摘要：高速公路服務(wù)區(qū)的場地資源循環(huán)利用是綠色集約的一種有效形式，充分利用服務(wù)區(qū)空間功能做好分布式太陽能光伏，可較好地建立節(jié)能減排的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是可再生能源的重要組成部分，本文研究了豫南服務(wù)區(qū)分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，積極跟蹤新技術(shù)發(fā)展，提出用清潔能源替代傳統(tǒng)能源降低碳排放量，在高速公路全生命周期內(nèi)持續(xù)降低交通運輸裝備能源消耗和碳排放強度，營造良好的生態(tài)運行環(huán)境。

關(guān)鍵詞：服務(wù)區(qū)；光伏發(fā)電；循環(huán)低碳；綠色集約；清潔能源

中圖分類號：TM615+.2""""""""""""""""""""""""" 文獻標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：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 Jiangchao WANG Peng WANG Jitao

（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

黨的二十大報告指出，推動綠色發(fā)展，促進人與自然和諧共生。踐行綠色發(fā)展的交通強國是在貫徹“六個堅持，六個樹立”的公路建設(shè)理念前提下，在循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的基礎(chǔ)上，在低碳、節(jié)能、環(huán)保等新技術(shù)的應(yīng)用上，把安全可靠、綠色智能的公路建設(shè)落到實處，完成綠色循環(huán)低碳交通運輸體系戰(zhàn)略目標(biāo)。服務(wù)區(qū)作為高速公路的動力傳輸站，場地空間面積大，具有較大的循環(huán)低碳中樞潛力，充分發(fā)揮服務(wù)區(qū)的綠色低碳傳輸作用，對為公路沿線的節(jié)能低碳提供能量補給，具有至關(guān)重要的作用。

1 沿大別山高速公路豫南服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)情況

1.1 清潔能源的需求

目前，能源利用大多借助傳統(tǒng)的化石燃料，如煤炭開采率高達(dá)近70%，非化石能源僅占約10%，在化石能源利用與能源轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生了較大的污染，對環(huán)境造成了破壞。在可持續(xù)發(fā)展理念的前提下進行能源革命，改變能源結(jié)構(gòu)，降低環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境破壞，需要從當(dāng)下的高碳發(fā)展模式向未來的低碳發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，開發(fā)清潔低碳新能源來保證能源供應(yīng)安全，是解決傳統(tǒng)能源數(shù)量有限、環(huán)境影響大、非化石能源占比低的必要措施。同時，落實國家《能源生產(chǎn)和消費革命行動方案（2030）》要求，以清潔能源開發(fā)為手段的能源革命也是推動綠色交通發(fā)展的著力點。

1.2 服務(wù)區(qū)低碳建設(shè)要求

近年來交通行業(yè)對服務(wù)區(qū)的建設(shè)提出了更高的要求，2014年的《關(guān)于進一步提升高速公路服務(wù)區(qū)服務(wù)質(zhì)量的意見》就提出了加強綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)的要求，《關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》將“推進綠色服務(wù)區(qū)建設(shè)”列為五大專項行動之一，要求推行服務(wù)區(qū)污水處理、建筑節(jié)能、清潔能源、垃圾處理等新技術(shù)應(yīng)用[1]。

太陽能是一種清潔、高效的能源，充分利用太陽能對節(jié)能降碳有著重要意義。光伏發(fā)電是利用光伏電池的光伏效應(yīng)將太陽光的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種可再生、無污染的發(fā)電方式；其能源質(zhì)量高、安全可靠、無噪聲危害、無污染排放；不受資源分布地域的限制，可利用建筑屋面的優(yōu)勢；無須消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可實現(xiàn)就地發(fā)電供電；具有建設(shè)周期短、獲取能源花費的時間短等優(yōu)點。并且根據(jù)國家能源局發(fā)布的我國太陽能資源分布表（表?1），河南屬于太陽能資源較豐富區(qū)域，適宜建設(shè)光伏發(fā)電站。高速服務(wù)區(qū)、收費站等場站，位置分散、面積較大，適合設(shè)置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.3 光伏發(fā)電建設(shè)模式

沿大別山高速公路雞公山至商城段項目（以下簡稱項目）是全省高速公路“13445”第一批切塊項目，路線全長123.32公里，是首次貫通河南、湖北、安徽三省邊界線的交通要道，對積極推進鄂豫皖大別山區(qū)交通一體化戰(zhàn)略構(gòu)想、促進大別山革命老區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和旅游資源開發(fā)、鞏固大別山區(qū)脫貧攻堅成果、實現(xiàn)區(qū)域協(xié)同發(fā)展等方面具有重要意義。

項目針對上述工程特點，全面貫徹交通運輸部《關(guān)于實施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見》，以“創(chuàng)新引領(lǐng)、綠色集約”為主線，執(zhí)行“策劃階段倒序思考、實施階段正序優(yōu)化”的總體思路，將“節(jié)能降耗、資源節(jié)約、環(huán)境友好、暢通耐久”的綠色公路建設(shè)理念貫穿到沿大別山高速公路雞公山至商城段的設(shè)計、施工、運營管理的全壽命周期，圍繞不同實施階段的綠色目標(biāo)，開展光伏發(fā)電、儲能和電動汽車充電一體化系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)，實現(xiàn)項目綠色公路建設(shè)總體目標(biāo)。

2 豫南服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計理念

1. 創(chuàng)新引領(lǐng)

創(chuàng)新是公路發(fā)展的強大驅(qū)動力，項目把創(chuàng)新貫穿到公路建設(shè)的各環(huán)節(jié)，打造創(chuàng)新引領(lǐng)的科技之路。針對分布式光伏應(yīng)用（鋪設(shè)光伏發(fā)電板、充電樁或充電站建設(shè)、分布式儲能系統(tǒng)）在項目上綜合應(yīng)用面臨的一系列問題，通過有針對性的科技攻關(guān)、現(xiàn)有科技成果消化吸收再創(chuàng)新以及成熟技術(shù)的推廣應(yīng)用，保障施工安全，保證工程質(zhì)量，提升工程科技創(chuàng)新水平。

1. 綠色集約

建設(shè)綠色公路是時代的呼喚，項目要以加強生態(tài)保護、統(tǒng)籌資源利用為重點，打造資源節(jié)約、環(huán)境友好的綠色之路。項目沿線生態(tài)環(huán)境敏感，要堅持生態(tài)優(yōu)先、和諧發(fā)展的指導(dǎo)方針，強化設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護等各階段的生態(tài)環(huán)境保護，實現(xiàn)最大限度地保護、最低程度地影響、最有力度地自然恢復(fù)，實現(xiàn)公路與生態(tài)、社會的健康可持續(xù)發(fā)展。

2.2 設(shè)計思路

利用高速公路服務(wù)區(qū)（收費站）、客貨場站的建筑屋頂、停車棚等空置資源，合理布局分布式光伏發(fā)電設(shè)施，打造“車棚光伏屋頂光伏”發(fā)電模式；配套建設(shè)快速充電樁（站），推廣“光儲充一體化”智能充電設(shè)施，合理匹配用電需求，提升能源利用率，見圖?2。

?項目區(qū)年峰值日照時數(shù)約為1"460小時，年水平總輻射約4"800MJ/m2。設(shè)計規(guī)模為1"000kwp的分布式光伏發(fā)電項目，所有電池板陣列安裝在建筑屋面，項目服務(wù)區(qū)、收費站建筑屋面均為朝南向，建筑間隔樓距較大，相互無遮擋，四周較空曠，無高建筑遮擋，當(dāng)?shù)靥柲苜Y源較為豐富，日照時間長，適合安裝太陽能光伏發(fā)電站項目。

光伏發(fā)電是在光生伏特效應(yīng)的作用下，利用太陽能電池方陣的太陽能電池吸收光能，在太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能電池一般為硅電池，是能量轉(zhuǎn)換的器件，平均光電轉(zhuǎn)換效率為17%～19.6%。

2.3 多能源互補系統(tǒng)構(gòu)想

針對服務(wù)區(qū)多能互補概念薄弱，綜合能源系統(tǒng)效率偏低，用能需求多樣（包括向社會司乘人員和服務(wù)區(qū)從業(yè)人員提供冬季采暖、夏季制冷、日常供電與熱水等基本服務(wù)功能），能源需求量巨大，碳排放偏高等系列問題[2]，根據(jù)豫南服務(wù)區(qū)供暖需求的特點，結(jié)合地方環(huán)保要求，充分考慮資金投入和服務(wù)區(qū)建設(shè)規(guī)劃，擬在本項目建立多能互補的交直流柔性微電網(wǎng)系統(tǒng)[3]，通過多種能源之間相互補充和梯級利用，提升能源系統(tǒng)的綜合利用效率，構(gòu)成豐富的清潔低碳供能結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)清潔能源之間的深度融合，服務(wù)區(qū)各類分布式能源系統(tǒng)進行多能互補、優(yōu)化調(diào)度，打造低碳服務(wù)區(qū)[4]。

通過多能互補實現(xiàn)對太陽能等可再生能源的高效、高比例消納與轉(zhuǎn)化利用。采用太陽能供電，空氣能或地?zé)崮芄┡ɡ洌?，并輔助儲熱、儲電等技術(shù)，實現(xiàn)冷熱電融合。使用空氣能或地?zé)崮芄┡ɡ洌?，可消納光伏發(fā)電，在光伏發(fā)電量大時，可利用儲熱技術(shù)進一步消納電量，光伏發(fā)電量不足或夜間時，可使用儲熱裝置放熱，從而實現(xiàn)夜間低耗能供熱，增強各能源間的聯(lián)系，進一步提高終端用戶的能源利用率，最大限度地促進可再生能源的就地消納，提高服務(wù)區(qū)能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟性與穩(wěn)定性，減少服務(wù)區(qū)對外界的能量需求[5]。

3 服務(wù)區(qū)分布式光伏發(fā)電應(yīng)用

3.1 清潔能源循環(huán)利用

服務(wù)區(qū)運營有采暖及提供生活熱水的需求，需消耗大量能源。采用清潔能源能在保證使用功能的同時，最大程度實現(xiàn)建設(shè)過程及運營階段的節(jié)能、降碳。

鑒于豫南（湯泉池）服務(wù)區(qū)具有溫泉資源（圖?3），首次在服務(wù)區(qū)利用溫泉水源熱泵技術(shù)，充分利用地?zé)崮転榉?wù)區(qū)供暖。冷熱源采用螺桿式水源（溫泉）熱泵機組，冬季從地下水吸取熱量，提供40℃～45℃熱水；夏季將系統(tǒng)熱量釋放到水庫，提供7℃～12℃冷水，末端采用風(fēng)機盤管/空調(diào)機組＋新風(fēng)系統(tǒng)。

光伏發(fā)電運行模式是由太陽能電池組件陣列作為吸收因子，在太陽輻射的條件下，將吸收存儲的太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出，再由并網(wǎng)逆變器逆變成交流電供給服務(wù)區(qū)用電設(shè)備使用，通過連接電網(wǎng)調(diào)節(jié)多余或不足的電力，完成完整的用電、補給、存儲。在服務(wù)區(qū)建設(shè)過程中，可以考慮光伏建筑一體化，把光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑物同時設(shè)計、同時施工、同時投入使用，如用光伏組件來做建筑物的整個屋面、外墻和玻璃幕墻，在停車場安裝太陽能光伏棚，場區(qū)照明采用光電互補供能等。

3.2 光伏發(fā)電原理

服務(wù)區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)流程如圖4所示。

3.3 豫南服務(wù)區(qū)減排降碳測算

（１）發(fā)電量計算公式如式（1）：

p=× ×_i×K （1）

式中，p為上網(wǎng)發(fā)電量，kW?h；為水平面太陽能總輻照量（取峰值小時數(shù)），kW?h/m²；為太陽能組件安裝面積；_i為組件轉(zhuǎn)換效率；K為綜合效率系數(shù)。

本研究中，暫按鄭州所在經(jīng)緯度取值。轉(zhuǎn)換效率按17%的規(guī)范最低值進行計算。綜合效率按規(guī)范取值0.75～0.85。太陽能光伏板尺寸規(guī)格沒有固定，考慮安裝角度、太陽能板的尺寸、安裝契合度等因素，單位面積光伏板年發(fā)電量約為180kW?h/m²，單位場地面積年發(fā)電量可按150kW?h/m²。

1. 減排量及節(jié)約量計算

光伏發(fā)電1kW?h的CO₂減排量是不固定的，電網(wǎng)新能源占比越高，CO₂的減排值越低。相應(yīng)的減排數(shù)量見表2，豫南服務(wù)區(qū)設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)后的碳排放減少量及能源節(jié)約量見表3。

4 結(jié)語

作為交通運輸領(lǐng)域新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重點工程示范項目，在豫南服務(wù)區(qū)及項目沿線各場站利用自身有利條件設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過調(diào)整能源結(jié)構(gòu)來改善生態(tài)平衡與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾關(guān)系，響應(yīng)了國家大力發(fā)展新能源的號召，充分利用了服務(wù)區(qū)的場地資源，堅持將節(jié)約能源作為降碳的首要途徑，提升傳統(tǒng)能源利用效率，提高清潔能源占比，能夠有效降低傳統(tǒng)化石能源的消耗，保護生態(tài)環(huán)境，為踐行綠色公路理念提供技術(shù)支撐，有助于建設(shè)“節(jié)能降耗、資源節(jié)約、環(huán)境友好、暢通耐久”的高速公路，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和較大的社會效益，與此同時，每年還可以節(jié)約電費支出，為建設(shè)節(jié)約型社會添磚加瓦。

參考文獻：

[1] 周同文， 楊欣， 韓浩. 淺談分布式太陽能光伏發(fā)電在高速公路服務(wù)區(qū)中的應(yīng)用[J]. 公路交通科技， 2015（1）： 211-213．

[2] 簡麗， 楊艷剛， 李振洋. 分布式太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電在高速公路服務(wù)區(qū)的應(yīng)用效果研究[J]. 公路， 2017（2）： 210-213.

[3] 范相冉. 分布式電源在高速公路直流微電網(wǎng)中選址定容的研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2018.

[4] 陳宇. 哈爾濱住區(qū)太陽能獲取權(quán)現(xiàn)狀分析及優(yōu)化策略研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2018.

[5] 李俊鋒. 可再生能源應(yīng)成我國能源發(fā)展戰(zhàn)略重點[J]. 能源研究與利用， 2020（01）： 6-8.