光伏發電供電系統在延子高速公路中、短隧道中的應用

薛軍秀,朱文強,吳曉明,張 偉,郭 亮,韓銘濤

(陜西交通控股集團有限公司,陜西 西安 710065)

“十三五”以來,陜西省高速公路建設里程2 170 km,通車里程突破6 000 km,實現了縣縣通高速的目標。隨著高速公路建設速度的加快,隧道數量也在逐年攀升,但由于絕大多數隧道位于偏遠山區,基本采用傳統的市電供電配電系統為隧道供電,使得高速公路通車以后,運營成本居高不下[1-2],低碳理念下的綠色公路越來越引起了人們的關注[3],且在高速公路的服務區、收費站等領域的應用也越來越廣泛[4]。但受隧道口的地形、日照條件、高用電負載等影響,光伏發電技術在高速公路隧道的應用案例還不多。針對太陽能光伏供電系統供電的可行性、優越性,學者們依托個別試點項目做了大量的理論研究和探討。為解決高海拔、偏遠、無電地區隧道的照明需求,苗廣營等[5]依托瀾青海省滄江隧道,對隧道光伏供電系統進行了專項研究,重點圍繞微電網關鍵技術研究與集成,開展了電池管理系統的開發,及電池均衡技術、電池安全控制策略等的研究,并在隧道兩端分別建成兩套光儲微網系統,帶動隧道內LED節能燈和工區房照明用電。趙東旭[6]進行了隧道照明系統方案設計、蓄電池充電控制器設置、太陽能單軸跟蹤器設計研究,為光伏發電供電系統在隧道中的應用提供了思路。張世平等[7]通過仿真分析的方法,將太陽能薄膜光伏技術與遮光棚技術相結合,實現了隧道照明節能和供電功能的統一,但該技術尚處于發展階段,還需進一步的研究。田盟剛[8]對朱家溝隧道照明系統進行LED改造設計,并與傳統的隧道供電模式進行了對比,表明光伏發電技術應用到隧道具有很多優勢,且值得推廣。韓霄等[9]設計了蓄電池充放電控制系統、LED照明控制系統,對固定系統與陽光自動跟蹤系統進行了比較,完成了市電+光伏發電為隧道照明系統的供電的設計,并實施了兩個示范工程,社會效益明顯。金蕊[10]以某一短隧道為研究對象,從方案選擇、設計計算、經濟效益等方面分析了太陽能光伏發電系統在短隧道中應用的可行性。為充分利用清潔能源,減少隧道后期運營成本,延子項目在延子高速公路兩座隧道分別安裝分布式光伏發電系統,并采用“市電+光伏發電”供電方式,為隧道照明、監控等設施供電。基于延子高速公路兩座隧道光伏發電項目,從光伏發電板的布設位置、光伏發電系統的組成、隧道供電方式、經濟效益等方面,歸納總結了光伏發電供電系統在延子高速公路中、短隧道中的應用亮點與不足,并針對這些不足,提出了優化建議。

1 延子高速公路概況

1.1 項目概況

延安至子長高速公路路線全長55.173 km,采用雙向四車道高速公路設計標準,設計速度采用80 km/h,整體式路基寬度25.5 m,是國家高速公路榆藍線和長延線間的迂回通道,項目于2018年6月開工建設,2020年9月通車運營。全線共設四座隧道,即墩兒山隧道、劉家崖隧道、寨子溝隧道和康家塬隧道。寨子溝隧道左線長415 m,為短隧道,右線長度524 m,為中隧道;墩兒山隧道左線長855 m,為中隧道,右線長度501 m,為中隧道。結合四座隧道洞口前的場地情況、地形情況、地基地層巖性、地下水分布、采光條件等現場實際情況,最終選定在寨子溝隧道南口、墩兒山隧道南口分別安裝分布式光伏發電板。

1.2 隧道機電工程

延子高速公路隧道機電工程主要包含隧道監控、隧道照明、隧道供配電系統、隧道消防系統等,墩兒山隧道、寨子溝隧道的用電負載詳見表1和表2。根據隧道機電主要設備的數量和功率,計算得到墩兒山隧道、寨子溝隧道的用電負載分別為68 253 W、62 700 W,日用電量分別為1 638 kW·h、1 505 kW·h,年用電量分別為59.8萬kW·h、54.9萬kW·h。

表1 墩兒山隧道主要機電設備

表2 寨子溝隧道主要機電設備

2 延子高速公路隧道光伏發電供電系統設計

2.1 隧址區太陽能資源

延子高速公路位于陜西省延安市與子長縣之間,隧址區屬于黃土梁峁溝壑地貌,平均海拔高度1 121～1 252 m,年總輻射在5 220～5 400 MJ/m2,屬我國Ⅲ類太陽能資源區域,滿足光伏發電系統的日照要求。

2.2 光伏發電板的布設

(1)布設數量。

兩座隧道均為分離式隧道,兩洞中軸線最小間距約19 m,結合兩座隧道南口的場地和采光條件,將光伏發電板設置在隧道南口左右線之間的三角地帶,其中寨子溝隧道三角地帶縱向長度約450 m,平均寬度約80 m,墩兒山隧道三角地帶縱向長度約320 m,平均寬度約60 m,共安裝680塊組件(墩兒山隧道300塊、寨子溝隧道380塊)。

(2)支架方案的選擇。

項目位于高緯度地區,可采用固定支架、單軸跟蹤支架、雙軸跟蹤支架,由于雙軸跟蹤支架和單軸跟蹤支架成本偏高,對應的樁基等建設成本也偏高,綜合考慮其可安裝性、安全性、廣泛性及經濟性,最終采用固定支架建設方案,即在地面支架上進行光伏板的布置,方位角按正南正北方位角布置,安裝傾角為35°,方位角為0°。

2.3 光伏發電系統組成

光伏發電系統采用組串式設計方案,由太陽能電池組件、組串式逆變器等組成。太陽能電池組件選型為320 Wp多晶硅電池,每20塊組件為一串,共34串,總裝機容量為217.6 kW(墩兒山隧道96 kW、寨子溝隧道121.6 kW);組串式逆變器選型分別為2臺50 kWp組串式逆變器、2臺60 kWp組串式逆變器。

(1)墩兒山(大寨)隧道北口光伏方陣。

墩兒山隧道北口光伏方陣選用320 Wp太陽能單晶電池組件300塊,通過2臺50kW組串逆變器逆變為0.38 kV交流電,通過交流匯流箱匯流后經電纜就近接至墩兒山隧道供電電源配電箱。

(2)寨子溝隧道南口光伏方陣。

寨子溝隧道南口光伏方陣選用320 Wp太陽能單晶電池組件380塊,通過2臺60 kW組串逆變器逆變為0.38 kV交流電,通過交流匯流箱匯流后經電纜就近接至寨子溝隧道供電電源配電箱。

(3)組件及支架接地。

組件接地采用銅纜,將相鄰兩塊電池組件的接地孔連接起來,兩端電池板采用銅纜與支架橫梁連接。通過支架與大地導通,形成防雷接地回路。光伏廠區接地扁鋼與支架可靠接地,相鄰兩組支架間通過熱鍍鋅扁鋼連為一排,每排支架通過兩端一根熱鍍鋅扁鋼引至主接地網,主接地網材料為熱鍍鋅扁鋼。

2.4 隧道供電方式選擇

經實地考察,兩座隧道洞口日均日照時間為4.5 h,本項目太陽能系統光電轉換系數為0.8,首年理論發電量為217.6 kW×4.5 h/d×0.8×365 d=28.6萬kW·h。參照各隧道用電負載,墩兒山隧道、寨子溝隧道光伏發電系統所發電量不能完全滿足隧道用電需求,考慮到光伏發電量及成本,系統未設置儲蓄電池,最終采用“市電+光伏發電”的供電方式為隧道供電。

2.5 運行情況

隧道光伏發電系統自2020年10月運行以來,運行穩定、良好,實際發電量與理論發電量基本一致。

2.6 運營維護

在運維方面,延子高速公路養護人員定期現場檢查發電系統的運行情況,及時解決運行中存在的問題,同時定期對光伏發電板進行清洗。

為方便項目后期運營維護,該供電系統配備了一套遠程監控軟件,該軟件可實現手機APP遠程監控,可隨時觀測系統運行情況,查看系統發電量,并及時發現故障。

3 本項目隧道光伏發電系統的經濟社會效益

延子高速分布式光伏發電項目總裝機容量為217.6 kW,其中工程靜態投資125.2萬元,工程動態總投資128.0萬元。項目建成后所發電量將全部由高速公路隧道內照明設施等設備自用,按照光伏組件10年內年衰減小于10%,25年內衰減小于20%計算,第一年發電量約28.6萬kW·h,25年總發電量約614.7萬kW·h。按照當地用電收費標準0.8元/(kW·h)計算,建成后首年發電收益約21.6萬元,預計5年可收回成本。25年發電總收益約491.8萬元,降低了運營成本,節約了標煤,減少了二氧化碳等氣體的排放。

4 本項目隧道光伏發電系統不足及建議

4.1 不足

受制于隧道口的地形,光伏發電板的布設數量有限,同時考慮成本,并未設置儲蓄電池,因此該項目只能采用“市電+光伏發電”供電方式為隧道供電,未能實現完全的脫離市電進行供電。

4.2 建議

(1)在前期進行隧道設計時,要結合本地區的日照條件及隧道洞口周圍地形條件,為太陽能光伏發電板規劃合適的位置,布設足夠的光伏發電板。

(2)光伏發電板支架采用雙軸跟蹤系統,可以在有限的光伏發電板上獲取更多的太陽能。同時盡量采用節能環保的照明燈具、 監控設備, 從而有效降低控制隧道用電負荷,并在光伏發電供電系統中設置儲蓄電池,逐步實現太陽能光伏發電系統離網運行。

5 結 論

(1)延子高速公路在兩座隧道分別安裝分布式光伏發電系統,并采用“市電+光伏發電”供電方式,為隧道照明、監控等設施供電,隧道光伏發電系統自2020年10月運行以來,運行穩定、良好,為光伏發電供電系統在高速公路中、短隧道中的應用提供了借鑒。

(2)受制于隧道口的地形,光伏發電板的布設數量有限,同時考慮成本,并未設置儲蓄電池。需在隧道前期設計、有效控制隧道用電負載、提高太陽能光伏發電設備光電轉換率、提高儲能電池的性能等方面做進一步研究,逐步實現離網運行,隧道光伏發電供電系統的市場將愈加廣泛。