沿大别山高速汤泉池服务区分布式光伏发电的应用

韩江超 王鹏 王记涛

（1.中交一公局集团第三工程有限公司，北京 450000；2.河南交投商罗高速公路有限公司，河南 郑州 450000）

践行绿色发展的交通强国是在贯彻“六个坚持，六个树立”的公路建设理念前提下，在循环发展、低碳发展的基础上，在低碳、节能、环保等新技术的应用上，把安全可靠、绿色智能的公路建设落到实处，完成绿色循环低碳交通运输体系战略目标。服务区作为高速公路的动力传输站，场地空间面积大，具有较大的循环低碳中枢潜力，充分发挥服务区的绿色低碳传输作用，为公路沿线的节能低碳提供能量补给，具有至关重要的作用。

一、沿大别山高速公路汤泉池服务区光伏发电系统建设情况

（一）清洁能源的需求

目前，能源利用大量借助传统的化石燃料、煤炭开采等高达近70%，非化石能源仅占约10%，化石能源资源利用与能源转化过程中产生了较大的污染，对环境造成了极大的破坏。在可持续发展的前提下进行能源革命，改变能源结构，降低环境污染和生态环境破坏，需要从当下的高碳向未来的低碳转变，开发清洁低碳新能源来保证能源供应安全，是解决传统能源数量有限、环境影响大、非化石能源占比低的必要措施。同时，落实国家《能源生产和消费革命行动方案（2030）》要求，以清洁能源开发为手段的能源革命也是推动绿色交通发展的着力点。

（二）服务区低碳建设要求

近年来交通行业对服务区的建设提出了更高的要求，2014年的《关于进一步提升高速公路服务区服务质量的意见》就提出了加强绿色服务区建设的要求，《关于实施绿色公路建设的指导意见》将“推进绿色服务区建设”列为五大专项行动之一，要求推行服务区污水处理、建筑节能、清洁能源、垃圾处理等新技术应用。

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的能源，充分利用太阳能对减少节能降碳有着重要意义。光伏发电就是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生、无污染的发电方式，具有无枯竭危险；能源质量高，安全可靠，无噪声，无污染排放外，绝对干净（无公害）；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电；建设周期短，获取能源花费的时间短等优点，并根据国家能源局发布的我国太阳能资源分布表，河南属于太阳能资源较丰富区域，适宜建设光伏发电站。高速服务区、收费站等场站，位置分散、面积较大的特点，适合设置分布式光伏发电系统。

（三）光伏发电建设模式

沿大别山高速公路河南省鸡公山至商城段（以下简称“项目”）是河南省高速公路“13445”第一批切块项目，路线全长123.32公里，首次贯通河南、湖北、安徽三省边界线的交通要道，积极推进鄂豫皖大别山区交通一体化战略构想，对促进大别山革命老区经济社会发展和旅游资源开发、巩固大别山区脱贫攻坚成果、实现区域协同发展等方面具有重要意义。

图1 汤泉池服务区效果图

项目针对工程特点，全面贯彻交通运输部《关于实施绿色公路建设的指导意见》，以“创新引领、绿色集约”为主线，执行“策划阶段倒序思考、实施阶段正序优化”的总体思路，将“节能降耗、资源节约、环境友好、畅通耐久”的绿色公路建设理念贯穿到沿大别山高速公路鸡公山至商城段的设计、施工、运营管理的全寿命周期，围绕不同实施阶段的绿色目标，开展光伏发电、储能和电动汽车充电一体化系统设计建设，实现项目绿色公路建设总体目标。

二、汤泉池服务区光伏发电系统设计

（一）设计理念

1.创新引领

创新是公路发展的强大驱动力，项目把创新贯穿到公路建设的各环节，打造创新引领的科技之路。针对分布式光伏应用（铺设光伏发电板、充电桩或充电站建设、分布式储能系统）在项目上综合应用面临的一系列问题，通过有针对性的科技攻关、现有科技成果消化吸收再创新以及成熟技术的推广应用，保障施工安全，保证工程质量，提升工程科技创新水平。

2.绿色集约

建设绿色公路是时代的呼唤，项目要以加强生态保护、统筹资源利用为重点，打造资源节约、环境友好的绿色之路。项目沿线生态环境敏感，要坚持生态优先、和谐发展的指导方针，强化设计、施工、运营、养护等各阶段的生态环境保护，实现最大限度地保护、最小程度地影响、最有力度地自然恢复，实现公路与生态、社会的健康可持续发展。

（二）设计思路

利用高速公路服务区（收费站）、客货场站的建筑屋顶、停车棚等空置资源，合理布局分布式光伏发电设施，打造“车棚光伏+屋顶光伏”发电模式；配套建设快速充电桩（站），推广“光储充一体化”智能充电设施，合理匹配用电需求，提升能源利用率，如图2所示。

项目区年峰值日照时数约为1460h，年水平总辐射约4800MJ/m2。设计规模为1000kWp的分布式光伏发电项目，所有电池板阵列安装在建筑屋面，项目服务区、收费站建筑屋面均为朝南向，建筑间隔楼距较大，相互无遮挡，四周较空旷，无高建筑遮挡，当地太阳能资源较为丰富，日照时间长，适合安装太阳能光伏电站项目。

光伏发电是在光生伏特效应的作用下，利用太阳能电池方阵的太阳能电池吸收光能，在太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，太阳能电池一般为硅电池是能量转换的器件，平均光电转换效率在17%和19.6%之间

（三）多能源互补系统构想

针对服务区多能互补概念薄弱，综合能源系统效率偏低，但用能需求多样，包括向社会司乘人员和服务区从业人员提供冬季采暖、夏季制冷、日常供电与热水等基本服务功能，能源需求量巨大，碳排放偏高等系列问题，根据汤泉池服务区供暖需求的特点，结合地方环保要求，充分考虑资金投入和服务区建设规划，拟在本项目建立多能互补的交直流柔性微电网系统，通过多种能源之间相互补充和梯级利用，提升能源系统的综合利用效率，构成丰富的清洁、低碳供能结构体系，实现清洁能源之间的深度融合，服务区各类分布式能源系统进行多能互补、优化调度，打造低碳服务区。

图2 汤泉池服务区光伏布设

通过多能互补实现对太阳能等可再生能源的高效、高比例消纳与转化利用。采用太阳能供电，空气能或地热能供暖（冷），并辅助储热、储电等技术，实现冷热电融合。使用空气能或地热能供暖（冷），可消纳光伏发电，在光伏发电量大时，可利用储热技术进一步消纳电量，光伏发电量不足或夜间，可使用储热装置放热，从而实现夜间低耗能供热，增强各能源间的联系，进一步提高终端用户的能源利用率，最大程度地促进可再生能源的就地消纳，提高服务区能源系统的能源利用率、经济性与稳定性，减少服务区对外界的能量需求。

三、服务区分布式光伏发电应用

（一）清洁能源循环利用

服务区运营有采暖及提供生活热水的需求，需消耗大量能源。采用清洁能在保证使用功能的同时，在全寿命周期内源循环利用，最大程度实现建设过程及运养阶段节能、降碳。

图3 汤泉池服务区原貌

鉴于汤泉池服务区具有温泉资源，如图3所示，首次在服务区利用温泉水源热泵技术，充分利用地热能为服务区提供取暖能源。冷热源采用螺杆式水源（温泉）热泵机组，冬季从地下水吸取热量，冬季提供45/40℃热水；夏季将系统热量释放到水库，夏季提供7/12℃冷水，末端采用“风机盘管/空调机组+新风系统”，如图4所示。

图4 水源(温泉)热泵设计

光伏发电运行模式是由太阳能电池组件阵列作为吸收因子，在太阳辐射的条件下，将吸收存储的太阳能转换为输出的电能，再由并网逆变器逆变成交流电供给服务区用电设备使用，通过连接电网调节多余或不足的电力，完成完整的用电、补给、存储。在服务区建设过程中，可以考虑光伏建筑一体化，把光伏发电系统与建筑物同时设计、同时施工、同时投入使用，如用光伏组件来做建筑物的整个屋面、外墙和玻璃幕墙，在停车场安装太阳能光伏棚，场区照明采用光电互补供能等。

（二）汤泉池服务区减排降碳测算

1.发电量计算

发电量计算公式：Ep=HA×A×ni×K

其中，Ep—上网发电量（kwh）

HA—水平面太阳能总辐照量（kW·h/m2，峰值小时数）

A—太阳能组件安装面积

ni—组件转换效率

K—综合效率系数

其中，H A 暂按郑州所在经纬度取值。转换效率按17%的规范最低值进行计算。综合效率按规范取值0.75～0.85。太阳能光伏板尺寸规格没有固定，考虑安装角度、太阳能板的尺寸安装契合度等因素，单位面积光伏板年发电量约为180kWh/m2，单位场地面积年发电量可按150kWh/m2。

图5 服务区光伏发电系统流程

2.减排量及节约量计算

1kWh的光伏发电的CO2减排量是不固定的，电网新能源占比越高，CO2的减排值越低。相应的减排数量如表1所示，汤泉池服务区光伏发电系统设置后的碳排放减少量及能源节约量如表2所示。

表1 减排因子为单位值时减排数量

表2 汤泉池服务区碳排放量及能源节约量

四、结语

《增长的极限》一书得出结论：人类足迹己经对自然环境产生过度影响，生态系统的自我修复能力己经难以为继，若现有的人口增长率和资源消耗率保持不变，地球的承载能力将要达到极限，呼吁能源节约从极限增长向可持续增长转变。

因此，作为交通运输领域新型基础设施建设重点工程示范项目，在汤泉池服务区及项目沿线各场站利用自身有利条件设置光伏发电系统，通过调整能源结构来改善生态平衡与经济发展之间的矛盾关系，响应了国家大力发展新能源的号召，充分利用了服务区的场地资源，坚持节约用能，将节约能源作为降碳的首要途径，提升传统能源利用效率，提高清洁能源占比，能够有效降低传统化石能源的损耗，保护生态环境，为践行绿色公路理念提供技术支撑，建设成为“节能降耗、资源节约、环境友好、畅通耐久”的高速公路，实现了可持续发展和较大的社会效益，与此同时，每年还可以节约电费支出，为建设节约型社会添砖加瓦。