分布式光伏發電在高速公路交通設施中的應用

■ 唐明濤陳志強 王志剛 程高玲

武漢經開能源科技發展有限公司武漢經開光伏工程設計研究院

分布式光伏發電在高速公路交通設施中的應用

■ 唐明濤*陳志強 王志剛 程高玲

武漢經開能源科技發展有限公司武漢經開光伏工程設計研究院

利用國內現有高速路網資源狀況，參考國外已有經驗和做法，充分利用國內高速路網，將其作為太陽能光伏發電新型、有效的載體，實現光伏發電、交通運輸、節能減排高效整合與最佳統一。

分布式光伏發電；高速公路；交通；節能減排

0　引言

能源是經濟和社會發展最重要的物質基礎，是提高人民生活水平的重要條件。隨著經濟的發展和社會的進步，人類對于能源重要性的認識在不斷提高，能源問題已經成為世界各國共同關心的重大問題［1］。

當煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發太陽能資源，尋求經濟發展的新動力。豐富的太陽能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源。

大力開發、利用太陽能正是應對能源匱乏、緩解電力緊張、保障可持續發展的有效手段。利用高速公路，對加快分布式光伏發電的發展尤為必要。光伏發電可獨立安裝、施工簡單、人工和輔助材料成本低，非常適用于高速公路的電力系統設計，如高速公路服務區、收費站等。服務區一般場地比較空曠，非常適合做太陽能光伏電站；高速公路收費站雨棚非常適合做光伏建筑一體化，不僅清潔環保，而且系統穩定、可靠性高；光伏發電可減少電纜敷設施工，具有不消耗能源、無污染、維護簡便、使用壽命長等優點。

1　光伏發電系統簡介

1.1原理

光伏發電系統是利用太陽電池直接將太陽能轉換成電能的發電系統，主要部件為太陽電池、蓄電池、控制器和逆變器。光伏發電是國際上公認并倡導的綠色發電方式，具有節約能源、減少污染的特點［2］。

光伏發電系統經過幾十年的發展，技術上已經達到成熟、可靠、實用的程度。光伏發電系統使用壽命一般為25年。

1.2分類

光伏發電系統分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。1)獨立光伏發電：也叫離網光伏發電，主要由光伏組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。2)并網光伏發電：光伏組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電后，直接接入公共電網。

分布式光伏發電系統是并網光伏發電系統的一種，是指在用戶現場或靠近用電現場配置較小的光伏發電供電系統，因其具有負荷距離近、就近消納等特點，近幾年得到了廣泛應用。分布式光伏發電系統的運行模式是在有太陽輻射的條件下，太陽電池方陣將太陽能轉換為電能，由并網逆變器逆變成交流電供給建筑自身負載，多余或不足的電力通過連接電網進行調節。

1.3分布式光伏發電系統組成

分布式光伏發電系統主要由太陽電池方陣和并網逆變器兩部分組成。太陽電池方陣是利用光生伏打效應將太陽能轉換成電能，在陽光充足時，通過并網逆變器將直流電轉換為交流電輸入電網。并網逆變器的輸入端接太陽電池方陣，輸出端接交流電網。除具有普通逆變器的功能外，并網逆變器還應具有以下功能：

1)純正弦波同步并網送電：通過DC/AC電壓型逆變器實現電流瞬時控制，將電流控制成50 Hz正弦波，自動與電網同步后送入電網。以正弦波電流的方式并網送電不會對電網產生諧波干擾和過多的無功分量。

2)太陽電池最大功率追蹤技術：以晶體硅為基本材料的太陽電池在不同的照射強度和溫度下，其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應存在一個最大功率輸出點，因此，對太陽電池最大輸出功率點的追蹤(MPPT)成為提高整個系統效率的關鍵點之一。

3)反孤島運行技術：并網發電運行時，電網因意外情況出現停電時，并網運行設備應能及時檢測出電網停電情況，并與電網解列，停止向電網送電，以保護人身和設備安全。

2　分布式光伏發電在國內高速的應用

2014年1月，陜西高速集團在十天高速漢中東段茶條嶺隧道的110 kWp分布式光伏發電系統項目順利通過了由施工單位、接收單位、建設單位成立的交工驗收委員會的驗收［3］；同時，在十天高速安康西段朱家溝隧道也采用了該光伏發電系統，建成效果圖如圖1所示。

圖1　隧道光伏發電系統

茶條嶺隧道110 kWp分布式光伏發電系統采用整體鋼結構支架，支架棚面平鋪光伏組件，由250 Wp大單晶體硅光伏組件通過串并聯組合而成，裝機容量110 kWp；配置1臺相應容量的并網逆變器，將方陣產生的直流電逆變為380 V的交流電后，并入隧道配電房配電柜。

該系統所發電力主要用于隧道風機及照明。發電系統工程全部并網后，年發電量最高可達15.04萬kWh，可以成為隧道用電的重要組成部分，每年可節省費用約15.04萬元。電站運營25年，可節約標準煤1466 t，減排二氧化碳3749 t，減排二氧化硫113 t。

3　光伏發電在國外高速的應用

意大利卡塔尼亞－錫拉庫薩A18高速公路(西西里島600 km高速公路網絡中新增的一段30 km的公路)成為一條完全由太陽能作為動力的高速公路，而且是世界上第一條太陽能高速公路［4］。這一高速公路將成為歐洲最先進的高速公路，包括控制系統、監視設備、路面質量、安全性能在內的許多方面都擁有顯著的性能。

2011年1月1日，卡塔尼亞－錫拉庫薩高速公路已向公眾開放。整段公路所需電力將全部由沿路安裝的8萬個太陽電池板提供，包括路面照明、隧道通風、道路指示牌、緊急電話等。整個太陽電池板的供電面積超過20萬m2，每年發電量預計為1200萬kWh，相當于每年節約石油3.1萬t，減少二氧化碳排放1萬t。

圖2　意大利卡塔尼亞-錫拉庫薩A18高速公路

4　高速公路服務區分布式光伏案例介紹

4.1項目概況

項目位于滬蓉高速麻武(麻城－武漢)段中館驛服務區，當地光照條件屬于I類可利用區，適合光伏電站建設。服務區有宿舍樓1棟，服務綜合樓、機車庫各2棟，屋面共計5824.92 m2，建設晶體硅太陽能光伏并網發電電站作為補充能源，供給服務區生產、辦公、生活照明用電。

圖3　中館驛服務區現場圖

屋頂為琉璃瓦坡屋面，可利用面積為4600 m2，除去采光帶、風機、排氣管、陰影遮擋等占用面積，結合平屋面、混凝土屋面光伏組件安裝要求，可安裝光伏組件435 kWp。其中，2個服務綜合樓裝機容量共計233.7 kWp，1個宿舍樓裝機容量為52.5 kWp，2個機車庫裝機容量共為84 kWp，輔助用房樓及廁所共計安裝64.8 kWp。

圖4　琉璃瓦屋頂安裝實景

此項目安裝方式采用光伏專用鋁合金橫梁及專門設計的固定結構，確保使用年限及結構安全，不破壞琉璃瓦外觀效果。并網方式為400 V低壓并網，自發自用、余電上網。年均發電量42萬kWh，日均發電量1150 kWh。

中館驛服務區月均用電量約6萬kWh，光伏發電月均發電約3.5萬kWh。光伏發電出力與服務區用電負荷匹配，光伏發電可被服務區消耗掉，同時可在一定程度上緩解當地的用電緊張局面。

圖5　光伏直流匯流、配電設備

圖6　光伏發電出力與用電負荷匹配關系

4.2運作模式

目前光伏發電項目主要運作模式有3種：建設移交、建設-經營-轉讓、設計采購施工。

建設移交(Build Transfer，BT)，是基礎設施項目建設領域中采用的一種投資建設模式。

建設－經營－轉讓(build-operate-transfer ，BOT)，是指政府通過契約授予承建方以一定期限的特許專營權，許可其融資建設和經營特定的公用基礎設施，并準許其通過向用戶收取費用或出售產品以清償貸款，回收投資并賺取利潤；特許權期限屆滿時，該基礎設施無償移交。

設計采購施工(Engineering Procurement Construction，EPC)/交鑰匙工程總承包，即工程總承包企業按照合同約定，承擔工程項目的設計、采購、施工、試運行服務等工作，并對承包工程的質量、安全、工期、造價全面負責。

滬蓉高速麻武(麻城－武漢)段中館驛服務區光伏發電項目采取BOT模式進行建設。

4.3盈利方式

光伏發電項目的盈利主要依靠政府財政補貼。國家補貼政策規定：分布式光伏發電項目反送國家電網的電量，建議除按當地脫硫電價收購外，再給予0.42元/kWh的補貼，自用電量直接給予0.42元/kWh的補貼。

電網企業收購電費為脫硫電價(在上網電價核定的基礎上，補償發電企業脫硫處理的支出后的電價)0.478元/kWh+0.42元/kWh(電費補貼)=0.898元/kWh，即每上網1 kWh可獲得0.898元收益。如果產生的電量完全自用，以非普工業電價0.825元/kWh計算，則每自用1 kWh可收益1.245元，產生較大的經濟效益。

以外，光伏發電可減少碳排放，根據發電量獲得碳排放額度，通過碳排放交易市場將該額度出售給碳排放量較大的企業也可獲取一定收益。

5　結語

高速公路在我國已形成較完整的公路網絡，其有大量的閑置屋頂、土地資源，且用電量較大、用電需求穩定。因此，高速公路與光伏的結合符合高速公路企業和光伏企業的共同利益。

光伏發電經營期間的收益曲線符合光伏企業的投資需求，光伏發電項目一般有25年的收益期，正常的成本收回時間約8～10年，如果當地政府再有一定的補貼政策，可在更短的時間內收回成本。較長的收益期和較高的回報率可保證光伏企業在未來具有穩定增長的收益。

［1］周志敏，紀愛華.太陽能發電光伏系統設計與應用實例［M］.北京∶電子工業出版社, 2010.

［2］王長貴，王斯成.太陽能光伏發電應用技術［M］.北京∶化學工業出版社, 2009.

［3］茍鈞凱. 十天高速漢中東段茶條嶺隧道110 kW用戶側并網光伏發電系統項目完成交工驗收［EB/OL］. http∶//www.sxgs. com/content.aspx？id=408062741989，2014-01-23.

［4］人民網-環保頻道. 意大利將建成世界第一條太陽能公路［EB/OL］. http∶//env.people.com.cn/GB/13232317.html, 2010-11-16.

2014-09-05

唐明濤(1983—)，碩士、工程師，主要從事光伏電站的規劃、可行性研究、勘察設計、電站運行分析方面的研究。tmt20042005@163.com