交能融合背景下廣西高速公路服務區分布式光伏方案研究

摘要：文章以廣西G72泉南高速公路桂林至南寧段的服務區為例，統計高速公路沿線服務區建設分布式光伏發電系統的基本建設方案及收益，制定滿足高速公路服務區分布式光伏微網方案，以實現發電自用、就地利用、余量上網，既能滿足服務區日常用電和充電樁用電的需求，又能推進和打造綠色低碳化高速公路服務區。在廣西高速公路服務區建設分布式光伏具有較好的經濟效應，可以在廣西高速公路項目沿線設施的推廣和應用。

關鍵詞：分布式光伏發電；高速服務區；方案設計；光伏組件

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0 引言

2022-09-10，廣西壯族自治區多部門聯合印發《關于加快推進區直國有企業綠色發展的實施意見》，明確提出促進交通與新能源產業融合發展。推動高速公路、航道、樞紐場站、港口、鐵路和機場等基礎設施，利用光伏、風力、地熱等可再生能源開發分布式發電與儲能項目，分區域構建綜合交通樞紐場站“分布式光伏+儲能+微電網”的交通能源系統，促進交通運輸基礎設施網與智能電網融合。“交通運輸+綠色能源”融合發展為高速公路綠色低碳轉型提供了良好思路［1］，且重點考慮在高速公路服務區中的利用，例如許雪記的江蘇省高速公路站區光伏能源綜合利用研究就闡述了江蘇高速站區光能源的利用［2］。

本文以廣西壯族自治區部分高速公路服務區為例，統計高速公路沿線服務區建設分布式光伏的基本建設方案及收益，制定滿足高速公路服務區分布式光伏微網方案，實現發電自用、就地利用、余量上網［3］，既能滿足服務區日常用電和充電樁用電的需求，又能推進和打造綠色低碳化高速公路服務區，建設一種新形式的高速公路服務區［4］，以積極響應《廣西綜合交通運輸發展“十四五”規劃》明確的綠色交通發展要求，為交能融合行業標準規范的制定夯實基礎，助力推動交通領域綠色低碳發展和資源高效利用轉型發展，充分發揮廣西發展交能融合項目的示范引領作用。

1 項目基本情況

以廣西桂林到南寧段高速公路為例，該段高速公路為G72泉南高速桂林至南寧段，全長約350 km。該段高速公路共設置有服務區八對，分別為：桂林服務區、永福服務區、波寨服務區、鹿寨服務區、新興服務區、來賓服務區、賓陽服務區、伶俐服務區。由于來賓服務區廠址現階段不適合建設分布式光伏項目，因此僅統計除來賓服務區外另外七對服務區。

2 服務區分布式光伏系統設計

光伏發電系統通過將太陽能電池組件，由一定數量串聯成一串以達到逆變器額定輸入電壓，再將若干組串并聯達到系統預定的額定功率。每個光伏發電陣列由包括太陽能電池組件、逆變器和配電裝置構成。若干個光伏陣列通過導線的連接共同組成一座光伏電站。

2.1 服務區光資源分析

由于站址所在地無多年實測數據支持，需通過光伏系統PVsyst軟件分別建立NASA、Meteonorm、Solargis數據對場址太陽能資源進行模擬測算，詳見表1。

參考氣象站南寧站的多年實測平均光輻射數據為4 593 MJ/m2，南寧站的NASA、Meteonorm、SolarGIS分別為4 934.8 MJ/m2、4 424.3 MJ/m2、4 665.6 MJ/m2，可見SolarGIS數據庫數據與南寧站實測數據最為接近。同時根據工程經驗來看，SolarGIS太陽能數據更接近實際廠址太陽輻射數據，因此太陽總輻射量按照SolarGIS數據庫數據推算，后續發電總量的計算也是基于SolarGIS數據庫數據測算。

2.2 光伏組件的選擇

目前市面上工商業用光伏板主要采用高效單晶光伏組件，對單晶硅光伏組件而言現階段主要有P型和N型的區分。

其中P型為PERC高效單晶組件，具備較低的組件衰減率，首年衰減為2%，組件經年衰減為0.55%。技術成熟，已經經過多年來市場大規模驗證十分可靠，目前市場占比超過60%，為市場上主流板件，單價較低。

N型根據技術路線不同，可分為TOPCon、HPBC、XBC、HJT和HPDC等新型電池等高效技術。N型技術推動著組件功率密度、效率逐漸增大。此外，組件之間的接線減少，可以減少直流線損。這一技術進步間接造成同等規模光伏電站的設備價格降低，安裝工程量、運行維護費用減少，建設投資得到有效控制。首年衰減為1%，組件經年衰減為0.45%.具有更優良的衰減率和轉換率。N型是目前主流光伏廠家正在嘗試升級的主要技術路線。

N型組件對比P型組件雖然單價較高，但整體在度電成本上有一定優勢，轉換效率更高，加上N型的衰減率更小，且N型組件在溫度系數、背面增益等方面明顯優于P型組件。因此，在地面光伏系統中，N型組件，尤其是N型雙玻組件是具有較好的經濟和技術優勢前景。

因此本次測算采用單片620 Wp的N型雙玻組件。

2.3 逆變器的選擇

并網逆變器是光伏發電系統中的關鍵設備，必須要選擇性能可靠，效率高的設備。

常見的光伏逆變器結構大體分為：組串式逆變器、集中式逆變器、微型逆變器、集散式逆變器。其中微型逆變器適不適用于本項目，暫不考慮。針對其余三種逆變器類型，進行了比選，詳見表2。

本項目為高速服務區光伏發電系統，規模較光伏集中電站較小，且發電單元分散不集中，集中式逆變器不適合。綜合考慮后，本次測算采用組串式逆變器。

2.4 光伏系統設計

綜合考慮大車泊車安全及光伏陣列架設安全，故擬在服務區現狀樓棟及小車停車場上架設光伏陣列。光伏停車棚能為司乘游客避免日曬雨淋的空間，給停車棚多加了一層“隔熱層”。同時光伏停車棚外觀極具科技感，又切合環保主題，是當下新興的交能融合方向的極佳展示平臺。

由于光伏組件和并網逆變器都是可根據功率、電壓、電流參數相對靈活組合的設備，本項目采用模塊化設計、安裝施工，根據前面選定620 Wp單晶硅組件及組串式逆變器，本項目子陣的排布方案如下：

每20/19/18塊為一個組串，每8/9個組串接到一臺110 kW組串式逆變器。多臺逆變器擬直接接入配電房380 V側新設置的并網柜內。

具體裝機容量及方案詳見表3。

2.5 發電量估算

進行發電量的估算首先要算出并網光伏發電系統的總效率。并網光伏發電系統的總效率由光伏陣列的效率、逆變器的效率、交流并網效率三部分組成。

其中光伏陣列效率η1綜合遮擋損耗、直流線纜損耗等各項以上各因素后，取組件η1=91.04%；逆變器的轉換效率η2綜合逆變器轉換的損失、最大功率點跟蹤（MPPT）精度損失等各項以上各因素后，取η2=96.92％；交流并網效率η3綜合電網的傳輸效率和線路損耗等各項以上各因素后取η3=94.11%。

綜上，本項目光伏系統的總效率等于上述各部分效率的乘積，即：

η＝η1×η2×η3=91.04%×96.92％×94.11％=83.03%

根據組件設計，結合項目地區每月日均太陽輻射量數據（基于SolarGIS數據，以最佳傾角輻照量進行計算），每月實際天數以及轉換效率，依次可以得出每個月的發電量。每月供電量累加即為年發電量。組件首年衰減率為1%，逐年衰減率為0.4%。

基于上述數據，本次測算共計七對服務區，總裝機容量為17.998 MWp。總首年發電量為1 831.093×104 kW·h，折算首年綜合利用小時數為1 017.39 h；25年年平均發電量約為1 742.313×104 kW·h，折算25年年平均綜合利用小時數為968.13 h，25年總發電量為43 557.83×104 kW·h。

3 儲能系統及充電樁系統

儲能是新能源微網中的一個重要組成部分，能夠起到提高新能源消納水平的作用。儲能系統一方面可以將白天富裕的光伏發電儲存后，待到晚上繼續使用；另一方面還可以在電價谷期充電，峰期放電，實現上網利益最大化［5］，同時能支撐服務區晚間用電需求，建設零碳服務區。

但是，由于目前儲能系統的單價仍然較高，且服務區電費電價的峰谷不明顯，使得在服務區建設儲能系統的經濟效益不是很高。通過測算，儲能系統容量按照光伏發電容量的10%，儲能時長2 h建設，將會延長項目投資回收期約2年。因此從經濟性考慮，暫不建設儲能設施，僅預留儲能接口。

近幾年國家大力推行新能源電動車，尤其是近兩年，隨著國產新能源自主品牌的崛起，新能源電動車的保有量和滲透率呈現井噴之勢。到2023年年底，新車銷售的新能源電動車滲透率已經幾乎達到了40%。可以預見，到了2024年，新能源電動車滲透率將很快達到50%，也達到一個歷史拐點。

因此，高速公路服務區充電樁建設對吸引新能源汽車上高速公路，解決新能源車主高速公路充電的后顧之憂，促進新能源汽車推廣使用起到積極作用［6］。以伶俐服務區為例，圖1為伶俐服務區逐月用電量曲線圖。由圖1可知，2022年1月充電樁還未投入使用，即隨著2022年年底疫情結束后，服務區用電量整體呈現回暖的趨勢，以7月、8月暑假高峰期用電量為高峰值，整體呈增長的趨勢。尤其是充電樁用電更是在常規用電渡過暑期高峰期呈現下降趨勢的情況下，依舊保持增長的態勢。可以預見，充電樁用電量在服務區用電量的比重將會越來越高。

4 經濟評價

以伶俐、賓陽、新興、鹿寨四對服務區為例，服務區內白天用電比例約占總用用電量的50%。統計服務區用電量與建設分布式光伏的發電量的數據可得到表4的服務區首年發電量與服務區2023年用電量的電度數據。

建成后首年，伶俐服務區、賓陽服務區、新興服務區、鹿寨服務區預計用光伏電量應該分別為166.00×104 kW·h、110.35×104 kW·h、110.11×104 kW·h、80.27×104 kW·h，分別占光伏發電量的68%、31%，32%，41%。考慮到光伏建成后發電量逐年衰減，服務區用電量，尤其是充電樁用電量會呈逐年遞增的態勢，因此本項目光伏發電用電量暫時按照55%自用，45%上網估算。

自用部分占總發電量的55%考慮，上網部分占總發電量的45%考慮，根據服務區年度用電量及費用可得出服務區全年平均用電電價為0.75元/kW·h，上網部分電價根據政策為0.420 7元/kW·h。

綜上，可算出本項目綜合電價為：0.75×55%+0.420 7×45%=0.601 81元/kW·h。

根據測算，服務區光伏建設成本靜態單位投資為3 486.17元/kW/Wp，動態單位投資為3 546.13元/kW/Wp。資金來源按注冊資本金占總投資的20%，其余80%為貸款融資。貸款利息按市場貸款年利率4.3%計算。

工程概算靜態投資為6 274.07萬元，動態投資為6 381.98萬元。按上網電價0.601 81元/kW·h（含稅）下測算項目投資財務內部收益率（所得稅前）為11.61%，項目投資回收期（所得稅前）為8.7年；項目投資財務內部收益率（所得稅后）為10.24%，項目投資回收期（所得稅后）為9.27年；資本金財務內部收益率為23.78%，總投資收益率（ROI）為7.35%，項目資本金凈利潤率（ROE）為24.61%，具備較好的經濟性，該項目財務上是可行的。

5 結語

交通和能源均為國家重要的支柱性行業，在“碳達峰，碳中和”的時代背景之下，高速服務區分布式光伏微網方案既能滿足綠色低碳的能源要求，又能滿足高速公路服務區項目的完善需求。

本文以廣西G72泉南高速公路桂林至南寧段的服務區為例，介紹了服務區內建設分布式光伏發電的方案及經濟評價，為推進廣西高速公路交能融合的發展，提供了經驗和數據支持。通過對新建的光伏發電系統發電量的測算及經濟效益評價，結果可以表明：在廣西高速公路服務區建設分布式光伏具有較好的經濟效應，可以考慮和推廣分布式光伏發電系統在廣西高速公路項目沿線設施的推廣和應用。

參考文獻：

［1］張友民，馬冬冬.交能融合背景下的高速公路綠色電力發展研究［J］.光源與照明，2022（12）：177-179.

［2］許雪記.江蘇省高速公路站區光伏能源綜合利用研究［J］.能源環境保護，2020，34（2）：43-47.

［3］李紅明.新時期現代建筑太陽能光伏發電系統的設計［J］.光源與照明，2023（5）：141-143.

［4］魏 坤，劉 洋，周立欽，等.交能融合在高速公路服務區建設中的應用研究［J］.交通節能與環保，2023，19（1）：86-90.

［5］戴 安，岳萌萌，吳凱檳.分布式光伏、儲能應用價值及商業模式研究［J］.工業加熱，2022，51（10）：61-64.

［6］鄭義恒，劉良旭，劉 燕.新建高速公路服務區新能源汽車充電樁建設探討［J］.西部交通科技，2021（6）：206-208.