淺談太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在高速公路特長(zhǎng)隧道的應(yīng)用

馬俊

摘 要：公路隧道，尤其是特長(zhǎng)隧道位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力資源匱乏，無法滿足規(guī)范對(duì)于公路隧道供電系統(tǒng)的要求。本文旨在依托敦當(dāng)高速公路項(xiàng)目，結(jié)合項(xiàng)目所在地環(huán)境地理?xiàng)l件，提出太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，討論太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在高速公路特長(zhǎng)隧道的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；太陽(yáng)能；特長(zhǎng)隧道

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）15-0119-02

隧道作為公路的重要組成部分，能夠縮短公路里程、提高運(yùn)輸效益，高速公路建設(shè)過程中多采用隧道形式。甘肅省地形地貌復(fù)雜，因此我省高速公路隧道較多，部分隧道屬于特長(zhǎng)隧道，且部分隧道位于人煙稀少地區(qū)。這些隧道附近市電線路較少，電力資源匱乏，實(shí)際運(yùn)營(yíng)中電能消耗巨大，就近供電線路無法滿足隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)用電需求。若采用架設(shè)專用供電線路方式，建設(shè)投資較大，因此如何解決特長(zhǎng)隧道引電困難、能耗較高等問題，同時(shí)考慮降低后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用成為主要問題。遵循國(guó)務(wù)院、交通部對(duì)公路工程建設(shè)過程中積極應(yīng)用節(jié)能技術(shù)和清潔能源的相關(guān)要求，本文結(jié)合敦當(dāng)高速公路項(xiàng)目，研究太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在公路隧道，尤其是在特長(zhǎng)隧道中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

敦煌至當(dāng)金山口公路是柳格高速G3011的組成部分，路線起點(diǎn)位于敦煌市呂家堡楊家梁村，與柳格公路瓜州至敦煌段AK116+800順接，路線向西上跨G215線和黨河，經(jīng)肅州堡后出綠洲區(qū)，從敦煌市工業(yè)園區(qū)及物流園區(qū)北側(cè)戈壁繞行至敦煌試驗(yàn)場(chǎng)，主線推薦方案長(zhǎng)197.467公里，項(xiàng)目地處河西走廊內(nèi)陸，氣候干燥，降雨量小，蒸發(fā)量大，多風(fēng)沙，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，氣溫日差較大，設(shè)置當(dāng)今山隧道（長(zhǎng)度為4441m）、阿爾金山隧道（長(zhǎng)度為7527m）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，該項(xiàng)目距離青海省界大于100Km而且屬于戈壁，無法引入另一路電源，只能引入一路外接電源，不能滿足規(guī)范對(duì)于一級(jí)負(fù)荷要求雙電源供電的要求。結(jié)合項(xiàng)目環(huán)境條件，經(jīng)研究采用光伏發(fā)電技術(shù)對(duì)隧道的照明及監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行用電，同時(shí)將市電電源座為備用電源。

2 設(shè)計(jì)方案

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)金山隧道用電負(fù)荷如下：加強(qiáng)照明功率為53.16KW，基本+應(yīng)急照明功率為82KW，監(jiān)控設(shè)備功率為75KW，有源誘導(dǎo)標(biāo)功率為14KW；阿爾金山隧道用電負(fù)荷如下：加強(qiáng)照明功率為53.16KW，基本+應(yīng)急照明功率為138.31KW，監(jiān)控設(shè)備功率為110KW，有源誘導(dǎo)標(biāo)功率為20KW。考慮隧道照明采用智能調(diào)光系統(tǒng)，加強(qiáng)照明只在夏日晴天正午時(shí)分滿功率運(yùn)行；同時(shí)考慮其他因素，隧道加強(qiáng)照明平均工作時(shí)間為6小時(shí)，基本+應(yīng)急照明、監(jiān)控設(shè)備、有源誘導(dǎo)標(biāo)需要24小時(shí)運(yùn)行，滿功率平均工作時(shí)間為24小時(shí)，則日耗電量為（53.16+53.16）×6+（82+75+14+138.31 +110+20）×24=11181.36KWh。

由于項(xiàng)目所在地為甘肅省阿克塞地區(qū)，根據(jù)權(quán)威部門提供的甘肅省阿克塞縣區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，具體詳見圖1。

根據(jù)NASA光伏計(jì)算管理軟件分析，該地區(qū)地面年平均日照指數(shù)詳見圖2。

由圖1、圖2可知，全年日照平均峰值日照時(shí)數(shù)為5.66h。

日實(shí)際需電量應(yīng)為 K×E（其中K為光伏電站系統(tǒng)總效率，E為日發(fā)電量）。

總效率K是各個(gè)部件及分系統(tǒng)效率之積，即：電纜輸送線損Kc（0.97）、太陽(yáng)能電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)Kx（0.95）、太陽(yáng)電池方陣組合損耗系數(shù)Kz（0.95）、逆變器的轉(zhuǎn)換效率Kn（0.90）之積。總效率K=Kc*Kx* Kz*Kn=0.97*0.95*0.95*0.90=0.79，所以求得光伏電站系統(tǒng)總效率K=0.79。

綜上，則日發(fā)電量為：

E=11181360/5.66/0.79=2500415.977WP，擬建 2.508MW

E=2.508MW*5.66h*0.79

=11214.27kWh

根據(jù)組件規(guī)格選型，則選擇275W的太陽(yáng)能組件9120塊。

日實(shí)際發(fā)電量應(yīng)為11214KW/h。

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)裝機(jī)容量2.5MW，占地面積約44000平方米（約66畝），系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池方陣、并網(wǎng)逆變器、直流/交流配電設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本電站設(shè)計(jì)考慮到電站建設(shè)周期長(zhǎng)，使用模塊化管理，故將整個(gè)電站分為76個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊建成后即可使用。本系統(tǒng)選用多晶硅太陽(yáng)電池組件，峰值功率為275Wp，共9120塊。分為76個(gè)模塊，則每個(gè)模塊為120塊太陽(yáng)能組件，將9120塊組件分為20塊一串組成456個(gè)子串方陣，每6個(gè)組串方陣接入1臺(tái)直流匯流箱，共76個(gè)直流匯流箱，每個(gè)直流匯流箱接入到1臺(tái)并網(wǎng)逆變器，共76臺(tái)并網(wǎng)逆變器，4臺(tái)并網(wǎng)逆變器再接入到1臺(tái)交流配電柜，共19臺(tái)交流配電柜。考慮當(dāng)金山隧道及阿爾金山隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，為保證遠(yuǎn)端設(shè)備正常使用，從交流配電柜引出到變壓器進(jìn)行升壓，升壓后的高壓電傳輸?shù)截?fù)載旁的變電站降壓供負(fù)載使用。用電負(fù)載余電采用就地升壓，高壓輸電，接入變電站上傳到高壓電網(wǎng)上，滿足國(guó)家的并網(wǎng)的要求。夜晚時(shí)，切換到市電取電，給負(fù)載供電，主要設(shè)備如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國(guó)際光伏工業(yè)在過去平均年增長(zhǎng)率為15%。世界市場(chǎng)出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面，發(fā)展更加迅速，世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛宣布了自己的光伏發(fā)展計(jì)劃。到2030年，光伏發(fā)電在世界總發(fā)電量中將占到5～20%，我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)化及市場(chǎng)經(jīng)過近20年的發(fā)展已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，特別是經(jīng)過2002年國(guó)家光明工程的牽引，我國(guó)太陽(yáng)電池組件的年生產(chǎn)能力躍上20兆峰瓦；目前的產(chǎn)能還在擴(kuò)大，系統(tǒng)平衡部件的技術(shù)水平也在不斷的提高，這些都為我們解決遠(yuǎn)離電網(wǎng)的公路隧道供電問題提供了技術(shù)基礎(chǔ)。本項(xiàng)目太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用為我省公路特長(zhǎng)隧道利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)提供借鑒，解決公路特長(zhǎng)隧道引電困難、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高等問題。同時(shí)，本項(xiàng)目太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用能夠有效貫徹國(guó)務(wù)院《質(zhì)量發(fā)展綱要（2011-2020）》的主體思想，積極響應(yīng)交通運(yùn)輸部《關(guān)于打造公路水運(yùn)品質(zhì)工程的指導(dǎo)意見》，對(duì)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，保證特長(zhǎng)隧道安全、節(jié)能運(yùn)行具有重要意義。

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