沿大別山高速湯泉池服務區分布式光伏發電的應用

韓江超 王鵬 王記濤

（1.中交一公局集團第三工程有限公司，北京 450000；2.河南交投商羅高速公路有限公司，河南 鄭州 450000）

踐行綠色發展的交通強國是在貫徹“六個堅持，六個樹立”的公路建設理念前提下，在循環發展、低碳發展的基礎上，在低碳、節能、環保等新技術的應用上，把安全可靠、綠色智能的公路建設落到實處，完成綠色循環低碳交通運輸體系戰略目標。服務區作為高速公路的動力傳輸站，場地空間面積大，具有較大的循環低碳中樞潛力，充分發揮服務區的綠色低碳傳輸作用，為公路沿線的節能低碳提供能量補給，具有至關重要的作用。

一、沿大別山高速公路湯泉池服務區光伏發電系統建設情況

（一）清潔能源的需求

目前，能源利用大量借助傳統的化石燃料、煤炭開采等高達近70%，非化石能源僅占約10%，化石能源資源利用與能源轉化過程中產生了較大的污染，對環境造成了極大的破壞。在可持續發展的前提下進行能源革命，改變能源結構，降低環境污染和生態環境破壞，需要從當下的高碳向未來的低碳轉變，開發清潔低碳新能源來保證能源供應安全，是解決傳統能源數量有限、環境影響大、非化石能源占比低的必要措施。同時，落實國家《能源生產和消費革命行動方案（2030）》要求，以清潔能源開發為手段的能源革命也是推動綠色交通發展的著力點。

（二）服務區低碳建設要求

近年來交通行業對服務區的建設提出了更高的要求，2014年的《關于進一步提升高速公路服務區服務質量的意見》就提出了加強綠色服務區建設的要求，《關于實施綠色公路建設的指導意見》將“推進綠色服務區建設”列為五大專項行動之一，要求推行服務區污水處理、建筑節能、清潔能源、垃圾處理等新技術應用。

太陽能是一種清潔、高效和永不衰竭的能源，充分利用太陽能對減少節能降碳有著重要意義。光伏發電就是利用光伏電池的光伏效應將太陽光的光能直接轉換為電能的一種可再生、無污染的發電方式，具有無枯竭危險；能源質量高，安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對干凈（無公害）；不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優勢；無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發電供電；建設周期短，獲取能源花費的時間短等優點，并根據國家能源局發布的我國太陽能資源分布表，河南屬于太陽能資源較豐富區域，適宜建設光伏發電站。高速服務區、收費站等場站，位置分散、面積較大的特點，適合設置分布式光伏發電系統。

（三）光伏發電建設模式

沿大別山高速公路河南省雞公山至商城段（以下簡稱“項目”）是河南省高速公路“13445”第一批切塊項目，路線全長123.32公里，首次貫通河南、湖北、安徽三省邊界線的交通要道，積極推進鄂豫皖大別山區交通一體化戰略構想，對促進大別山革命老區經濟社會發展和旅游資源開發、鞏固大別山區脫貧攻堅成果、實現區域協同發展等方面具有重要意義。

圖1 湯泉池服務區效果圖

項目針對工程特點，全面貫徹交通運輸部《關于實施綠色公路建設的指導意見》，以“創新引領、綠色集約”為主線，執行“策劃階段倒序思考、實施階段正序優化”的總體思路，將“節能降耗、資源節約、環境友好、暢通耐久”的綠色公路建設理念貫穿到沿大別山高速公路雞公山至商城段的設計、施工、運營管理的全壽命周期，圍繞不同實施階段的綠色目標，開展光伏發電、儲能和電動汽車充電一體化系統設計建設，實現項目綠色公路建設總體目標。

二、湯泉池服務區光伏發電系統設計

（一）設計理念

1.創新引領

創新是公路發展的強大驅動力，項目把創新貫穿到公路建設的各環節，打造創新引領的科技之路。針對分布式光伏應用（鋪設光伏發電板、充電樁或充電站建設、分布式儲能系統）在項目上綜合應用面臨的一系列問題，通過有針對性的科技攻關、現有科技成果消化吸收再創新以及成熟技術的推廣應用，保障施工安全，保證工程質量，提升工程科技創新水平。

2.綠色集約

建設綠色公路是時代的呼喚，項目要以加強生態保護、統籌資源利用為重點，打造資源節約、環境友好的綠色之路。項目沿線生態環境敏感，要堅持生態優先、和諧發展的指導方針，強化設計、施工、運營、養護等各階段的生態環境保護，實現最大限度地保護、最小程度地影響、最有力度地自然恢復，實現公路與生態、社會的健康可持續發展。

（二）設計思路

利用高速公路服務區（收費站）、客貨場站的建筑屋頂、停車棚等空置資源，合理布局分布式光伏發電設施，打造“車棚光伏+屋頂光伏”發電模式；配套建設快速充電樁（站），推廣“光儲充一體化”智能充電設施，合理匹配用電需求，提升能源利用率，如圖2所示。

項目區年峰值日照時數約為1460h，年水平總輻射約4800MJ/m2。設計規模為1000kWp的分布式光伏發電項目，所有電池板陣列安裝在建筑屋面，項目服務區、收費站建筑屋面均為朝南向，建筑間隔樓距較大，相互無遮擋，四周較空曠，無高建筑遮擋，當地太陽能資源較為豐富，日照時間長，適合安裝太陽能光伏電站項目。

光伏發電是在光生伏特效應的作用下，利用太陽能電池方陣的太陽能電池吸收光能，在太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，太陽能電池一般為硅電池是能量轉換的器件，平均光電轉換效率在17%和19.6%之間

（三）多能源互補系統構想

針對服務區多能互補概念薄弱，綜合能源系統效率偏低，但用能需求多樣，包括向社會司乘人員和服務區從業人員提供冬季采暖、夏季制冷、日常供電與熱水等基本服務功能，能源需求量巨大，碳排放偏高等系列問題，根據湯泉池服務區供暖需求的特點，結合地方環保要求，充分考慮資金投入和服務區建設規劃，擬在本項目建立多能互補的交直流柔性微電網系統，通過多種能源之間相互補充和梯級利用，提升能源系統的綜合利用效率，構成豐富的清潔、低碳供能結構體系，實現清潔能源之間的深度融合，服務區各類分布式能源系統進行多能互補、優化調度，打造低碳服務區。

圖2 湯泉池服務區光伏布設

通過多能互補實現對太陽能等可再生能源的高效、高比例消納與轉化利用。采用太陽能供電，空氣能或地熱能供暖（冷），并輔助儲熱、儲電等技術，實現冷熱電融合。使用空氣能或地熱能供暖（冷），可消納光伏發電，在光伏發電量大時，可利用儲熱技術進一步消納電量，光伏發電量不足或夜間，可使用儲熱裝置放熱，從而實現夜間低耗能供熱，增強各能源間的聯系，進一步提高終端用戶的能源利用率，最大程度地促進可再生能源的就地消納，提高服務區能源系統的能源利用率、經濟性與穩定性，減少服務區對外界的能量需求。

三、服務區分布式光伏發電應用

（一）清潔能源循環利用

服務區運營有采暖及提供生活熱水的需求，需消耗大量能源。采用清潔能在保證使用功能的同時，在全壽命周期內源循環利用，最大程度實現建設過程及運養階段節能、降碳。

圖3 湯泉池服務區原貌

鑒于湯泉池服務區具有溫泉資源，如圖3所示，首次在服務區利用溫泉水源熱泵技術，充分利用地熱能為服務區提供取暖能源。冷熱源采用螺桿式水源（溫泉）熱泵機組，冬季從地下水吸取熱量，冬季提供45/40℃熱水；夏季將系統熱量釋放到水庫，夏季提供7/12℃冷水，末端采用“風機盤管/空調機組+新風系統”，如圖4所示。

圖4 水源(溫泉)熱泵設計

光伏發電運行模式是由太陽能電池組件陣列作為吸收因子，在太陽輻射的條件下，將吸收存儲的太陽能轉換為輸出的電能，再由并網逆變器逆變成交流電供給服務區用電設備使用，通過連接電網調節多余或不足的電力，完成完整的用電、補給、存儲。在服務區建設過程中，可以考慮光伏建筑一體化，把光伏發電系統與建筑物同時設計、同時施工、同時投入使用，如用光伏組件來做建筑物的整個屋面、外墻和玻璃幕墻，在停車場安裝太陽能光伏棚，場區照明采用光電互補供能等。

（二）湯泉池服務區減排降碳測算

1.發電量計算

發電量計算公式：Ep=HA×A×ni×K

其中，Ep—上網發電量（kwh）

HA—水平面太陽能總輻照量（kW·h/m2，峰值小時數）

A—太陽能組件安裝面積

ni—組件轉換效率

K—綜合效率系數

其中，H A 暫按鄭州所在經緯度取值。轉換效率按17%的規范最低值進行計算。綜合效率按規范取值0.75～0.85。太陽能光伏板尺寸規格沒有固定，考慮安裝角度、太陽能板的尺寸安裝契合度等因素，單位面積光伏板年發電量約為180kWh/m2，單位場地面積年發電量可按150kWh/m2。

圖5 服務區光伏發電系統流程

2.減排量及節約量計算

1kWh的光伏發電的CO2減排量是不固定的，電網新能源占比越高，CO2的減排值越低。相應的減排數量如表1所示，湯泉池服務區光伏發電系統設置后的碳排放減少量及能源節約量如表2所示。

表1 減排因子為單位值時減排數量

表2 湯泉池服務區碳排放量及能源節約量

四、結語

《增長的極限》一書得出結論：人類足跡己經對自然環境產生過度影響，生態系統的自我修復能力己經難以為繼，若現有的人口增長率和資源消耗率保持不變，地球的承載能力將要達到極限，呼吁能源節約從極限增長向可持續增長轉變。

因此，作為交通運輸領域新型基礎設施建設重點工程示范項目，在湯泉池服務區及項目沿線各場站利用自身有利條件設置光伏發電系統，通過調整能源結構來改善生態平衡與經濟發展之間的矛盾關系，響應了國家大力發展新能源的號召，充分利用了服務區的場地資源，堅持節約用能，將節約能源作為降碳的首要途徑，提升傳統能源利用效率，提高清潔能源占比，能夠有效降低傳統化石能源的損耗，保護生態環境，為踐行綠色公路理念提供技術支撐，建設成為“節能降耗、資源節約、環境友好、暢通耐久”的高速公路，實現了可持續發展和較大的社會效益，與此同時，每年還可以節約電費支出，為建設節約型社會添磚加瓦。