沿大别山高速豫南服务区分布式光伏发电应用研究_韩江超.pdf

第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.021 沿大别山高速豫南服务区分布式光伏发电应用研究 韩江超 1，王 鹏2，王记涛2（1.中交一公局集团第三工程有限公司，北京 101102；2.河南交投商罗高速公路有限公司，河南郑州 450000）摘要：高速公路服务区的场地资源循环利用是绿色集约的一种有效形式，充分利用服务区空间功能做好分布式太阳能光伏，可较好地建立节能减排的并网发电系统。分布式光伏发电产业是可再生能源的重要组成部分，本文研究了豫南服务区分布式光伏发电产业的创新应用，积极跟踪新技术发展，提出用清洁能源替代传统能源降低碳排放量，在高速公路全生命周期内持续降低交通运输装备能源消耗和碳排放强度，营造良好的生态运行环境。关键词：服务区；光伏发电；循环低碳；绿色集约；清洁能源 中图分类号：TM615+.2 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0114-04 Research on the Application of Distributed Photovoltaic Power Generation in the South Henan Service Area along the Dabie Mountain Expressway HAN Jiangchao1,WANG Peng2,WANG Jitao2(1.NO.Three Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Highway Engineering Co.,Ltd.,Beijing 101102,China;2.Henan Jiaotou Shangluo Expressway Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450000,China)Abstract:The recycling of site resources in highway service areas is an effective form of green and intensive utilization.By fully utilizing the spatial functions of the service areas and doing a good job in distributed solar photovoltaic,an energy-saving and emission reducing grid connected power generation system can be established.The distributed photovoltaic power generation industry is an important component of renewable energy.This article studies the innovative application of the distributed photovoltaic power generation industry in the southern Henan service area,actively tracking the development of new technologies,proposing to replace traditional energy with clean energy to reduce carbon emissions,and continuously reducing energy consumption and carbon emission intensity of transportation equipment throughout the entire life cycle of highways,which creates a good ecological operating environment.Key words:service area;photovoltaic power generation;cyclic low-carbon;green intensive;clean energy 0 引言 党的二十大报告指出，推动绿色发展，促进人与自然和谐共生。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 收稿日期：2023-03-14 作者简介：韩江超（1980-），男，河南南阳人，本科，工程师，从事项目工程管理工作.（）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，对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。1 沿大别山高速公路豫南服务区光伏发电系统建设情况 1.1 清洁能源的需求 目前，能源利用大多借助传统的化石燃料，如煤第 2 期 韩江超等，沿大别山高速豫南服务区分布式光伏发电应用研究 115 炭开采率高达近 70%，非化石能源仅占约 10%，在化石能源利用与能源转化过程中产生了较大的污染，对环境造成了破坏。在可持续发展理念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，需要从当下的高碳发展模式向未来的低碳发展模式转变，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。1.2 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1。表 1 全国太阳辐射总量等级和区域分布 Tab.1 National solar radiation total level and regional distribution 名称 年总量/（MJ/m2）年总量/（kWh/m2）年平均辐照度/（W/m2）占国土面积/%主要地区 最丰富带 6 300 1 750 约200 约 22.8 内蒙古额济纳旗以西、甘肃酒泉以西、青海100E 以西大部分地区、西藏 94E 以西大部分地区、新疆东部边缘地区、四川甘孜部分地区 很丰富带 5 0406 300 1 400 1 750 约 160200 约 44.0 新疆大部、内蒙古额济纳旗以东大部、黑龙江西部、吉林西部、辽宁西部、河北大部、北京、天津、山东东部、山西大部、陕西北部、宁夏、甘肃酒泉以东大部、青海东部边缘、西藏 94%以东、四川中西部、云南大部、海南 较丰富带 3 7805 040 1 0501 400 约 120160 约 29.8 内蒙古 50%以北、黑龙江大部、吉林中东部、辽宁中东部、山东中西部、山西南部、陕西中南部、甘肃东部边缘、四川中部、云南东部边缘、贵州南部、湖南大部、湖北大部、广西、广东、福建、江西、浙江、安徽、江苏、河南 一般带 3 780 1 050 约120 约 3.3 四川东部、重庆大部、贵州中北部、湖北 110%以西、湖南西北部 太阳能是一种清洁、高效的能源，充分利用太阳能对节能降碳有着重要意义。光伏发电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；其能源质量高、安全可靠、无噪声危害、无污染排放；不受资源分布地域的限制，可利用建筑屋面的优势；无须消耗燃料和架设输电线路即可实现就地发电供电；具有建设周期短、获取能源花费的时间短等优点。并且根据国家能源局发布的我国太阳能资源分布表（表1），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，适合设置分布式光伏发电系统。1.3 光伏发电建设模式 沿大别山高速公路鸡公山至商城段项目（以下简称项目）是全省高速公路“13445”第一批切块项目，路线全长 123.32 公里，是首次贯通河南、湖北、安徽三省边界线的交通要道，对积极推进鄂豫皖大别山区交通一体化战略构想、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 豫南（汤泉池）服务区效果图 Fig.1 Renderings of service area in southern Henan(Tangquanchi)项目针对上述工程特点，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。116 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 2 豫南服务区光伏发电系统设计 2.1 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、最低程度地影响、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。2.2 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，见图2。图 2 豫南（汤泉池）服务区光伏布设 Fig.2 Photovoltaic layout in the service area in southern Henan(Tangquanchi)项目区年峰值日照时数约为 1 460 小时，年水平总辐射约 4 800MJ/m2。设计规模为 1 000kwp 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发电站项目。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，平均光电转换效率为 17%19.6%。2.3 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，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2，根据豫南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3，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4。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时，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，最大限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5。3 服务区分布式光伏发电应用 3.1 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。采用清洁能源能在保证使用功能的同时，最大程度实现建设过程及运营阶段的节能、降碳。第 2 期 韩江超等，沿大别山高速豫南服务区分布式光伏发电应用研究 117 鉴于豫南（汤泉池）服务区具有温泉资源（图3），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供暖。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，提供 4045热水；夏季将系统热量释放到水库，提供 712冷水，末端采用风机盘管/空调机组+新风系统。图 3 豫南（汤泉池）服务区原貌 Fig.3 The original appearance of the service area in southern Henan(Tangquanchi)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电能输出，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。3.2 光伏发电原理 服务区光伏发电系统流程如图 4 所示。图 4 服务区光伏发电系统流程 Fig.4 Service area photovoltaic power generation system process 3.3 豫南服务区减排降碳测算（1）发电量计算公式如式(1)：p=K(1)式中，p为上网发电量，kW h；为水平面太阳能总辐照量（取峰值小时数），kW h/m2；为太阳能组件安装面积；为组件转换效率；K 为综合效率系数。本研究中，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 0.750.85。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 180kW h/m2，单位场地面积年发电量可按 150kW h/m2。（2）减排量及节约量计算 光伏发电 1kW h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。相应的减排数量见表 2，豫南服务区设置光伏发电系统后的碳排放减少量及能源节约量见表 3。表 2 减排因子为单位值时光伏发电减排数量 Tab.2 Reduction in emissions from photovoltaic power generation when the emission reduction factor is the unit value 光伏发电量/kW h 替代标准煤/kg 减少 CO2排放/kg 减少 SO2排放/kg 减少 NOX排放/kg 减少烟尘排放/kg 节约净水/L 1 0.33 0.80 0.02 0.01 0.22 3.21 （下转第 135 页）第 2 期 李强等，开放式高速公路收费站集约化管理模式研究“收费站+”服务模式探索 135 特产等商家来形成网红点效应，制造网红热点。5 结论 本文基于融合发展理论分析，结合收费站开放式服务与集约化管理理念，充分考虑收费站房利用率，创造性提出“收费站+”服务模式，并以蓝田收费站为例，提出“收费站+驿站”服务模式探索，即：开放式高速公路收费站+“旅途驿站”“迎宾驿站”“电商驿站”“文化驿站”“打卡驿站”等综合服务于一体的集约化服务管理模式，同时提出“收费站+”通过深挖品牌内涵，寻求多方合作、借助新媒体，孵化新网红、顺应市场需求、拓宽宣传渠道等路径实施，为高速公路运营企业谋求差异化竞争优势和探索多元化发展路径提供坚实基础。参考文献：1 周京,户磊,徐联祺,等.基于 ETC 自由流收费的开放式高速公路收费模式研究J.湖南交通科技,2021,47(02):5-11.2 严加成.树立人本核心理念 推进产业和谐转型高速公路产业战略转型对员工影响剖析及对策J.市场周刊,2008(02):33-34+40.3 陈钰芬,陈劲.开放式创新:机理与模式M.北京:科学出版社,2008.4 耿聪.高速公路服务区多元化发展的模式选择与优化调控研究D.济南：山东交通学院,2019.5 高嘉蔚,陈永锋,陈宗燕,等.基于开放式理念的高速公路服务区 与 旅 游 融 合 发 展 业 态 开 发 研 究 J.交 通 节 能 与 环 保,2021,17(02):52-55+60.6 四川交通职业技术学院,碰撞与融合高速公路企业西进发展的兼并之路R,2022.（上接第 117 页）表 3 豫南服务区碳排放量及能源节约量 Tab.3 Carbon emissions and energy savings in the service area of southern Henan 豫南服务区 碳排放量及能源节约量 光伏安装场地面积/m2 7000 光伏系统安装容量/kW 700 年发电量/kW h 1 050 000 年替代标准煤/t 344 年减少 CO2排放/t 840 年减少 SO2排放/t 25 年减少 NOX排放/t 13 年减少烟尘排放/t 229 年节约净水/m3 3 370 4 结语 作为交通运输领域新型基础设施建设重点工程示范项目，在豫南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消耗，保护生态环境，为践行绿色公路理念提供技术支撑，有助于建设“节能降耗、资源节约、环境友好、畅通耐久”的高速公路，实现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。参考文献：1 周同文,杨欣,韩浩.浅谈分布式太阳能光伏发电在高速公路服务区中的应用J.公路交通科技,2015(1):211-213 2 简丽,杨艳刚,李振洋.分布式太阳能光伏并网发电在高速公路服务区的应用效果研究J.公路,2017(2):210-213.3 范相冉.分布式电源在高速公路直流微电网中选址定容的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.4 陈宇.哈尔滨住区太阳能获取权现状分析及优化策略研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.5 李俊锋.可再生能源应成我国能源发展战略重点J.能源研究与利用,2020(01):6-8.