.1%～21.3%，蘇北地區(qū)春季多于秋季，蘇南地區(qū)秋季多于春季。全省全年太陽天文輻射總量4 600～5 440 MJ/(m2·a)[3]，空間上表現(xiàn)為由南向北遞增、西部地區(qū)小于東部地區(qū)的分布特征，時間上呈現(xiàn)夏季>春季>秋季>冬季的分布特征?？傮w而言，江蘇省太陽能資源豐富度屬于我國第三類太陽能資源區(qū)域，適合建設光伏發(fā)電項目，且由南向北太陽能資源豐富度處于遞增趨勢[4]。

考慮到江蘇省的高密度高速公路路網(wǎng)及站區(qū)附屬設施，利用我省高速公路沿線站區(qū)資源建設光伏發(fā)電項目顯得尤為必要，既能實現(xiàn)社會經(jīng)濟效益，又能提升高速公路整體環(huán)境品質(zhì)[5]，有利于打造“綠色、低碳、環(huán)保、節(jié)能”的江蘇高速公路新形象，也有利于引導社會樹立綠色發(fā)展理念[6]。在了解江蘇省高速公路沿線服務區(qū)、收費站、辦公樓屋面面積以及服務區(qū)停車場面積的基礎上，估算可利用屋面面積和可進行光伏車棚改造的服務區(qū)停車場面積，確定光伏屋面和光伏車棚的裝機規(guī)模和發(fā)電量，并結(jié)合高速公路用電情況分析其運行方式。

1 站區(qū)光伏能源利用研究方法

1.1 裝機規(guī)模的確定方法

在確定光伏屋面和光伏車棚裝機規(guī)模時，首先通過現(xiàn)場調(diào)研結(jié)合問卷調(diào)查的方式確定屋面和車棚可利用面積。

通過選擇京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速四條典型高速公路開展江蘇聲高速公路典型服務區(qū)和收費站進行可利用面積分析。此外通過向江蘇省各路公司發(fā)放站區(qū)調(diào)研問卷，調(diào)查表主要包括用電情況調(diào)查和屋頂信息調(diào)查兩大項內(nèi)容，用電情況調(diào)查包括2016年和2017年用電量以及電費的調(diào)查，配電房部分的調(diào)查，白天用電情況調(diào)查；屋頂信息調(diào)查包括站區(qū)屋頂總面積、其中平頂?shù)拿娣e、坡頂?shù)拿娣e和坡頂?shù)钠露缺鹊雀鶕?jù)可利用面積占屋面總面積的比例，估算江蘇省高速公路站區(qū)可利用屋面面積。

確定可利用車棚面積時，選擇確定可利用的車棚類型，通過選擇典型站區(qū)分析可利用車棚面積，再根據(jù)可利用車棚面積占站區(qū)總面積的比例，估算江蘇省高速公路站區(qū)可利用車棚面積。確定光伏屋面和光伏車棚可利用面積后，根據(jù)光伏企業(yè)通過軟件模擬及實際項目案例提供的單位面積安裝量確定裝機規(guī)模。

1.2 發(fā)電量計算方法

采用標準小時數(shù)法計算高速公路光伏屋面首年發(fā)電量，且采用綜合估算、分屋面類型估算兩種方法進行測算。綜合比較分析后，確定江蘇省高速公路光伏屋面首年發(fā)電量。根據(jù)首年發(fā)電量，計算25年合計發(fā)電量。

標準小時數(shù)計算法是根據(jù)系統(tǒng)安裝容量和標準日照小時數(shù)進行計算的方法[7]。光伏電站發(fā)電量根據(jù)下式計算：

EP=P×H×K

式中，P為光伏電站系統(tǒng)安裝容量，kWp；

H為光伏電站廠址所在地標準小時數(shù)，單位為h；

K為綜合效率系數(shù)，一般取75%～85%。

根據(jù)規(guī)定，光伏組件首年衰減不得超過2%，以后每年的衰減不得高于1%，25年不得高于20%(遞進衰減)；根據(jù)光伏企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，光伏組件一般年均衰減小于0.5%。本報告估算25年內(nèi)逐年發(fā)電量時，采取保守態(tài)度，首年衰減值取1%，以后每年的衰減值取0.6%，年發(fā)電量估算公式如下：第N年發(fā)電量=初始年發(fā)電量×(1-N×組件衰減率)。利用此公式計算逐年發(fā)電量，然后匯總計算25年發(fā)電量[8]。

2 高速公路站區(qū)光伏屋面研究

2.1 江蘇省高速公路光伏屋面總裝機量

通過根據(jù)京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速4條高速公路的分析結(jié)果，估算回收調(diào)查表中站區(qū)的屋面裝機容量。在有效回收的高速公路光伏能源利用調(diào)查表中，共有服務區(qū)79對，收費站274個，總計屋頂面積約有60.4萬m2，其中平屋頂面積為18.7萬m2，坡屋頂總面積為44.5 m2，可利用屋頂總面積為26萬m2，占比為43.0%，可利用平屋頂面積為11.2萬m2，占比為18.4%，可利用坡屋頂面積為14.9萬m2，占比為24.5%。

江蘇省高速公路共計服務區(qū)88對，收費站396個。據(jù)此估算出江蘇省所有服務區(qū)和收費站共計屋頂面積約83萬m2，可進行光伏能源利用的面積占比按43%計算，則約有35萬m2的屋面可進行光伏建設。其中，平屋面可利用面積為15萬m2，坡屋面可利用面積為20萬m2；按照光伏企業(yè)給出的屋面單位面積裝機量，平屋面每平方米裝機容量約80 W，坡屋面每平方米裝機容量約100 W，計算得江蘇省高速公路服務區(qū)和收費站屋面共計可安裝光伏發(fā)電裝機容量為32 MW。

2.2 江蘇省高速公路光伏屋面發(fā)電量測算

① 綜合估算光伏發(fā)電量

采用標準小時數(shù)法計算時，綜合效率系數(shù)取值不隨屋面類型變化，為綜合平均值，一般取75%～85%。由于有很多坡屋面方位角和傾角沒法調(diào)整至最佳，考慮其發(fā)電效率較低，綜合效率取值比一般電站水平的最低值75%稍小，取70%；江蘇省平均日峰值日照時間為3.93 h；光伏屋面裝機量為32 MW。計算得光伏屋面的首年發(fā)電量為3 213萬kWh。

② 坡屋面光伏發(fā)電量測算

根據(jù)京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速四條高速各類型屋面型式的統(tǒng)計分析，總結(jié)可利用面積中不同方位角坡屋面所占比例，具體見表1。

表1 可利用坡屋面中不同方位角屋面所占比例

注：向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度(下同)

由前期計算結(jié)果可知，可利用坡屋面總面積為20萬m2，可利用平屋面總面積為15萬m2。根據(jù)表1中的計算結(jié)果，推求全省高速公路可利用坡屋面中不同方位角的屋面面積，并計算各方位角坡屋面的裝機容量，具體計算結(jié)果見表2。

表2 全省高速公路站區(qū)不同方位角坡屋面面積及裝機量

根據(jù)各方位角坡屋面的裝機容量，考慮不同方位角屋面的太陽能利用效率，采用標準小時數(shù)法計算不同方位角坡屋面的發(fā)電量，具體計算結(jié)果見表3，江蘇省高速公路服務區(qū)和收費站坡屋面光伏系統(tǒng)首年發(fā)電量為1 861萬kWh。

表3 全省高速公路站區(qū)不同方位角坡屋面光伏發(fā)電量

③ 平屋面光伏發(fā)電量計算

由于平屋面光伏組件安裝傾角和方位角均可調(diào)節(jié)至最佳位置，其發(fā)電效率較坡屋面光伏系統(tǒng)高，計算時綜合效率系數(shù)可取稍大值，采用光伏企業(yè)技術(shù)人員提供的建議值78%；江蘇省平均日峰值日照時間取3.93 h；平屋面裝機量為12 MW。計算得全省平屋面光伏首年發(fā)電量為1 343萬kWh。

④ 站區(qū)光伏屋面總發(fā)電量

根據(jù)上文，江蘇省高速公路站區(qū)坡屋面與平屋面的光伏發(fā)電量為：1 861萬kWh+1 343萬kWh=3 204萬kWh。

比較分析綜合估算值和分屋面類型估算值可知，兩種估算結(jié)果差別很小，因此江蘇省高速公路光伏屋面首年發(fā)電量取3 200萬kWh。

根據(jù)前文所述計算方法，計算得江蘇省高速公路光伏屋面25年發(fā)電量如表4，全省高速公路光伏屋面25年發(fā)電總量約7.3億kWh。

表4 江蘇省高速公路光伏屋面25年發(fā)電量 萬kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合計發(fā)電量15 57515 02114 55114 08013 61072 837

3 高速公路服務區(qū)光伏車棚研究

3.1 光伏車棚利用方案的建議

① 可進行光伏能源利用的停車場確定

服務區(qū)停車場分為小型車位和大型車位，其中小型車位光伏車棚所需凈空僅2.2 m左右，方便實施，經(jīng)濟回報率較高，改造難度較低；大型車位光伏車棚所需凈空不低于4 m(有部分超高貨車)，車棚結(jié)構(gòu)投資成本約小車車棚的2倍，經(jīng)濟回報率較低，改造難度大，因此建議車棚光伏化只針對小型車停車場[9]。

收費站停車場主要用于站區(qū)工作人員內(nèi)部車輛的停放，停車場面積很小，而且周圍有收費站辦公樓等其他建筑和綠化樹木的遮擋，不建議進行光伏車棚改造。

綜上，站區(qū)光伏車棚改造，僅選擇高速公路服務區(qū)小型車停車場進行。

② 光伏車棚改造形式分析

目前，常用的車棚形式根據(jù)立柱設置情況，可分為單立柱和雙立柱兩種形式。為了減少對停車的影響，光伏車棚的立柱應盡可能減少，因此推薦采用單立柱形式。

3.2 光伏車棚裝機容量估算

通過對江蘇省各路公司服務區(qū)的平面布置進行了調(diào)研，本研究基于現(xiàn)有調(diào)研結(jié)果選擇資料較為齊全的沿江高速、寧常高速、沿海高速、寧靖鹽高速等高速的9個服務區(qū)，分析了小車位面積及服務區(qū)總面積情況，分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5。表5中選取的4條高速公路在全省高速公路中具有較強的代表性，且沿線服務區(qū)覆蓋蘇南、蘇中、蘇北。因此，本報告利用表中統(tǒng)計的小型停車場面積占服務區(qū)總面積的平均比例2.58%，估算江蘇省高速公路服務區(qū)小型車停車場的面積。

江蘇省高速公路沿線共有服務區(qū)88對，平均每個服務區(qū)面積60～80畝。因此，江蘇省高速公路服務區(qū)總面積大約為88×70畝=4 106 669 m2，即約411萬m2。小型車停車位面積按照服務區(qū)總面積的2.58%估算，則江蘇省高速公路服務區(qū)共計約11萬m2的小型車停車場可進行光伏車棚改造，即光伏車棚可安裝光伏組件的面積為11萬m2。

光伏車棚光伏組件的安裝形式與站區(qū)坡屋面光伏組件安裝形式相似，光伏組件的安裝傾角和方位角不可隨意調(diào)整，需根據(jù)車棚的設計方位角和傾角直接滿鋪安裝。采用光伏企業(yè)提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，平均每平方米安裝裝機容量按100 W估算，則江蘇省高速公路光伏車棚共計可以安裝光伏發(fā)電裝機容量約11 MW。

表5 部分服務區(qū)小型車停車場面積占服務區(qū)總面積的比例

3.3 光伏車棚發(fā)電量估算

① 光伏車棚首年發(fā)電量估算

江蘇省的平均日峰值日照時間取3.93 h，光伏車棚的發(fā)電效率與光伏屋面相似，由于存在少部分陰影遮擋以及方位角和傾角不易調(diào)整等因素，發(fā)電效率較常規(guī)地面電站的發(fā)電效率低，光伏車棚綜合效率系數(shù)取70%。計算得江蘇省高速公路服務區(qū)光伏車棚首年發(fā)電量為1 105萬kWh。

本報告取江蘇省高速公路服務區(qū)光伏車棚首年發(fā)電量為1 100萬kWh。

② 光伏車棚25年發(fā)電量估算

根據(jù)前文計算方法，計算光伏車棚25年發(fā)電量，結(jié)果見表6，江蘇省高速公路光伏車棚25年發(fā)電總量約2.5億kWh。

表6 江蘇省高速公路光伏車棚25年發(fā)電量 萬kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合計發(fā)電量5 3545 1645 0014 8414 67925 039

4 站區(qū)光伏發(fā)電運行模式分析

目前，我國分布式光伏發(fā)電分為“自發(fā)自用”、“自發(fā)自用，余量上網(wǎng)”及“全額上網(wǎng)”三種運行模式[10]。

站區(qū)光伏能源利用即站區(qū)光伏屋面和光伏車棚，位于高速公路服務區(qū)及收費站內(nèi)，就并網(wǎng)條件來講完全有條件接入站區(qū)，自發(fā)自用，但需要考慮站區(qū)對所發(fā)電能的具體消納能力。

根據(jù)調(diào)研，高速公路站區(qū)晝間用電量約占高速公路總用電量的一半，約8 500萬kWh，而站區(qū)光伏首年發(fā)電量約4 300萬kWh，僅為站區(qū)晝間用電量的50%，從整個高速公路系統(tǒng)來分析，站區(qū)光伏發(fā)電量可以被站區(qū)完全消納?？紤]到高速公路各站區(qū)用電量存在差異，如要詳細分析站區(qū)光伏發(fā)電自發(fā)自用的可行性，需具體分析每個站區(qū)的具體用電量及發(fā)電量，由于研究范圍覆蓋整個高速公路系統(tǒng)，隨機抽取典型服務區(qū)和收費站進行自發(fā)自用可行性分析。隨機選取的4條高速公路在全省高速公路中具有較強的代表性，且沿線站區(qū)覆蓋蘇南、蘇中、蘇北，在選擇站區(qū)時還兼顧了用電量較大和較小的站區(qū)。

經(jīng)過抽樣分析發(fā)現(xiàn)，高速公路站區(qū)光伏系統(tǒng)所發(fā)電量均小于其晝間用電量，站區(qū)光伏發(fā)電可以完全以“自發(fā)自用”模式運行。

表7 站區(qū)光伏自發(fā)自用可行性分析

5 結(jié)論

① 江蘇省高速公路服務區(qū)和收費站屋面共計可安裝光伏發(fā)電裝機容量為32 MW，首年發(fā)電量為3 200萬kWh，全省高速公路光伏屋面25年發(fā)電總量約7.3億kWh；江蘇省高速公路光伏車棚共計可以安裝光伏發(fā)電裝機容量約11 MW，江蘇省高速公路光伏車棚25年發(fā)電總量約2.5億kWh。

② 高速公路站區(qū)光伏系統(tǒng)所發(fā)電量均小于其晝間用電量，站區(qū)光伏發(fā)電可以完全以“自發(fā)自用”模式運行。