光伏發(fā)電供電系統(tǒng)在延子高速公路中、短隧道中的應(yīng)用

薛軍秀,朱文強(qiáng),吳曉明,張 偉,郭 亮,韓銘濤

(陜西交通控股集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710065)

“十三五”以來,陜西省高速公路建設(shè)里程2 170 km,通車?yán)锍掏黄? 000 km,實(shí)現(xiàn)了縣縣通高速的目標(biāo)。隨著高速公路建設(shè)速度的加快,隧道數(shù)量也在逐年攀升,但由于絕大多數(shù)隧道位于偏遠(yuǎn)山區(qū),基本采用傳統(tǒng)的市電供電配電系統(tǒng)為隧道供電,使得高速公路通車以后,運(yùn)營成本居高不下[1-2],低碳理念下的綠色公路越來越引起了人們的關(guān)注[3],且在高速公路的服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[4]。但受隧道口的地形、日照條件、高用電負(fù)載等影響,光伏發(fā)電技術(shù)在高速公路隧道的應(yīng)用案例還不多。針對太陽能光伏供電系統(tǒng)供電的可行性、優(yōu)越性,學(xué)者們依托個(gè)別試點(diǎn)項(xiàng)目做了大量的理論研究和探討。為解決高海拔、偏遠(yuǎn)、無電地區(qū)隧道的照明需求,苗廣營等[5]依托瀾青海省滄江隧道,對隧道光伏供電系統(tǒng)進(jìn)行了專項(xiàng)研究,重點(diǎn)圍繞微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與集成,開展了電池管理系統(tǒng)的開發(fā),及電池均衡技術(shù)、電池安全控制策略等的研究,并在隧道兩端分別建成兩套光儲微網(wǎng)系統(tǒng),帶動隧道內(nèi)LED節(jié)能燈和工區(qū)房照明用電。趙東旭[6]進(jìn)行了隧道照明系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、蓄電池充電控制器設(shè)置、太陽能單軸跟蹤器設(shè)計(jì)研究,為光伏發(fā)電供電系統(tǒng)在隧道中的應(yīng)用提供了思路。張世平等[7]通過仿真分析的方法,將太陽能薄膜光伏技術(shù)與遮光棚技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了隧道照明節(jié)能和供電功能的統(tǒng)一,但該技術(shù)尚處于發(fā)展階段,還需進(jìn)一步的研究。田盟剛[8]對朱家溝隧道照明系統(tǒng)進(jìn)行LED改造設(shè)計(jì),并與傳統(tǒng)的隧道供電模式進(jìn)行了對比,表明光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到隧道具有很多優(yōu)勢,且值得推廣。韓霄等[9]設(shè)計(jì)了蓄電池充放電控制系統(tǒng)、LED照明控制系統(tǒng),對固定系統(tǒng)與陽光自動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了比較,完成了市電+光伏發(fā)電為隧道照明系統(tǒng)的供電的設(shè)計(jì),并實(shí)施了兩個(gè)示范工程,社會效益明顯。金蕊[10]以某一短隧道為研究對象,從方案選擇、設(shè)計(jì)計(jì)算、經(jīng)濟(jì)效益等方面分析了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在短隧道中應(yīng)用的可行性。為充分利用清潔能源,減少隧道后期運(yùn)營成本,延子項(xiàng)目在延子高速公路兩座隧道分別安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),并采用“市電+光伏發(fā)電”供電方式,為隧道照明、監(jiān)控等設(shè)施供電?；谘幼痈咚俟穬勺淼拦夥l(fā)電項(xiàng)目,從光伏發(fā)電板的布設(shè)位置、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成、隧道供電方式、經(jīng)濟(jì)效益等方面,歸納總結(jié)了光伏發(fā)電供電系統(tǒng)在延子高速公路中、短隧道中的應(yīng)用亮點(diǎn)與不足,并針對這些不足,提出了優(yōu)化建議。

1 延子高速公路概況

1.1 項(xiàng)目概況

延安至子長高速公路路線全長55.173 km,采用雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度采用80 km/h,整體式路基寬度25.5 m,是國家高速公路榆藍(lán)線和長延線間的迂回通道,項(xiàng)目于2018年6月開工建設(shè),2020年9月通車運(yùn)營。全線共設(shè)四座隧道,即墩兒山隧道、劉家崖隧道、寨子溝隧道和康家塬隧道。寨子溝隧道左線長415 m,為短隧道,右線長度524 m,為中隧道;墩兒山隧道左線長855 m,為中隧道,右線長度501 m,為中隧道。結(jié)合四座隧道洞口前的場地情況、地形情況、地基地層巖性、地下水分布、采光條件等現(xiàn)場實(shí)際情況,最終選定在寨子溝隧道南口、墩兒山隧道南口分別安裝分布式光伏發(fā)電板。

1.2 隧道機(jī)電工程

延子高速公路隧道機(jī)電工程主要包含隧道監(jiān)控、隧道照明、隧道供配電系統(tǒng)、隧道消防系統(tǒng)等,墩兒山隧道、寨子溝隧道的用電負(fù)載詳見表1和表2。根據(jù)隧道機(jī)電主要設(shè)備的數(shù)量和功率,計(jì)算得到墩兒山隧道、寨子溝隧道的用電負(fù)載分別為68 253 W、62 700 W,日用電量分別為1 638 kW·h、1 505 kW·h,年用電量分別為59.8萬kW·h、54.9萬kW·h。

表1 墩兒山隧道主要機(jī)電設(shè)備

表2 寨子溝隧道主要機(jī)電設(shè)備

2 延子高速公路隧道光伏發(fā)電供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 隧址區(qū)太陽能資源

延子高速公路位于陜西省延安市與子長縣之間,隧址區(qū)屬于黃土梁峁溝壑地貌,平均海拔高度1 121～1 252 m,年總輻射在5 220～5 400 MJ/m2,屬我國Ⅲ類太陽能資源區(qū)域,滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)的日照要求。

2.2 光伏發(fā)電板的布設(shè)

(1)布設(shè)數(shù)量。

兩座隧道均為分離式隧道,兩洞中軸線最小間距約19 m,結(jié)合兩座隧道南口的場地和采光條件,將光伏發(fā)電板設(shè)置在隧道南口左右線之間的三角地帶,其中寨子溝隧道三角地帶縱向長度約450 m,平均寬度約80 m,墩兒山隧道三角地帶縱向長度約320 m,平均寬度約60 m,共安裝680塊組件(墩兒山隧道300塊、寨子溝隧道380塊)。

(2)支架方案的選擇。

項(xiàng)目位于高緯度地區(qū),可采用固定支架、單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架,由于雙軸跟蹤支架和單軸跟蹤支架成本偏高,對應(yīng)的樁基等建設(shè)成本也偏高,綜合考慮其可安裝性、安全性、廣泛性及經(jīng)濟(jì)性,最終采用固定支架建設(shè)方案,即在地面支架上進(jìn)行光伏板的布置,方位角按正南正北方位角布置,安裝傾角為35°,方位角為0°。

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏發(fā)電系統(tǒng)采用組串式設(shè)計(jì)方案,由太陽能電池組件、組串式逆變器等組成。太陽能電池組件選型為320 Wp多晶硅電池,每20塊組件為一串,共34串,總裝機(jī)容量為217.6 kW(墩兒山隧道96 kW、寨子溝隧道121.6 kW);組串式逆變器選型分別為2臺50 kWp組串式逆變器、2臺60 kWp組串式逆變器。

(1)墩兒山(大寨)隧道北口光伏方陣。

墩兒山隧道北口光伏方陣選用320 Wp太陽能單晶電池組件300塊,通過2臺50kW組串逆變器逆變?yōu)?.38 kV交流電,通過交流匯流箱匯流后經(jīng)電纜就近接至墩兒山隧道供電電源配電箱。

(2)寨子溝隧道南口光伏方陣。

寨子溝隧道南口光伏方陣選用320 Wp太陽能單晶電池組件380塊,通過2臺60 kW組串逆變器逆變?yōu)?.38 kV交流電,通過交流匯流箱匯流后經(jīng)電纜就近接至寨子溝隧道供電電源配電箱。

(3)組件及支架接地。

組件接地采用銅纜,將相鄰兩塊電池組件的接地孔連接起來,兩端電池板采用銅纜與支架橫梁連接。通過支架與大地導(dǎo)通,形成防雷接地回路。光伏廠區(qū)接地扁鋼與支架可靠接地,相鄰兩組支架間通過熱鍍鋅扁鋼連為一排,每排支架通過兩端一根熱鍍鋅扁鋼引至主接地網(wǎng),主接地網(wǎng)材料為熱鍍鋅扁鋼。

2.4 隧道供電方式選擇

經(jīng)實(shí)地考察,兩座隧道洞口日均日照時(shí)間為4.5 h,本項(xiàng)目太陽能系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.8,首年理論發(fā)電量為217.6 kW×4.5 h/d×0.8×365 d=28.6萬kW·h。參照各隧道用電負(fù)載,墩兒山隧道、寨子溝隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)電量不能完全滿足隧道用電需求,考慮到光伏發(fā)電量及成本,系統(tǒng)未設(shè)置儲蓄電池,最終采用“市電+光伏發(fā)電”的供電方式為隧道供電。

2.5 運(yùn)行情況

隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)自2020年10月運(yùn)行以來,運(yùn)行穩(wěn)定、良好,實(shí)際發(fā)電量與理論發(fā)電量基本一致。

2.6 運(yùn)營維護(hù)

在運(yùn)維方面,延子高速公路養(yǎng)護(hù)人員定期現(xiàn)場檢查發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行情況,及時(shí)解決運(yùn)行中存在的問題,同時(shí)定期對光伏發(fā)電板進(jìn)行清洗。

為方便項(xiàng)目后期運(yùn)營維護(hù),該供電系統(tǒng)配備了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件,該軟件可實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP遠(yuǎn)程監(jiān)控,可隨時(shí)觀測系統(tǒng)運(yùn)行情況,查看系統(tǒng)發(fā)電量,并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

3 本項(xiàng)目隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會效益

延子高速分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量為217.6 kW,其中工程靜態(tài)投資125.2萬元,工程動態(tài)總投資128.0萬元。項(xiàng)目建成后所發(fā)電量將全部由高速公路隧道內(nèi)照明設(shè)施等設(shè)備自用,按照光伏組件10年內(nèi)年衰減小于10%,25年內(nèi)衰減小于20%計(jì)算,第一年發(fā)電量約28.6萬kW·h,25年總發(fā)電量約614.7萬kW·h。按照當(dāng)?shù)赜秒娛召M(fèi)標(biāo)準(zhǔn)0.8元/(kW·h)計(jì)算,建成后首年發(fā)電收益約21.6萬元,預(yù)計(jì)5年可收回成本。25年發(fā)電總收益約491.8萬元,降低了運(yùn)營成本,節(jié)約了標(biāo)煤,減少了二氧化碳等氣體的排放。

4 本項(xiàng)目隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)不足及建議

4.1 不足

受制于隧道口的地形,光伏發(fā)電板的布設(shè)數(shù)量有限,同時(shí)考慮成本,并未設(shè)置儲蓄電池,因此該項(xiàng)目只能采用“市電+光伏發(fā)電”供電方式為隧道供電,未能實(shí)現(xiàn)完全的脫離市電進(jìn)行供電。

4.2 建議

(1)在前期進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)時(shí),要結(jié)合本地區(qū)的日照條件及隧道洞口周圍地形條件,為太陽能光伏發(fā)電板規(guī)劃合適的位置,布設(shè)足夠的光伏發(fā)電板。

(2)光伏發(fā)電板支架采用雙軸跟蹤系統(tǒng),可以在有限的光伏發(fā)電板上獲取更多的太陽能。同時(shí)盡量采用節(jié)能環(huán)保的照明燈具、 監(jiān)控設(shè)備, 從而有效降低控制隧道用電負(fù)荷,并在光伏發(fā)電供電系統(tǒng)中設(shè)置儲蓄電池,逐步實(shí)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運(yùn)行。

5 結(jié) 論

(1)延子高速公路在兩座隧道分別安裝分布式光伏發(fā)電系統(tǒng),并采用“市電+光伏發(fā)電”供電方式,為隧道照明、監(jiān)控等設(shè)施供電,隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)自2020年10月運(yùn)行以來,運(yùn)行穩(wěn)定、良好,為光伏發(fā)電供電系統(tǒng)在高速公路中、短隧道中的應(yīng)用提供了借鑒。

(2)受制于隧道口的地形,光伏發(fā)電板的布設(shè)數(shù)量有限,同時(shí)考慮成本,并未設(shè)置儲蓄電池。需在隧道前期設(shè)計(jì)、有效控制隧道用電負(fù)載、提高太陽能光伏發(fā)電設(shè)備光電轉(zhuǎn)換率、提高儲能電池的性能等方面做進(jìn)一步研究,逐步實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)運(yùn)行,隧道光伏發(fā)電供電系統(tǒng)的市場將愈加廣泛。