江苏省高速公路站区光伏能源综合利用研究

2020-04-28许雪记徐文文殷承启曹亚丽字素平

能源环境保护 2020年2期

许雪记，徐文文,*，殷承启，曹亚丽，字素平

(1.中设设计集团股份有限公司，江苏南京210014；2.江苏省交通运输环境保护工程技术研究中心，江苏南京210014)

0 引言

江苏省高速公路是中国华东地区重要的交通枢纽。截至2016年底，全省高速公路里程4 539 km，其中属于江苏交通控股公司投资管理的高速公路里程近4 000 km，占比87%；江苏省高速公路密度已居全国各省区之首，首轮规划的“四纵四横四联”高速公路网络主骨架全面建成，且已基本建成“五纵九横五联”的高速公路路网布局[1]。此外，江苏省高速公路沿线站区服务设施数量多，经统计共有服务区88对，收费站396处，平均每个服务区面积60～80亩，利用高速公路服务区、收费站、办公楼屋面资源建设光伏发电系统为新能源的发展提供了广阔的应用空间[2]。

另一方面，江苏省全年日照时数(绝对日照)平均为1 300～1 450 h，空间分布上，江苏省全年日照时数(绝对日照)表现为由南向北递增的趋势，时间分布上，全省各地日照时数均以夏季最多，冬季最少，各占全年的29.0%～32.8%、20.1%～21.3%，苏北地区春季多于秋季，苏南地区秋季多于春季。全省全年太阳天文辐射总量4 600～5 440 MJ/(m2·a)[3]，空间上表现为由南向北递增、西部地区小于东部地区的分布特征，时间上呈现夏季>春季>秋季>冬季的分布特征。总体而言，江苏省太阳能资源丰富度属于我国第三类太阳能资源区域，适合建设光伏发电项目，且由南向北太阳能资源丰富度处于递增趋势[4]。

考虑到江苏省的高密度高速公路路网及站区附属设施，利用我省高速公路沿线站区资源建设光伏发电项目显得尤为必要，既能实现社会经济效益，又能提升高速公路整体环境品质[5]，有利于打造“绿色、低碳、环保、节能”的江苏高速公路新形象，也有利于引导社会树立绿色发展理念[6]。在了解江苏省高速公路沿线服务区、收费站、办公楼屋面面积以及服务区停车场面积的基础上，估算可利用屋面面积和可进行光伏车棚改造的服务区停车场面积，确定光伏屋面和光伏车棚的装机规模和发电量，并结合高速公路用电情况分析其运行方式。

1 站区光伏能源利用研究方法

1.1 装机规模的确定方法

在确定光伏屋面和光伏车棚装机规模时，首先通过现场调研结合问卷调查的方式确定屋面和车棚可利用面积。

通过选择京沪高速、沪宁高速、宁杭高速、沿江高速四条典型高速公路开展江苏声高速公路典型服务区和收费站进行可利用面积分析。此外通过向江苏省各路公司发放站区调研问卷，调查表主要包括用电情况调查和屋顶信息调查两大项内容，用电情况调查包括2016年和2017年用电量以及电费的调查，配电房部分的调查，白天用电情况调查；屋顶信息调查包括站区屋顶总面积、其中平顶的面积、坡顶的面积和坡顶的坡度比等根据可利用面积占屋面总面积的比例，估算江苏省高速公路站区可利用屋面面积。

确定可利用车棚面积时，选择确定可利用的车棚类型，通过选择典型站区分析可利用车棚面积，再根据可利用车棚面积占站区总面积的比例，估算江苏省高速公路站区可利用车棚面积。确定光伏屋面和光伏车棚可利用面积后，根据光伏企业通过软件模拟及实际项目案例提供的单位面积安装量确定装机规模。

1.2 发电量计算方法

采用标准小时数法计算高速公路光伏屋面首年发电量，且采用综合估算、分屋面类型估算两种方法进行测算。综合比较分析后，确定江苏省高速公路光伏屋面首年发电量。根据首年发电量，计算25年合计发电量。

标准小时数计算法是根据系统安装容量和标准日照小时数进行计算的方法[7]。光伏电站发电量根据下式计算：

EP=P×H×K

式中，P为光伏电站系统安装容量，kWp；

H为光伏电站厂址所在地标准小时数，单位为h；

K为综合效率系数，一般取75%～85%。

根据规定，光伏组件首年衰减不得超过2%，以后每年的衰减不得高于1%，25年不得高于20%(递进衰减)；根据光伏企业调研数据，光伏组件一般年均衰减小于0.5%。本报告估算25年内逐年发电量时，采取保守态度，首年衰减值取1%，以后每年的衰减值取0.6%，年发电量估算公式如下：第N年发电量=初始年发电量×(1-N×组件衰减率)。利用此公式计算逐年发电量，然后汇总计算25年发电量[8]。

2 高速公路站区光伏屋面研究

2.1 江苏省高速公路光伏屋面总装机量

通过根据京沪高速、沪宁高速、宁杭高速、沿江高速4条高速公路的分析结果，估算回收调查表中站区的屋面装机容量。在有效回收的高速公路光伏能源利用调查表中，共有服务区79对，收费站274个，总计屋顶面积约有60.4万m2，其中平屋顶面积为18.7万m2，坡屋顶总面积为44.5 m2，可利用屋顶总面积为26万m2，占比为43.0%，可利用平屋顶面积为11.2万m2，占比为18.4%，可利用坡屋顶面积为14.9万m2，占比为24.5%。

江苏省高速公路共计服务区88对，收费站396个。据此估算出江苏省所有服务区和收费站共计屋顶面积约83万m2，可进行光伏能源利用的面积占比按43%计算，则约有35万m2的屋面可进行光伏建设。其中，平屋面可利用面积为15万m2，坡屋面可利用面积为20万m2；按照光伏企业给出的屋面单位面积装机量，平屋面每平方米装机容量约80 W，坡屋面每平方米装机容量约100 W，计算得江苏省高速公路服务区和收费站屋面共计可安装光伏发电装机容量为32 MW。

2.2 江苏省高速公路光伏屋面发电量测算

① 综合估算光伏发电量

采用标准小时数法计算时，综合效率系数取值不随屋面类型变化，为综合平均值，一般取75%～85%。由于有很多坡屋面方位角和倾角没法调整至最佳，考虑其发电效率较低，综合效率取值比一般电站水平的最低值75%稍小，取70%；江苏省平均日峰值日照时间为3.93 h；光伏屋面装机量为32 MW。计算得光伏屋面的首年发电量为3 213万kWh。

② 坡屋面光伏发电量测算

根据京沪高速、沪宁高速、宁杭高速、沿江高速四条高速各类型屋面型式的统计分析，总结可利用面积中不同方位角坡屋面所占比例，具体见表1。

表1 可利用坡屋面中不同方位角屋面所占比例

注：向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度(下同)

由前期计算结果可知，可利用坡屋面总面积为20万m2，可利用平屋面总面积为15万m2。根据表1中的计算结果，推求全省高速公路可利用坡屋面中不同方位角的屋面面积，并计算各方位角坡屋面的装机容量，具体计算结果见表2。

表2 全省高速公路站区不同方位角坡屋面面积及装机量

根据各方位角坡屋面的装机容量，考虑不同方位角屋面的太阳能利用效率，采用标准小时数法计算不同方位角坡屋面的发电量，具体计算结果见表3，江苏省高速公路服务区和收费站坡屋面光伏系统首年发电量为1 861万kWh。

表3 全省高速公路站区不同方位角坡屋面光伏发电量

③ 平屋面光伏发电量计算

由于平屋面光伏组件安装倾角和方位角均可调节至最佳位置，其发电效率较坡屋面光伏系统高，计算时综合效率系数可取稍大值，采用光伏企业技术人员提供的建议值78%；江苏省平均日峰值日照时间取3.93 h；平屋面装机量为12 MW。计算得全省平屋面光伏首年发电量为1 343万kWh。

④ 站区光伏屋面总发电量

根据上文，江苏省高速公路站区坡屋面与平屋面的光伏发电量为：1 861万kWh+1 343万kWh=3 204万kWh。

比较分析综合估算值和分屋面类型估算值可知，两种估算结果差别很小，因此江苏省高速公路光伏屋面首年发电量取3 200万kWh。

根据前文所述计算方法，计算得江苏省高速公路光伏屋面25年发电量如表4，全省高速公路光伏屋面25年发电总量约7.3亿kWh。

表4 江苏省高速公路光伏屋面25年发电量万kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合计发电量15 57515 02114 55114 08013 61072 837

3 高速公路服务区光伏车棚研究

3.1 光伏车棚利用方案的建议

① 可进行光伏能源利用的停车场确定

服务区停车场分为小型车位和大型车位，其中小型车位光伏车棚所需净空仅2.2 m左右，方便实施，经济回报率较高，改造难度较低；大型车位光伏车棚所需净空不低于4 m(有部分超高货车)，车棚结构投资成本约小车车棚的2倍，经济回报率较低，改造难度大，因此建议车棚光伏化只针对小型车停车场[9]。

收费站停车场主要用于站区工作人员内部车辆的停放，停车场面积很小，而且周围有收费站办公楼等其他建筑和绿化树木的遮挡，不建议进行光伏车棚改造。

综上，站区光伏车棚改造，仅选择高速公路服务区小型车停车场进行。

② 光伏车棚改造形式分析

目前，常用的车棚形式根据立柱设置情况，可分为单立柱和双立柱两种形式。为了减少对停车的影响，光伏车棚的立柱应尽可能减少，因此推荐采用单立柱形式。

3.2 光伏车棚装机容量估算

通过对江苏省各路公司服务区的平面布置进行了调研，本研究基于现有调研结果选择资料较为齐全的沿江高速、宁常高速、沿海高速、宁靖盐高速等高速的9个服务区，分析了小车位面积及服务区总面积情况，分析统计数据见表5。表5中选取的4条高速公路在全省高速公路中具有较强的代表性，且沿线服务区覆盖苏南、苏中、苏北。因此，本报告利用表中统计的小型停车场面积占服务区总面积的平均比例2.58%，估算江苏省高速公路服务区小型车停车场的面积。

江苏省高速公路沿线共有服务区88对，平均每个服务区面积60～80亩。因此，江苏省高速公路服务区总面积大约为88×70亩=4 106 669 m2，即约411万m2。小型车停车位面积按照服务区总面积的2.58%估算，则江苏省高速公路服务区共计约11万m2的小型车停车场可进行光伏车棚改造，即光伏车棚可安装光伏组件的面积为11万m2。

光伏车棚光伏组件的安装形式与站区坡屋面光伏组件安装形式相似，光伏组件的安装倾角和方位角不可随意调整，需根据车棚的设计方位角和倾角直接满铺安装。采用光伏企业提供的经验数据，平均每平方米安装装机容量按100 W估算，则江苏省高速公路光伏车棚共计可以安装光伏发电装机容量约11 MW。

表5 部分服务区小型车停车场面积占服务区总面积的比例

3.3 光伏车棚发电量估算

① 光伏车棚首年发电量估算

江苏省的平均日峰值日照时间取3.93 h，光伏车棚的发电效率与光伏屋面相似，由于存在少部分阴影遮挡以及方位角和倾角不易调整等因素，发电效率较常规地面电站的发电效率低，光伏车棚综合效率系数取70%。计算得江苏省高速公路服务区光伏车棚首年发电量为1 105万kWh。

本报告取江苏省高速公路服务区光伏车棚首年发电量为1 100万kWh。

② 光伏车棚25年发电量估算

根据前文计算方法，计算光伏车棚25年发电量，结果见表6，江苏省高速公路光伏车棚25年发电总量约2.5亿kWh。

表6 江苏省高速公路光伏车棚25年发电量万kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合计发电量5 3545 1645 0014 8414 67925 039

4 站区光伏发电运行模式分析

目前，我国分布式光伏发电分为“自发自用”、“自发自用，余量上网”及“全额上网”三种运行模式[10]。

站区光伏能源利用即站区光伏屋面和光伏车棚，位于高速公路服务区及收费站内，就并网条件来讲完全有条件接入站区，自发自用，但需要考虑站区对所发电能的具体消纳能力。

根据调研，高速公路站区昼间用电量约占高速公路总用电量的一半，约8 500万kWh，而站区光伏首年发电量约4 300万kWh，仅为站区昼间用电量的50%，从整个高速公路系统来分析，站区光伏发电量可以被站区完全消纳。考虑到高速公路各站区用电量存在差异，如要详细分析站区光伏发电自发自用的可行性，需具体分析每个站区的具体用电量及发电量，由于研究范围覆盖整个高速公路系统，随机抽取典型服务区和收费站进行自发自用可行性分析。随机选取的4条高速公路在全省高速公路中具有较强的代表性，且沿线站区覆盖苏南、苏中、苏北，在选择站区时还兼顾了用电量较大和较小的站区。

经过抽样分析发现，高速公路站区光伏系统所发电量均小于其昼间用电量，站区光伏发电可以完全以“自发自用”模式运行。