交能融合背景下廣西高速公路服務(wù)區(qū)分布式光伏方案研究

摘要：文章以廣西G72泉南高速公路桂林至南寧段的服務(wù)區(qū)為例，統(tǒng)計(jì)高速公路沿線服務(wù)區(qū)建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本建設(shè)方案及收益，制定滿(mǎn)足高速公路服務(wù)區(qū)分布式光伏微網(wǎng)方案，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電自用、就地利用、余量上網(wǎng)，既能滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)日常用電和充電樁用電的需求，又能推進(jìn)和打造綠色低碳化高速公路服務(wù)區(qū)。在廣西高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)分布式光伏具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，可以在廣西高速公路項(xiàng)目沿線設(shè)施的推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：分布式光伏發(fā)電；高速服務(wù)區(qū)；方案設(shè)計(jì)；光伏組件

U491.8A531694

0 引言

2022-09-10，廣西壯族自治區(qū)多部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)區(qū)直國(guó)有企業(yè)綠色發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，明確提出促進(jìn)交通與新能源產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展。推動(dòng)高速公路、航道、樞紐場(chǎng)站、港口、鐵路和機(jī)場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，利用光伏、風(fēng)力、地?zé)岬瓤稍偕茉撮_(kāi)發(fā)分布式發(fā)電與儲(chǔ)能項(xiàng)目，分區(qū)域構(gòu)建綜合交通樞紐場(chǎng)站“分布式光伏+儲(chǔ)能+微電網(wǎng)”的交通能源系統(tǒng)，促進(jìn)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與智能電網(wǎng)融合?！敖煌ㄟ\(yùn)輸+綠色能源”融合發(fā)展為高速公路綠色低碳轉(zhuǎn)型提供了良好思路［1］，且重點(diǎn)考慮在高速公路服務(wù)區(qū)中的利用，例如許雪記的江蘇省高速公路站區(qū)光伏能源綜合利用研究就闡述了江蘇高速站區(qū)光能源的利用［2］。

本文以廣西壯族自治區(qū)部分高速公路服務(wù)區(qū)為例，統(tǒng)計(jì)高速公路沿線服務(wù)區(qū)建設(shè)分布式光伏的基本建設(shè)方案及收益，制定滿(mǎn)足高速公路服務(wù)區(qū)分布式光伏微網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自用、就地利用、余量上網(wǎng)［3］，既能滿(mǎn)足服務(wù)區(qū)日常用電和充電樁用電的需求，又能推進(jìn)和打造綠色低碳化高速公路服務(wù)區(qū)，建設(shè)一種新形式的高速公路服務(wù)區(qū)［4］，以積極響應(yīng)《廣西綜合交通運(yùn)輸發(fā)展“十四五”規(guī)劃》明確的綠色交通發(fā)展要求，為交能融合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定夯實(shí)基礎(chǔ)，助力推動(dòng)交通領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展和資源高效利用轉(zhuǎn)型發(fā)展，充分發(fā)揮廣西發(fā)展交能融合項(xiàng)目的示范引領(lǐng)作用。

1 項(xiàng)目基本情況

以廣西桂林到南寧段高速公路為例，該段高速公路為G72泉南高速桂林至南寧段，全長(zhǎng)約350 km。該段高速公路共設(shè)置有服務(wù)區(qū)八對(duì)，分別為：桂林服務(wù)區(qū)、永福服務(wù)區(qū)、波寨服務(wù)區(qū)、鹿寨服務(wù)區(qū)、新興服務(wù)區(qū)、來(lái)賓服務(wù)區(qū)、賓陽(yáng)服務(wù)區(qū)、伶俐服務(wù)區(qū)。由于來(lái)賓服務(wù)區(qū)廠址現(xiàn)階段不適合建設(shè)分布式光伏項(xiàng)目，因此僅統(tǒng)計(jì)除來(lái)賓服務(wù)區(qū)外另外七對(duì)服務(wù)區(qū)。

2 服務(wù)區(qū)分布式光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)將太陽(yáng)能電池組件，由一定數(shù)量串聯(lián)成一串以達(dá)到逆變器額定輸入電壓，再將若干組串并聯(lián)達(dá)到系統(tǒng)預(yù)定的額定功率。每個(gè)光伏發(fā)電陣列由包括太陽(yáng)能電池組件、逆變器和配電裝置構(gòu)成。若干個(gè)光伏陣列通過(guò)導(dǎo)線的連接共同組成一座光伏電站。

2.1 服務(wù)區(qū)光資源分析

由于站址所在地?zé)o多年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，需通過(guò)光伏系統(tǒng)PVsyst軟件分別建立NASA、Meteonorm、Solargis數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)址太陽(yáng)能資源進(jìn)行模擬測(cè)算，詳見(jiàn)表1。

參考?xì)庀笳灸蠈幷镜亩嗄陮?shí)測(cè)平均光輻射數(shù)據(jù)為4 593 MJ/m2，南寧站的NASA、Meteonorm、SolarGIS分別為4 934.8 MJ/m2、4 424.3 MJ/m2、4 665.6 MJ/m2，可見(jiàn)SolarGIS數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與南寧站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最為接近。同時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，SolarGIS太陽(yáng)能數(shù)據(jù)更接近實(shí)際廠址太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，因此太陽(yáng)總輻射量按照SolarGIS數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)推算，后續(xù)發(fā)電總量的計(jì)算也是基于SolarGIS數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)測(cè)算。

2.2 光伏組件的選擇

目前市面上工商業(yè)用光伏板主要采用高效單晶光伏組件，對(duì)單晶硅光伏組件而言現(xiàn)階段主要有P型和N型的區(qū)分。

其中P型為PERC高效單晶組件，具備較低的組件衰減率，首年衰減為2%，組件經(jīng)年衰減為0.55%。技術(shù)成熟，已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年來(lái)市場(chǎng)大規(guī)模驗(yàn)證十分可靠，目前市場(chǎng)占比超過(guò)60%，為市場(chǎng)上主流板件，單價(jià)較低。

N型根據(jù)技術(shù)路線不同，可分為T(mén)OPCon、HPBC、XBC、HJT和HPDC等新型電池等高效技術(shù)。N型技術(shù)推動(dòng)著組件功率密度、效率逐漸增大。此外，組件之間的接線減少，可以減少直流線損。這一技術(shù)進(jìn)步間接造成同等規(guī)模光伏電站的設(shè)備價(jià)格降低，安裝工程量、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用減少，建設(shè)投資得到有效控制。首年衰減為1%，組件經(jīng)年衰減為0.45%.具有更優(yōu)良的衰減率和轉(zhuǎn)換率。N型是目前主流光伏廠家正在嘗試升級(jí)的主要技術(shù)路線。

N型組件對(duì)比P型組件雖然單價(jià)較高，但整體在度電成本上有一定優(yōu)勢(shì)，轉(zhuǎn)換效率更高，加上N型的衰減率更小，且N型組件在溫度系數(shù)、背面增益等方面明顯優(yōu)于P型組件。因此，在地面光伏系統(tǒng)中，N型組件，尤其是N型雙玻組件是具有較好的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)前景。

因此本次測(cè)算采用單片620 Wp的N型雙玻組件。

2.3 逆變器的選擇

并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，必須要選擇性能可靠，效率高的設(shè)備。

常見(jiàn)的光伏逆變器結(jié)構(gòu)大體分為：組串式逆變器、集中式逆變器、微型逆變器、集散式逆變器。其中微型逆變器適不適用于本項(xiàng)目，暫不考慮。針對(duì)其余三種逆變器類(lèi)型，進(jìn)行了比選，詳見(jiàn)表2。

本項(xiàng)目為高速服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)，規(guī)模較光伏集中電站較小，且發(fā)電單元分散不集中，集中式逆變器不適合。綜合考慮后，本次測(cè)算采用組串式逆變器。

2.4 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮大車(chē)泊車(chē)安全及光伏陣列架設(shè)安全，故擬在服務(wù)區(qū)現(xiàn)狀樓棟及小車(chē)停車(chē)場(chǎng)上架設(shè)光伏陣列。光伏停車(chē)棚能為司乘游客避免日曬雨淋的空間，給停車(chē)棚多加了一層“隔熱層”。同時(shí)光伏停車(chē)棚外觀極具科技感，又切合環(huán)保主題，是當(dāng)下新興的交能融合方向的極佳展示平臺(tái)。

由于光伏組件和并網(wǎng)逆變器都是可根據(jù)功率、電壓、電流參數(shù)相對(duì)靈活組合的設(shè)備，本項(xiàng)目采用模塊化設(shè)計(jì)、安裝施工，根據(jù)前面選定620 Wp單晶硅組件及組串式逆變器，本項(xiàng)目子陣的排布方案如下：

每20/19/18塊為一個(gè)組串，每8/9個(gè)組串接到一臺(tái)110 kW組串式逆變器。多臺(tái)逆變器擬直接接入配電房380 V側(cè)新設(shè)置的并網(wǎng)柜內(nèi)。

具體裝機(jī)容量及方案詳見(jiàn)表3。

2.5 發(fā)電量估算

進(jìn)行發(fā)電量的估算首先要算出并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率由光伏陣列的效率、逆變器的效率、交流并網(wǎng)效率三部分組成。

其中光伏陣列效率η1綜合遮擋損耗、直流線纜損耗等各項(xiàng)以上各因素后，取組件η1=91.04%；逆變器的轉(zhuǎn)換效率η2綜合逆變器轉(zhuǎn)換的損失、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）精度損失等各項(xiàng)以上各因素后，取η2=96.92％；交流并網(wǎng)效率η3綜合電網(wǎng)的傳輸效率和線路損耗等各項(xiàng)以上各因素后取η3=94.11%。

綜上，本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)的總效率等于上述各部分效率的乘積，即：

η＝η1×η2×η3=91.04%×96.92％×94.11％=83.03%

根據(jù)組件設(shè)計(jì)，結(jié)合項(xiàng)目地區(qū)每月日均太陽(yáng)輻射量數(shù)據(jù)（基于SolarGIS數(shù)據(jù)，以最佳傾角輻照量進(jìn)行計(jì)算），每月實(shí)際天數(shù)以及轉(zhuǎn)換效率，依次可以得出每個(gè)月的發(fā)電量。每月供電量累加即為年發(fā)電量。組件首年衰減率為1%，逐年衰減率為0.4%。

基于上述數(shù)據(jù)，本次測(cè)算共計(jì)七對(duì)服務(wù)區(qū)，總裝機(jī)容量為17.998 MWp?？偸啄臧l(fā)電量為1 831.093×104 kW·h，折算首年綜合利用小時(shí)數(shù)為1 017.39 h；25年年平均發(fā)電量約為1 742.313×104 kW·h，折算25年年平均綜合利用小時(shí)數(shù)為968.13 h，25年總發(fā)電量為43 557.83×104 kW·h。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)及充電樁系統(tǒng)

儲(chǔ)能是新能源微網(wǎng)中的一個(gè)重要組成部分，能夠起到提高新能源消納水平的作用。儲(chǔ)能系統(tǒng)一方面可以將白天富裕的光伏發(fā)電儲(chǔ)存后，待到晚上繼續(xù)使用；另一方面還可以在電價(jià)谷期充電，峰期放電，實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)利益最大化［5］，同時(shí)能支撐服務(wù)區(qū)晚間用電需求，建設(shè)零碳服務(wù)區(qū)。

但是，由于目前儲(chǔ)能系統(tǒng)的單價(jià)仍然較高，且服務(wù)區(qū)電費(fèi)電價(jià)的峰谷不明顯，使得在服務(wù)區(qū)建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益不是很高。通過(guò)測(cè)算，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量按照光伏發(fā)電容量的10%，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)2 h建設(shè)，將會(huì)延長(zhǎng)項(xiàng)目投資回收期約2年。因此從經(jīng)濟(jì)性考慮，暫不建設(shè)儲(chǔ)能設(shè)施，僅預(yù)留儲(chǔ)能接口。

近幾年國(guó)家大力推行新能源電動(dòng)車(chē)，尤其是近兩年，隨著國(guó)產(chǎn)新能源自主品牌的崛起，新能源電動(dòng)車(chē)的保有量和滲透率呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。到2023年年底，新車(chē)銷(xiāo)售的新能源電動(dòng)車(chē)滲透率已經(jīng)幾乎達(dá)到了40%?？梢灶A(yù)見(jiàn)，到了2024年，新能源電動(dòng)車(chē)滲透率將很快達(dá)到50%，也達(dá)到一個(gè)歷史拐點(diǎn)。

因此，高速公路服務(wù)區(qū)充電樁建設(shè)對(duì)吸引新能源汽車(chē)上高速公路，解決新能源車(chē)主高速公路充電的后顧之憂(yōu)，促進(jìn)新能源汽車(chē)推廣使用起到積極作用［6］。以伶俐服務(wù)區(qū)為例，圖1為伶俐服務(wù)區(qū)逐月用電量曲線圖。由圖1可知，2022年1月充電樁還未投入使用，即隨著2022年年底疫情結(jié)束后，服務(wù)區(qū)用電量整體呈現(xiàn)回暖的趨勢(shì)，以7月、8月暑假高峰期用電量為高峰值，整體呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。尤其是充電樁用電更是在常規(guī)用電渡過(guò)暑期高峰期呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的情況下，依舊保持增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。可以預(yù)見(jiàn)，充電樁用電量在服務(wù)區(qū)用電量的比重將會(huì)越來(lái)越高。

4 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

以伶俐、賓陽(yáng)、新興、鹿寨四對(duì)服務(wù)區(qū)為例，服務(wù)區(qū)內(nèi)白天用電比例約占總用用電量的50%。統(tǒng)計(jì)服務(wù)區(qū)用電量與建設(shè)分布式光伏的發(fā)電量的數(shù)據(jù)可得到表4的服務(wù)區(qū)首年發(fā)電量與服務(wù)區(qū)2023年用電量的電度數(shù)據(jù)。

建成后首年，伶俐服務(wù)區(qū)、賓陽(yáng)服務(wù)區(qū)、新興服務(wù)區(qū)、鹿寨服務(wù)區(qū)預(yù)計(jì)用光伏電量應(yīng)該分別為166.00×104 kW·h、110.35×104 kW·h、110.11×104 kW·h、80.27×104 kW·h，分別占光伏發(fā)電量的68%、31%，32%，41%?？紤]到光伏建成后發(fā)電量逐年衰減，服務(wù)區(qū)用電量，尤其是充電樁用電量會(huì)呈逐年遞增的態(tài)勢(shì)，因此本項(xiàng)目光伏發(fā)電用電量暫時(shí)按照55%自用，45%上網(wǎng)估算。

自用部分占總發(fā)電量的55%考慮，上網(wǎng)部分占總發(fā)電量的45%考慮，根據(jù)服務(wù)區(qū)年度用電量及費(fèi)用可得出服務(wù)區(qū)全年平均用電電價(jià)為0.75元/kW·h，上網(wǎng)部分電價(jià)根據(jù)政策為0.420 7元/kW·h。

綜上，可算出本項(xiàng)目綜合電價(jià)為：0.75×55%+0.420 7×45%=0.601 81元/kW·h。

根據(jù)測(cè)算，服務(wù)區(qū)光伏建設(shè)成本靜態(tài)單位投資為3 486.17元/kW/Wp，動(dòng)態(tài)單位投資為3 546.13元/kW/Wp。資金來(lái)源按注冊(cè)資本金占總投資的20%，其余80%為貸款融資。貸款利息按市場(chǎng)貸款年利率4.3%計(jì)算。

工程概算靜態(tài)投資為6 274.07萬(wàn)元，動(dòng)態(tài)投資為6 381.98萬(wàn)元。按上網(wǎng)電價(jià)0.601 81元/kW·h（含稅）下測(cè)算項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（所得稅前）為11.61%，項(xiàng)目投資回收期（所得稅前）為8.7年；項(xiàng)目投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率（所得稅后）為10.24%，項(xiàng)目投資回收期（所得稅后）為9.27年；資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為23.78%，總投資收益率（ROI）為7.35%，項(xiàng)目資本金凈利潤(rùn)率（ROE）為24.61%，具備較好的經(jīng)濟(jì)性，該項(xiàng)目財(cái)務(wù)上是可行的。

5 結(jié)語(yǔ)

交通和能源均為國(guó)家重要的支柱性行業(yè)，在“碳達(dá)峰，碳中和”的時(shí)代背景之下，高速服務(wù)區(qū)分布式光伏微網(wǎng)方案既能滿(mǎn)足綠色低碳的能源要求，又能滿(mǎn)足高速公路服務(wù)區(qū)項(xiàng)目的完善需求。

本文以廣西G72泉南高速公路桂林至南寧段的服務(wù)區(qū)為例，介紹了服務(wù)區(qū)內(nèi)建設(shè)分布式光伏發(fā)電的方案及經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，為推進(jìn)廣西高速公路交能融合的發(fā)展，提供了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)新建的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的測(cè)算及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，結(jié)果可以表明：在廣西高速公路服務(wù)區(qū)建設(shè)分布式光伏具有較好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，可以考慮和推廣分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在廣西高速公路項(xiàng)目沿線設(shè)施的推廣和應(yīng)用。

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