分布式光伏发电在高速公路交通设施中的应用

2016-11-30唐明涛陈志强王志刚程高玲

太阳能 2016年9期

关键词：太阳电池服务区分布式

■ 唐明涛陈志强王志刚程高玲

武汉经开能源科技发展有限公司武汉经开光伏工程设计研究院

分布式光伏发电在高速公路交通设施中的应用

■ 唐明涛*陈志强王志刚程高玲

武汉经开能源科技发展有限公司武汉经开光伏工程设计研究院

利用国内现有高速路网资源状况，参考国外已有经验和做法，充分利用国内高速路网，将其作为太阳能光伏发电新型、有效的载体，实现光伏发电、交通运输、节能减排高效整合与最佳统一。

分布式光伏发电；高速公路；交通；节能减排

0　引言

能源是经济和社会发展最重要的物质基础，是提高人民生活水平的重要条件。随着经济的发展和社会的进步，人类对于能源重要性的认识在不断提高，能源问题已经成为世界各国共同关心的重大问题［1］。

当煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。丰富的太阳能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

大力开发、利用太阳能正是应对能源匮乏、缓解电力紧张、保障可持续发展的有效手段。利用高速公路，对加快分布式光伏发电的发展尤为必要。光伏发电可独立安装、施工简单、人工和辅助材料成本低，非常适用于高速公路的电力系统设计，如高速公路服务区、收费站等。服务区一般场地比较空旷，非常适合做太阳能光伏电站；高速公路收费站雨棚非常适合做光伏建筑一体化，不仅清洁环保，而且系统稳定、可靠性高；光伏发电可减少电缆敷设施工，具有不消耗能源、无污染、维护简便、使用寿命长等优点。

1　光伏发电系统简介

1.1原理

光伏发电系统是利用太阳电池直接将太阳能转换成电能的发电系统，主要部件为太阳电池、蓄电池、控制器和逆变器。光伏发电是国际上公认并倡导的绿色发电方式，具有节约能源、减少污染的特点［2］。

光伏发电系统经过几十年的发展，技术上已经达到成熟、可靠、实用的程度。光伏发电系统使用寿命一般为25年。

1.2分类

光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。1)独立光伏发电：也叫离网光伏发电，主要由光伏组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2)并网光伏发电：光伏组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后，直接接入公共电网。

分布式光伏发电系统是并网光伏发电系统的一种，是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，因其具有负荷距离近、就近消纳等特点，近几年得到了广泛应用。分布式光伏发电系统的运行模式是在有太阳辐射的条件下，太阳电池方阵将太阳能转换为电能，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过连接电网进行调节。

1.3分布式光伏发电系统组成

分布式光伏发电系统主要由太阳电池方阵和并网逆变器两部分组成。太阳电池方阵是利用光生伏打效应将太阳能转换成电能，在阳光充足时，通过并网逆变器将直流电转换为交流电输入电网。并网逆变器的输入端接太阳电池方阵，输出端接交流电网。除具有普通逆变器的功能外，并网逆变器还应具有以下功能：

1)纯正弦波同步并网送电：通过DC/AC电压型逆变器实现电流瞬时控制，将电流控制成50 Hz正弦波，自动与电网同步后送入电网。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。

2)太阳电池最大功率追踪技术：以晶体硅为基本材料的太阳电池在不同的照射强度和温度下，其I-V特性曲线各不相同，而输出与I-V特性相应存在一个最大功率输出点，因此，对太阳电池最大输出功率点的追踪(MPPT)成为提高整个系统效率的关键点之一。

3)反孤岛运行技术：并网发电运行时，电网因意外情况出现停电时，并网运行设备应能及时检测出电网停电情况，并与电网解列，停止向电网送电，以保护人身和设备安全。

2　分布式光伏发电在国内高速的应用

2014年1月，陕西高速集团在十天高速汉中东段茶条岭隧道的110 kWp分布式光伏发电系统项目顺利通过了由施工单位、接收单位、建设单位成立的交工验收委员会的验收［3］；同时，在十天高速安康西段朱家沟隧道也采用了该光伏发电系统，建成效果图如图1所示。

图1　隧道光伏发电系统

茶条岭隧道110 kWp分布式光伏发电系统采用整体钢结构支架，支架棚面平铺光伏组件，由250 Wp大单晶体硅光伏组件通过串并联组合而成，装机容量110 kWp；配置1台相应容量的并网逆变器，将方阵产生的直流电逆变为380 V的交流电后，并入隧道配电房配电柜。

该系统所发电力主要用于隧道风机及照明。发电系统工程全部并网后，年发电量最高可达15.04万kWh，可以成为隧道用电的重要组成部分，每年可节省费用约15.04万元。电站运营25年，可节约标准煤1466 t，减排二氧化碳3749 t，减排二氧化硫113 t。

3　光伏发电在国外高速的应用

意大利卡塔尼亚－锡拉库萨A18高速公路(西西里岛600 km高速公路网络中新增的一段30 km的公路)成为一条完全由太阳能作为动力的高速公路，而且是世界上第一条太阳能高速公路［4］。这一高速公路将成为欧洲最先进的高速公路，包括控制系统、监视设备、路面质量、安全性能在内的许多方面都拥有显著的性能。

2011年1月1日，卡塔尼亚－锡拉库萨高速公路已向公众开放。整段公路所需电力将全部由沿路安装的8万个太阳电池板提供，包括路面照明、隧道通风、道路指示牌、紧急电话等。整个太阳电池板的供电面积超过20万m2，每年发电量预计为1200万kWh，相当于每年节约石油3.1万t，减少二氧化碳排放1万t。

图2　意大利卡塔尼亚-锡拉库萨A18高速公路

4　高速公路服务区分布式光伏案例介绍

4.1项目概况

项目位于沪蓉高速麻武(麻城－武汉)段中馆驿服务区，当地光照条件属于I类可利用区，适合光伏电站建设。服务区有宿舍楼1栋，服务综合楼、机车库各2栋，屋面共计5824.92 m2，建设晶体硅太阳能光伏并网发电电站作为补充能源，供给服务区生产、办公、生活照明用电。

图3　中馆驿服务区现场图

屋顶为琉璃瓦坡屋面，可利用面积为4600 m2，除去采光带、风机、排气管、阴影遮挡等占用面积，结合平屋面、混凝土屋面光伏组件安装要求，可安装光伏组件435 kWp。其中，2个服务综合楼装机容量共计233.7 kWp，1个宿舍楼装机容量为52.5 kWp，2个机车库装机容量共为84 kWp，辅助用房楼及厕所共计安装64.8 kWp。

图4　琉璃瓦屋顶安装实景

此项目安装方式采用光伏专用铝合金横梁及专门设计的固定结构，确保使用年限及结构安全，不破坏琉璃瓦外观效果。并网方式为400 V低压并网，自发自用、余电上网。年均发电量42万kWh，日均发电量1150 kWh。

中馆驿服务区月均用电量约6万kWh，光伏发电月均发电约3.5万kWh。光伏发电出力与服务区用电负荷匹配，光伏发电可被服务区消耗掉，同时可在一定程度上缓解当地的用电紧张局面。

图5　光伏直流汇流、配电设备

图6　光伏发电出力与用电负荷匹配关系

4.2运作模式

目前光伏发电项目主要运作模式有3种：建设移交、建设-经营-转让、设计采购施工。

建设移交(Build Transfer，BT)，是基础设施项目建设领域中采用的一种投资建设模式。

建设－经营－转让(build-operate-transfer ，BOT)，是指政府通过契约授予承建方以一定期限的特许专营权，许可其融资建设和经营特定的公用基础设施，并准许其通过向用户收取费用或出售产品以清偿贷款，回收投资并赚取利润；特许权期限届满时，该基础设施无偿移交。

设计采购施工(Engineering Procurement Construction，EPC)/交钥匙工程总承包，即工程总承包企业按照合同约定，承担工程项目的设计、采购、施工、试运行服务等工作，并对承包工程的质量、安全、工期、造价全面负责。

沪蓉高速麻武(麻城－武汉)段中馆驿服务区光伏发电项目采取BOT模式进行建设。

4.3盈利方式

光伏发电项目的盈利主要依靠政府财政补贴。国家补贴政策规定：分布式光伏发电项目反送国家电网的电量，建议除按当地脱硫电价收购外，再给予0.42元/kWh的补贴，自用电量直接给予0.42元/kWh的补贴。

电网企业收购电费为脱硫电价(在上网电价核定的基础上，补偿发电企业脱硫处理的支出后的电价)0.478元/kWh+0.42元/kWh(电费补贴)=0.898元/kWh，即每上网1 kWh可获得0.898元收益。如果产生的电量完全自用，以非普工业电价0.825元/kWh计算，则每自用1 kWh可收益1.245元，产生较大的经济效益。

以外，光伏发电可减少碳排放，根据发电量获得碳排放额度，通过碳排放交易市场将该额度出售给碳排放量较大的企业也可获取一定收益。