沿大別山高速湯泉池服務(wù)區(qū)分布式光伏發(fā)電的應(yīng)用

韓江超 王鵬 王記濤

（1.中交一公局集團(tuán)第三工程有限公司，北京 450000；2.河南交投商羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000）

踐行綠色發(fā)展的交通強(qiáng)國是在貫徹“六個(gè)堅(jiān)持，六個(gè)樹立”的公路建設(shè)理念前提下，在循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的基礎(chǔ)上，在低碳、節(jié)能、環(huán)保等新技術(shù)的應(yīng)用上，把安全可靠、綠色智能的公路建設(shè)落到實(shí)處，完成綠色循環(huán)低碳交通運(yùn)輸體系戰(zhàn)略目標(biāo)。服務(wù)區(qū)作為高速公路的動力傳輸站，場地空間面積大，具有較大的循環(huán)低碳中樞潛力，充分發(fā)揮服務(wù)區(qū)的綠色低碳傳輸作用，為公路沿線的節(jié)能低碳提供能量補(bǔ)給，具有至關(guān)重要的作用。

一、沿大別山高速公路湯泉池服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)情況

（一）清潔能源的需求

目前，能源利用大量借助傳統(tǒng)的化石燃料、煤炭開采等高達(dá)近70%，非化石能源僅占約10%，化石能源資源利用與能源轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生了較大的污染，對環(huán)境造成了極大的破壞。在可持續(xù)發(fā)展的前提下進(jìn)行能源革命，改變能源結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境破壞，需要從當(dāng)下的高碳向未來的低碳轉(zhuǎn)變，開發(fā)清潔低碳新能源來保證能源供應(yīng)安全，是解決傳統(tǒng)能源數(shù)量有限、環(huán)境影響大、非化石能源占比低的必要措施。同時(shí)，落實(shí)國家《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命行動方案（2030）》要求，以清潔能源開發(fā)為手段的能源革命也是推動綠色交通發(fā)展的著力點(diǎn)。

（二）服務(wù)區(qū)低碳建設(shè)要求

近年來交通行業(yè)對服務(wù)區(qū)的建設(shè)提出了更高的要求，2014年的《關(guān)于進(jìn)一步提升高速公路服務(wù)區(qū)服務(wù)質(zhì)量的意見》就提出了加強(qiáng)綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)的要求，《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》將“推進(jìn)綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)”列為五大專項(xiàng)行動之一，要求推行服務(wù)區(qū)污水處理、建筑節(jié)能、清潔能源、垃圾處理等新技術(shù)應(yīng)用。

太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的能源，充分利用太陽能對減少節(jié)能降碳有著重要意義。光伏發(fā)電就是利用光伏電池的光伏效應(yīng)將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種可再生、無污染的發(fā)電方式，具有無枯竭危險(xiǎn)；能源質(zhì)量高，安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對干凈（無公害）；不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優(yōu)勢；無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電；建設(shè)周期短，獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)國家能源局發(fā)布的我國太陽能資源分布表，河南屬于太陽能資源較豐富區(qū)域，適宜建設(shè)光伏發(fā)電站。高速服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等場站，位置分散、面積較大的特點(diǎn)，適合設(shè)置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

（三）光伏發(fā)電建設(shè)模式

沿大別山高速公路河南省雞公山至商城段（以下簡稱“項(xiàng)目”）是河南省高速公路“13445”第一批切塊項(xiàng)目，路線全長123.32公里，首次貫通河南、湖北、安徽三省邊界線的交通要道，積極推進(jìn)鄂豫皖大別山區(qū)交通一體化戰(zhàn)略構(gòu)想，對促進(jìn)大別山革命老區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和旅游資源開發(fā)、鞏固大別山區(qū)脫貧攻堅(jiān)成果、實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展等方面具有重要意義。

圖1 湯泉池服務(wù)區(qū)效果圖

項(xiàng)目針對工程特點(diǎn)，全面貫徹交通運(yùn)輸部《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》，以“創(chuàng)新引領(lǐng)、綠色集約”為主線，執(zhí)行“策劃階段倒序思考、實(shí)施階段正序優(yōu)化”的總體思路，將“節(jié)能降耗、資源節(jié)約、環(huán)境友好、暢通耐久”的綠色公路建設(shè)理念貫穿到沿大別山高速公路雞公山至商城段的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營管理的全壽命周期，圍繞不同實(shí)施階段的綠色目標(biāo)，開展光伏發(fā)電、儲能和電動汽車充電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目綠色公路建設(shè)總體目標(biāo)。

二、湯泉池服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)理念

1.創(chuàng)新引領(lǐng)

創(chuàng)新是公路發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動力，項(xiàng)目把創(chuàng)新貫穿到公路建設(shè)的各環(huán)節(jié)，打造創(chuàng)新引領(lǐng)的科技之路。針對分布式光伏應(yīng)用（鋪設(shè)光伏發(fā)電板、充電樁或充電站建設(shè)、分布式儲能系統(tǒng)）在項(xiàng)目上綜合應(yīng)用面臨的一系列問題，通過有針對性的科技攻關(guān)、現(xiàn)有科技成果消化吸收再創(chuàng)新以及成熟技術(shù)的推廣應(yīng)用，保障施工安全，保證工程質(zhì)量，提升工程科技創(chuàng)新水平。

2.綠色集約

建設(shè)綠色公路是時(shí)代的呼喚，項(xiàng)目要以加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)、統(tǒng)籌資源利用為重點(diǎn)，打造資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色之路。項(xiàng)目沿線生態(tài)環(huán)境敏感，要堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、和諧發(fā)展的指導(dǎo)方針，強(qiáng)化設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)等各階段的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)最大限度地保護(hù)、最小程度地影響、最有力度地自然恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)公路與生態(tài)、社會的健康可持續(xù)發(fā)展。

（二）設(shè)計(jì)思路

利用高速公路服務(wù)區(qū)（收費(fèi)站）、客貨場站的建筑屋頂、停車棚等空置資源，合理布局分布式光伏發(fā)電設(shè)施，打造“車棚光伏+屋頂光伏”發(fā)電模式；配套建設(shè)快速充電樁（站），推廣“光儲充一體化”智能充電設(shè)施，合理匹配用電需求，提升能源利用率，如圖2所示。

項(xiàng)目區(qū)年峰值日照時(shí)數(shù)約為1460h，年水平總輻射約4800MJ/m2。設(shè)計(jì)規(guī)模為1000kWp的分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，所有電池板陣列安裝在建筑屋面，項(xiàng)目服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站建筑屋面均為朝南向，建筑間隔樓距較大，相互無遮擋，四周較空曠，無高建筑遮擋，當(dāng)?shù)靥柲苜Y源較為豐富，日照時(shí)間長，適合安裝太陽能光伏電站項(xiàng)目。

光伏發(fā)電是在光生伏特效應(yīng)的作用下，利用太陽能電池方陣的太陽能電池吸收光能，在太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能電池一般為硅電池是能量轉(zhuǎn)換的器件，平均光電轉(zhuǎn)換效率在17%和19.6%之間

（三）多能源互補(bǔ)系統(tǒng)構(gòu)想

針對服務(wù)區(qū)多能互補(bǔ)概念薄弱，綜合能源系統(tǒng)效率偏低，但用能需求多樣，包括向社會司乘人員和服務(wù)區(qū)從業(yè)人員提供冬季采暖、夏季制冷、日常供電與熱水等基本服務(wù)功能，能源需求量巨大，碳排放偏高等系列問題，根據(jù)湯泉池服務(wù)區(qū)供暖需求的特點(diǎn)，結(jié)合地方環(huán)保要求，充分考慮資金投入和服務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)劃，擬在本項(xiàng)目建立多能互補(bǔ)的交直流柔性微電網(wǎng)系統(tǒng)，通過多種能源之間相互補(bǔ)充和梯級利用，提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率，構(gòu)成豐富的清潔、低碳供能結(jié)構(gòu)體系，實(shí)現(xiàn)清潔能源之間的深度融合，服務(wù)區(qū)各類分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行多能互補(bǔ)、優(yōu)化調(diào)度，打造低碳服務(wù)區(qū)。

圖2 湯泉池服務(wù)區(qū)光伏布設(shè)

通過多能互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)對太陽能等可再生能源的高效、高比例消納與轉(zhuǎn)化利用。采用太陽能供電，空氣能或地?zé)崮芄┡ɡ洌?，并輔助儲熱、儲電等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷熱電融合。使用空氣能或地?zé)崮芄┡ɡ洌?，可消納光伏發(fā)電，在光伏發(fā)電量大時(shí)，可利用儲熱技術(shù)進(jìn)一步消納電量，光伏發(fā)電量不足或夜間，可使用儲熱裝置放熱，從而實(shí)現(xiàn)夜間低耗能供熱，增強(qiáng)各能源間的聯(lián)系，進(jìn)一步提高終端用戶的能源利用率，最大程度地促進(jìn)可再生能源的就地消納，提高服務(wù)區(qū)能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性，減少服務(wù)區(qū)對外界的能量需求。

三、服務(wù)區(qū)分布式光伏發(fā)電應(yīng)用

（一）清潔能源循環(huán)利用

服務(wù)區(qū)運(yùn)營有采暖及提供生活熱水的需求，需消耗大量能源。采用清潔能在保證使用功能的同時(shí)，在全壽命周期內(nèi)源循環(huán)利用，最大程度實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程及運(yùn)養(yǎng)階段節(jié)能、降碳。

圖3 湯泉池服務(wù)區(qū)原貌

鑒于湯泉池服務(wù)區(qū)具有溫泉資源，如圖3所示，首次在服務(wù)區(qū)利用溫泉水源熱泵技術(shù)，充分利用地?zé)崮転榉?wù)區(qū)提供取暖能源。冷熱源采用螺桿式水源（溫泉）熱泵機(jī)組，冬季從地下水吸取熱量，冬季提供45/40℃熱水；夏季將系統(tǒng)熱量釋放到水庫，夏季提供7/12℃冷水，末端采用“風(fēng)機(jī)盤管/空調(diào)機(jī)組+新風(fēng)系統(tǒng)”，如圖4所示。

圖4 水源(溫泉)熱泵設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電運(yùn)行模式是由太陽能電池組件陣列作為吸收因子，在太陽輻射的條件下，將吸收存儲的太陽能轉(zhuǎn)換為輸出的電能，再由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給服務(wù)區(qū)用電設(shè)備使用，通過連接電網(wǎng)調(diào)節(jié)多余或不足的電力，完成完整的用電、補(bǔ)給、存儲。在服務(wù)區(qū)建設(shè)過程中，可以考慮光伏建筑一體化，把光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入使用，如用光伏組件來做建筑物的整個(gè)屋面、外墻和玻璃幕墻，在停車場安裝太陽能光伏棚，場區(qū)照明采用光電互補(bǔ)供能等。

（二）湯泉池服務(wù)區(qū)減排降碳測算

1.發(fā)電量計(jì)算

發(fā)電量計(jì)算公式：Ep=HA×A×ni×K

其中，Ep—上網(wǎng)發(fā)電量（kwh）

HA—水平面太陽能總輻照量（kW·h/m2，峰值小時(shí)數(shù)）

A—太陽能組件安裝面積

ni—組件轉(zhuǎn)換效率

K—綜合效率系數(shù)

其中，H A 暫按鄭州所在經(jīng)緯度取值。轉(zhuǎn)換效率按17%的規(guī)范最低值進(jìn)行計(jì)算。綜合效率按規(guī)范取值0.75～0.85。太陽能光伏板尺寸規(guī)格沒有固定，考慮安裝角度、太陽能板的尺寸安裝契合度等因素，單位面積光伏板年發(fā)電量約為180kWh/m2，單位場地面積年發(fā)電量可按150kWh/m2。

圖5 服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)流程

2.減排量及節(jié)約量計(jì)算

1kWh的光伏發(fā)電的CO2減排量是不固定的，電網(wǎng)新能源占比越高，CO2的減排值越低。相應(yīng)的減排數(shù)量如表1所示，湯泉池服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置后的碳排放減少量及能源節(jié)約量如表2所示。

表1 減排因子為單位值時(shí)減排數(shù)量

表2 湯泉池服務(wù)區(qū)碳排放量及能源節(jié)約量

四、結(jié)語

《增長的極限》一書得出結(jié)論：人類足跡己經(jīng)對自然環(huán)境產(chǎn)生過度影響，生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力己經(jīng)難以為繼，若現(xiàn)有的人口增長率和資源消耗率保持不變，地球的承載能力將要達(dá)到極限，呼吁能源節(jié)約從極限增長向可持續(xù)增長轉(zhuǎn)變。

因此，作為交通運(yùn)輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點(diǎn)工程示范項(xiàng)目，在湯泉池服務(wù)區(qū)及項(xiàng)目沿線各場站利用自身有利條件設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過調(diào)整能源結(jié)構(gòu)來改善生態(tài)平衡與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾關(guān)系，響應(yīng)了國家大力發(fā)展新能源的號召，充分利用了服務(wù)區(qū)的場地資源，堅(jiān)持節(jié)約用能，將節(jié)約能源作為降碳的首要途徑，提升傳統(tǒng)能源利用效率，提高清潔能源占比，能夠有效降低傳統(tǒng)化石能源的損耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為踐行綠色公路理念提供技術(shù)支撐，建設(shè)成為“節(jié)能降耗、資源節(jié)約、環(huán)境友好、暢通耐久”的高速公路，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展和較大的社會效益，與此同時(shí)，每年還可以節(jié)約電費(fèi)支出，為建設(shè)節(jié)約型社會添磚加瓦。