劉洪海

（遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166）

0 引言

面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題以及能源消耗量逐漸加劇的現(xiàn)狀，傳統(tǒng)能源在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題越來(lái)越突出。長(zhǎng)期以來(lái)，現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需要能源的支撐，在能源自身特點(diǎn)的影響下，能源發(fā)展問(wèn)題顯然已經(jīng)成為影響社會(huì)乃至整個(gè)人類發(fā)展的巨大問(wèn)題。節(jié)能減排滿足綠色環(huán)保理念要求。太陽(yáng)能和其他能源類型相比，具有分布廣泛、可再生、無(wú)污染以及能夠可持續(xù)發(fā)展等諸多優(yōu)勢(shì)，全球能源的轉(zhuǎn)型升級(jí)，使得太陽(yáng)能的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加凸顯。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理

“光生伏特效應(yīng)”是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)揮效用的原理，在這一機(jī)制的作用下，將太陽(yáng)能資源轉(zhuǎn)化成了電能，以下是對(duì)兩種類型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的概述。

1.1 獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電工作是直接進(jìn)行的，并沒(méi)有和供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。在獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)中，直流電是從光伏組件中產(chǎn)生的，可將這種電力能源可直接供給直流負(fù)荷，同時(shí)還可以借助蓄電池等裝置存放電能，并且嚴(yán)格按照實(shí)際需要隨時(shí)釋放電能[1]。

1.2 并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)裝機(jī)模式不同，可將并網(wǎng)式發(fā)電方式分為集中式和分布式兩種，隨著當(dāng)前我國(guó)高速公路領(lǐng)域分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)使用范圍的逐步拓大，該系統(tǒng)的應(yīng)用可以結(jié)合高速公路沿線設(shè)施的實(shí)際情況進(jìn)行分布，根據(jù)光伏陣列的規(guī)格和朝向不同對(duì)其進(jìn)行科學(xué)布設(shè)。在此基礎(chǔ)上，電能逆變器的應(yīng)用，還具有匯流光伏陣列的作用，之后通過(guò)運(yùn)用多臺(tái)逆變器實(shí)現(xiàn)分布式并網(wǎng)發(fā)電。

來(lái)自并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)的電力能源不僅能夠供給系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷，同時(shí)，還可以將多余的電能上匯至公共電網(wǎng)。面對(duì)電能不足的情況，也可以借助公共電網(wǎng)向負(fù)荷提供電能，這樣一來(lái)不僅減少了用于蓄電池的投資和維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)還具有供電靈活可靠的優(yōu)勢(shì)，是一種具有良好經(jīng)濟(jì)效益的供電方式。由此可見，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)比傳統(tǒng)供電模式在設(shè)計(jì)理念和使用模式上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。新理念、新材料和新技術(shù)的使用順應(yīng)了國(guó)家綠色節(jié)能理念的要求。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析，可將其分為硬件和軟件兩個(gè)部分，軟硬件相互作用才能夠轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能為電力能源。值得注意的是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性在很大程度上取決于設(shè)計(jì)、使用以及故障等多個(gè)方面。所以，只有確保太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)滿足使用壽命長(zhǎng)、安全可靠以及故障后維修性能良好的特點(diǎn)，才能夠判定其達(dá)到了可靠性標(biāo)準(zhǔn)要求。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是由子系統(tǒng)以及元器件聯(lián)合構(gòu)成的，該系統(tǒng)的應(yīng)用不會(huì)受到噪聲的干擾，而且不存在轉(zhuǎn)動(dòng)部位。同時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)排放出廢棄物，從而有效避免了環(huán)境污染問(wèn)題。面對(duì)該系統(tǒng)的快速啟動(dòng)特點(diǎn)，在陽(yáng)光充足的條件下可快速實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)發(fā)電[2]。由此可見，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)儀器安裝便捷、建設(shè)周期短、維修費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)在變電站、工廠和住宅等多個(gè)區(qū)域中得到了全面推廣應(yīng)用。

3 利用光伏發(fā)電技術(shù)的主要條件

3.1 光照資源

我國(guó)的太陽(yáng)能資源分布廣泛，全國(guó)超過(guò)2/3的地區(qū)全年日照時(shí)數(shù)大于2200h。不同地區(qū)的海拔高度、氣候條件、緯度以及地理狀況等方面的因素是影響太陽(yáng)能資源分布狀況的主要原因。光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置區(qū)域的選擇，需要以該區(qū)域具備豐富的太陽(yáng)能光照資源為前提，只有這樣才能夠保障穩(wěn)定的發(fā)電量。為了能夠進(jìn)一步拓寬太陽(yáng)能資源的應(yīng)用范圍，提高其應(yīng)用效率，我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能年輻射量超出9260MJ/m2的西藏地區(qū)以外的地區(qū)分為5類，如表1所示。

表1 太陽(yáng)能資源地區(qū)分類

3.2 場(chǎng)地條件

在高速公路工程項(xiàng)目中設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，需要深入分析高速公路建設(shè)區(qū)域的周邊環(huán)境以及建筑物的形式。①光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置，需要結(jié)合地面上建筑物的實(shí)際情況，在明確用電需求的前提下，留出足夠位置用來(lái)安裝太陽(yáng)能電池板等發(fā)電設(shè)施。②在布設(shè)光伏組件的時(shí)候，必須避開遮陰物。③為了能夠盡可能減少用于輸電線路中的費(fèi)用支出，就需要盡可能靠近主干電網(wǎng)[3]。

4 光伏建筑一體化的應(yīng)用

光伏建筑一體化系統(tǒng)即BIPV系統(tǒng)，其具有不同的工作模式，既能夠連接到電網(wǎng)⑧還能夠獨(dú)立脫離電網(wǎng)使用。并網(wǎng)使用時(shí)，發(fā)電量超過(guò)本地負(fù)載時(shí)可以將多余的電能送入電網(wǎng)，反之，發(fā)電量不足時(shí)，則使用電網(wǎng)中的電能。對(duì)于獨(dú)立型的BIPV，通常適合于地理位置偏遠(yuǎn)，人煙稀少的草原、沙漠等電網(wǎng)難以接入的地區(qū)。同時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)日曬狀況較好時(shí)，BIPV系統(tǒng)生產(chǎn)的富余電量可通過(guò)專門的儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行電能存儲(chǔ)，以備光照較差時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)自給自足的狀況。

4.1 光伏建筑一體化的安裝形式

光伏組件可以組裝成客戶的要求樣式，部分或整體的替換建筑構(gòu)件。系統(tǒng)安裝的樣式是由選用光伏組件的性能，建筑師的設(shè)計(jì)的建筑形式，以及項(xiàng)目所在地的氣候條件等幾個(gè)因素所共同決定的。其中，光伏組件的性能在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中起到了決定性作用。當(dāng)前常見的6種光伏建筑一體化安裝方法如下。

4.1.1 遮陽(yáng)棚式

遮陽(yáng)設(shè)施是遮陽(yáng)棚式光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要的光伏電池板安裝方法，太陽(yáng)能電池板可起到很好的遮陽(yáng)隔熱效果，可使空調(diào)能耗有效的降低，節(jié)約能源并且相比一般的遮陽(yáng)棚有更美觀的建筑外觀效果。

4.1.2 瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)

瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能屋頂?shù)耐吲c常規(guī)分布式并網(wǎng)屋頂設(shè)計(jì)有所不同，瓦片光伏發(fā)電系統(tǒng)將屋頂與太陽(yáng)能完美結(jié)合。用太陽(yáng)能瓦片取代常規(guī)瓦片集成為一個(gè)斜坡屋頂，使光伏發(fā)電領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和美學(xué)達(dá)到完美結(jié)合。其缺點(diǎn)是太陽(yáng)能瓦的成本比普通太陽(yáng)能板成本高，不能帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)收益[4]。

4.1.3 窗間式光伏系統(tǒng)

該系統(tǒng)在提供電力的同時(shí)，能夠根據(jù)季節(jié)的變化以及外界環(huán)境的不同可自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的通風(fēng)、濕度和溫度。相比普通鋼化玻璃頂，窗間式光伏系統(tǒng)帶來(lái)了更多方便的功能，可充分利用建筑空間資源。

4.1.4 壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)

壁掛光伏發(fā)電系統(tǒng)將光伏電池板直接安裝在建筑的外墻。這種外掛式獨(dú)特的光伏發(fā)電系統(tǒng)使施工和維護(hù)變得更簡(jiǎn)單。由于太陽(yáng)能系統(tǒng)安裝在建筑物的外墻，太陽(yáng)能電池吸收了建筑物外部的輻射光同時(shí)并進(jìn)行了發(fā)電，而這部分輻射光原來(lái)是被建筑物表面吸收了，因此有效地降低了建筑物吸收的輻射能，尤其在夏季可有效地降低建筑物內(nèi)的溫度水平。

4.1.5 百葉窗式光伏發(fā)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)的光伏建筑的熱量是通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱以及窗戶的輻射，對(duì)于改善夏季室內(nèi)熱舒適性能具有重要的作用。與其他墻體光伏不同，可調(diào)節(jié)角度的百葉窗式可以讓建筑最大限度利用光能，充分利用建筑空間[5]。

4.1.6 采光天窗光伏系統(tǒng)

該系統(tǒng)的采光天窗一般位于建筑大堂，通常是標(biāo)志性建筑，如博物館、科技館等場(chǎng)館的大堂天窗。如果改裝或加裝半透明的雙玻光伏板，可以讓建筑天窗空間得到更有效利用的同時(shí)兼顧采光需求，還能為這些場(chǎng)館展現(xiàn)現(xiàn)代化的氣息。

4.2 光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)要求

光伏建筑作為一種新型建筑類型，為確保該建筑效用的充分發(fā)揮，就需要在光伏建筑一體化設(shè)計(jì)和使用階段充分考慮相關(guān)因素，確保其滿足基本的應(yīng)用條件，這同樣也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保理念的關(guān)鍵。具體要求如下：①光伏建筑一體化的設(shè)計(jì)必須考慮到建筑美學(xué)要求，嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計(jì)理念實(shí)施設(shè)計(jì)工作。②考慮到建筑物采光以及通風(fēng)方面的需求完善設(shè)計(jì)方案。③確保光伏建筑一體化設(shè)計(jì)能夠保障建筑物的安全性。④需要考慮到安裝以及施工作業(yè)的便捷性。⑤和傳統(tǒng)的建筑材料相比，光伏建筑一體化設(shè)計(jì)需要考慮到建筑材料的使用壽命。⑥必須確保設(shè)計(jì)方案滿足綠色節(jié)能環(huán)保要求。

5 高速公路中太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用前景

5.1 太陽(yáng)能資源應(yīng)用方面

我國(guó)擁有著豐富的太陽(yáng)能資源，從《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》（QXT 89—2008）中可以看出，我國(guó)的太陽(yáng)能年總輻射量和年日照時(shí)間數(shù)分別為3000～7500MJ/m2和870～3570h。豐富的太陽(yáng)能資源為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)有效應(yīng)用創(chuàng)建了良好的環(huán)境。

5.2 交通運(yùn)輸行業(yè)層面

在綠色公路理念下，要求高速公路建設(shè)應(yīng)該將實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)作為重要內(nèi)容，確保新能源應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。對(duì)于智慧交通的發(fā)展建設(shè)而言，不僅要加大對(duì)自動(dòng)化控制設(shè)備和智能設(shè)備的管控力度，同時(shí)還需要提高服務(wù)區(qū)的檔次[6]。

5.3 我國(guó)高速公路網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃層面

如今，我國(guó)高速公路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，并且用電量基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)建設(shè)環(huán)保節(jié)能型公路工程項(xiàng)目的目標(biāo)，可借鑒國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的成功經(jīng)驗(yàn)和做法，充分利用大量限制的土地資源體積屋頂資源，以此來(lái)加大對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)力度?；谖覈?guó)高速公路網(wǎng)的建設(shè)規(guī)劃，高速公路網(wǎng)的建設(shè)仍然需要不斷加強(qiáng)，并且要將工作重心轉(zhuǎn)移到山嶺重丘區(qū)的建設(shè)方面。由于項(xiàng)目沿線區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較低，同時(shí)面對(duì)電力能源供不應(yīng)求的現(xiàn)象，進(jìn)而降低了電力能源的質(zhì)量。然而，要想將電力能源遠(yuǎn)距離運(yùn)輸至電量需求區(qū)域，使得電力能源的損耗量較大，必須加大對(duì)輸電線路的投資力度，基于當(dāng)?shù)氐淖匀毁Y源，通過(guò)科學(xué)合理應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)為高速公路發(fā)展建設(shè)提供所需的電力能源。

6 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性維持措施

6.1 優(yōu)選系統(tǒng)元器件

光伏發(fā)電系統(tǒng)是由多個(gè)元器件單元共同構(gòu)成的，因此，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的質(zhì)量在一定程度上會(huì)受到元器件使用質(zhì)量的影響，最終直接會(huì)影響發(fā)電系統(tǒng)的性能。在具體開展光伏發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)的過(guò)程中，必須將元器件的采購(gòu)作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，除了要考慮元器件的性能指標(biāo)等相關(guān)參數(shù)外，還需要考慮其價(jià)格，選用質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的元器件，以此來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的運(yùn)行效率。元器件的采購(gòu)可以使用公開招標(biāo)的方法，選擇信譽(yù)良好的供應(yīng)商。此外，為了能夠最大限度保障元器件的購(gòu)置質(zhì)量，應(yīng)該建立元器件選購(gòu)檢查小組，針對(duì)性開展元器件購(gòu)置質(zhì)量的查驗(yàn)工作。

6.2 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

由于系統(tǒng)自身的缺陷降低了其運(yùn)行可靠性，對(duì)此，需要采取優(yōu)化系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的措施。設(shè)計(jì)工作的實(shí)施，不僅要考慮到系統(tǒng)的外部環(huán)境，同時(shí)還需要嚴(yán)格控制算法的編制，以便為系統(tǒng)的高效運(yùn)行創(chuàng)建良好的條件。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)逆變網(wǎng)的管控，通過(guò)降低波動(dòng)性來(lái)達(dá)到控制穩(wěn)定性的目的。此外，將系統(tǒng)糾錯(cuò)軟件應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，這樣一來(lái)，就能夠保證問(wèn)題得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將其帶來(lái)的不利影響降至最低。對(duì)于硬件系統(tǒng)的優(yōu)化，可以采取使用電路檢測(cè)儀器、安裝避雷針等措施。電路板的設(shè)計(jì)，必須考慮到子電路以及電源信號(hào)產(chǎn)生的不利影響，為功率元器件配備散熱設(shè)備。

6.3 強(qiáng)化日常維護(hù)管理工作

在環(huán)境因素以及選址因素的影響下，為了能夠確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用性能，因此，必須高度重視光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列面的清潔工作，定期進(jìn)行線路檢查，以便能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問(wèn)題，為光伏發(fā)電系統(tǒng)效用的充分發(fā)揮提供可靠的保障。對(duì)于獨(dú)立使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)，必須明確系統(tǒng)規(guī)范使用手冊(cè)，盡可能確保蓄電池在通風(fēng)良好和恒溫恒濕的環(huán)境下運(yùn)作，并且要做好日常保養(yǎng)工作。

7 結(jié)語(yǔ)

總而言之，太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為一項(xiàng)具有良好綜合效益的清潔能源，將其應(yīng)用在高速公路建設(shè)領(lǐng)域，不僅能夠滿足低碳領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求，同時(shí)還能夠加快綠色公路建設(shè)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程，以便能夠從整體上提升我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的綜合效益。