黃龍顯, 劉相華, 李一鵬, 丁 赟, 史玲娜

(1.重慶高速工程顧問有限公司, 重慶 401120; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067)

重慶城口至開州高速公路(簡稱城開高速)是國家高速G69銀百高速公路的重要組成部分,路線總長128.461 km。全線橋梁總長28 219.126 m,隧道71 374.85 m/18座,橋隧比77.52%;設(shè)匝道收費站12處,服務(wù)區(qū)5處,養(yǎng)護工區(qū)2處,路段管理分中心1處、隧道救援站2處,全線用電設(shè)施多、運營能耗高。

為響應(yīng)國家能源戰(zhàn)略,滿足交通行業(yè)和高速公路運營節(jié)能減排的實際需求,本文以城開高速公路為研究對象,結(jié)合新型取能用能技術(shù),對其沿線可再生能源資源進行了調(diào)查分析,提出因地制宜的利用方案,以實現(xiàn)“能盡其能、能達(dá)其所”,為構(gòu)建面向全線運營的多能互補型微能源網(wǎng)提供有力的支撐。

1 微能利用方案

1.1 微水能

微水電是微型水力發(fā)電的簡稱,是將小溪、小河水(即微水能資源)的位能轉(zhuǎn)換成符合用電要求的電能設(shè)施和設(shè)備組成的系統(tǒng)。微水電系統(tǒng)工作原理和小水電基本相同,但裝機容量較小,不需攔水筑壩,不會顯著干擾水體的自然流動。

微水電系統(tǒng)能源不會耗竭、不污染環(huán)境,是最具有開發(fā)前景的能源之一。在能源特性方面,微水電是穩(wěn)定、經(jīng)濟、可再生能源;在技術(shù)特性方面,微水電技術(shù)成本低、競爭力強,具有綜合性價比高、可利用水力資源量大、廣泛實用的特點,可因地制宜充分利用自然界微小的水源,實現(xiàn)就地供電[1-3]。另外,微水電系統(tǒng)可兼顧環(huán)保、河流水資源綜合治理等多重社會效益,也非常適用于建設(shè)高速公路沿線供電系統(tǒng)。

城開高速全線位于喀斯特地貌區(qū),隧道內(nèi)巖溶、暗河、涌水等地質(zhì)災(zāi)害多,儲水量大,影響范圍廣,如何有效處治曾一度令工程人員犯難。在災(zāi)害處治過程中,本課題組提出借鑒大禹治水的“疏”字訣,將隧道內(nèi)水源集中匯聚、定向引流,利用高差梯度布設(shè)微型發(fā)電機,不僅可實現(xiàn)“變害為寶”的轉(zhuǎn)換,而且還可獲取涓涓細(xì)流蘊藏的大能量。

通過建設(shè)期長達(dá)6年的持續(xù)觀測,旗桿山隧道出口的雨季實測水量為5 000 m3/h～7 000 m3/h,最大可達(dá)25 600 m3/h,出水量勘察期間涌水量為186 000 m3/d,且水量較穩(wěn)定,枯水季節(jié)出水量小,出水量具季節(jié)性明顯的特點。吳家梁隧道進口涌水量17 280 m3/d且較穩(wěn)定,左洞最大涌水量69 120 m3/d,右洞最大涌水量43 200 m3/d,高峰時期總涌水量可達(dá)130 000 m3/d。

經(jīng)水工專業(yè)測算[4],旗桿山隧道出口可建設(shè)裝機規(guī)模2×2 MW微水電站,年均發(fā)電量2 230萬kWh,保證出力2 200 kW,年利用小時4 857 h;吳家梁隧道進口可建設(shè)裝機規(guī)模2×1.25 MW微水電站,年均發(fā)電量1 058萬kW·h,保證出力1 044 kW,年利用小時4 231 h,主要動能指標(biāo)見表1。由表1可知,2座微水電站的出力總計為3 244 kW,可滿足全線大部分日常運營負(fù)荷的供能需求[5]。

微水電站選用浮管式水力發(fā)電機,直接利用江河、洋流、潮汐、溝渠的自然流水動力,無需攔水筑壩,通過水力發(fā)電機管狀收水器接收大面積的平流水,使水流逐漸增壓提速,形成一定的勢能沖擊水輪機,后部的錐形尾水管使流經(jīng)工作段的水流迅速擴散,前后端形成較大壓差,以有效提高水能利用率[6]。當(dāng)流速為0.5 m/s時,浮管式水力發(fā)電機即可啟動發(fā)電;當(dāng)流速≥1 m/s時,可實現(xiàn)良好的發(fā)電效果,且性價比隨著流速加大逐步提升。

1.2 太陽能

重慶素有“火爐城市”之稱,夏季光照強烈,季節(jié)性太陽能資源豐富。重慶市太陽能資源較好的區(qū)域主要集中在渝東北片區(qū),區(qū)域內(nèi)已建/在建光伏電站情況見表2。

城開高速所處的城口縣和開州區(qū)總輻射年值約為1 108.3 (kW·h)/m2～1 110.3 (kW·h)/m2,屬于太陽能資源較好區(qū)域。為達(dá)到最佳效果,光伏電站選址原則如下。

1) 站址位置:與隧道/服務(wù)區(qū)等消納點的距離≤1 km。

2) 地理條件:站址朝南布置,四周無遮擋,山體坡度≤30°。

3) 土地性質(zhì):站址盡量在紅線范圍內(nèi),超出紅線范圍是否涉及生態(tài)紅線/基本農(nóng)田/林地等敏感性因素。

4) 安全原則:站址周圍無重大安全隱患,如陡邊坡、道路交叉、屋頂荷載需求、是否破壞屋頂結(jié)構(gòu)等。

5) 地質(zhì)條件:站址地質(zhì)穩(wěn)定。

按照上述原則,初步選定建設(shè)光伏電站12處[7],目前已建設(shè)完成7處,具體位置及裝機規(guī)模見表3。

結(jié)合本項目區(qū)域的太陽能輻射量,選用目前光電轉(zhuǎn)化效率最高的單晶硅太陽能電池,單個組件容量選型540 Wp或545 Wp。按照工業(yè)和信息化部《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件(2021年本)》要求:“晶硅組件首年衰減率不超過2.5%,后續(xù)每年不超過0.6%,25年衰減率不超過17%”,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率按86%計,本項目光伏電站總裝機容量2.42 MWp,運營期25年內(nèi)的總發(fā)電量為5 091.52萬kW·h,年均發(fā)電量為203.67萬kW·h,年等效發(fā)電小時數(shù)為843.10 h。

表1 微水電站動能指標(biāo)

表2 渝東北區(qū)域已建光伏電站

1.3 風(fēng)能

風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)力帶動風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn),將動能轉(zhuǎn)換為電能后帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電,一般采用雙饋感應(yīng)式發(fā)電機和永磁直驅(qū)式發(fā)電機作為發(fā)電設(shè)備。城開高速沿線山高谷深,部分路段地處大巴山迎風(fēng)面,晝夜山谷風(fēng)頻繁,尤其盛夏季節(jié)常?？耧L(fēng)大作,極端條件下最大風(fēng)速甚至可超過10級大風(fēng)(24.5 m/s～28.4 m/s)。根據(jù)氣象資料和建設(shè)期的測試數(shù)據(jù),城開高速在城口縣蓼子鄉(xiāng)、開州區(qū)滿月鄉(xiāng)等峽谷路段的年平均風(fēng)速為5.5 m/s～6.8 m/s。

目前市場上普通的風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)力的要求較高,一般只有在風(fēng)速達(dá)到3 m/s以上才能帶動風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn),3 m/s以下的風(fēng)能都被白白浪費。另外,現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機中軸基本以銜接型為主,風(fēng)力過大時會導(dǎo)致中軸出現(xiàn)斷裂等故障。

表3 城開高速光伏電站位置及建設(shè)規(guī)模

微風(fēng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示,其具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適應(yīng)性強、安裝方便、運行成本低等優(yōu)點[8],可很好地解決上述問題。微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是微風(fēng)啟動的風(fēng)力機,一般采用無鐵芯的永磁盤式電機或外轉(zhuǎn)子電機,啟動力矩小,啟動風(fēng)速可低至1 m/s。新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組用于軟微風(fēng)、低風(fēng)速、全風(fēng)能、全風(fēng)向,具有自動化控制等特點,改變了其他傳統(tǒng)風(fēng)機既需要風(fēng)又怕風(fēng)過大損壞風(fēng)機的局面,填補了從10 kW～3 000 kW等機型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的技術(shù)空白,微風(fēng)發(fā)電效率已可達(dá)到70%以上[9-10]。

圖1 微風(fēng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

為充分利用風(fēng)能資源,在長灣大橋旁峽谷(位于城口縣蓼子鄉(xiāng))、蓼子特大橋旁峽谷(城口縣蓼子鄉(xiāng))、雙河口特大橋旁峽谷(位于開州區(qū)滿月鄉(xiāng))路段各設(shè)置1套45 kW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組,總裝機容量135 kW,年發(fā)電量為65.58萬kW·h。

旗桿山隧道、城開隧道均布設(shè)有通風(fēng)斜井,排風(fēng)口被山體包圍,通過現(xiàn)場調(diào)查和實測,由“煙囪效應(yīng)”形成的自然風(fēng)速小于2 m/s,可利用價值不高,故未納入微能源利用范圍。

2 微能源網(wǎng)

2.1 架構(gòu)

針對高速公路用電負(fù)載種類多、供電距離長、負(fù)載用能不平衡、單一可再生能源無法滿足遠(yuǎn)距離差異化供電需求等問題,采用多種清潔能源的多形式立體取能方式進行集中式與分布式相結(jié)合的特征化供電,形成多能互補的微能源網(wǎng)。

城開高速微水電站出力大,供能相對穩(wěn)定,是微能源網(wǎng)供能的絕對主力;光伏和風(fēng)力發(fā)電作為微能源網(wǎng)供能的補充。微能源網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 分區(qū)布設(shè)

城開高速分成A、B、C三個標(biāo)段分期建設(shè),具體劃分見表4。

圖2 城開高速微能源網(wǎng)架構(gòu)

表4 城開高速建設(shè)標(biāo)段劃分

全線機電設(shè)施(不含動力系統(tǒng))負(fù)荷總功率為4 100.49 kW,其中隧道照明負(fù)荷占比41.6%[11-14]。由于隧道照明運營負(fù)荷功率與天氣、交通量等密切相關(guān),結(jié)合氣象資料與預(yù)測交通量分析,全線設(shè)施的實際電力負(fù)荷在2 016.32 kW～4 100.49 kW之間,運營最小負(fù)荷約占總負(fù)荷的49.2%。通過對源荷匹配性的進一步分析和技術(shù)經(jīng)濟比較[15],形成城開路微能源網(wǎng)供電方案,如圖3所示。微能源網(wǎng)各供電區(qū)域負(fù)荷及供能方式見表5～表7。

由表5～表7可知,微能源網(wǎng)供電區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的負(fù)載總量分別為1 508.61 kW、977.37 kW、576.66 kW;供能總量經(jīng)折算后,分別為1 662.14 kW、1 098.7kW、49.37 kW。

通過上述源荷分析,本項目微水電站+光伏+風(fēng)力發(fā)電構(gòu)成的微能源網(wǎng)可滿足全線日常運營負(fù)荷(不含動力系統(tǒng))的用能需求。其中,微水能可滿足全線最低運營負(fù)荷時的供電需求,以及全線最高運營負(fù)荷時82%的供電。

圖3 城開高速微能源網(wǎng)供電方案

表5 微能源網(wǎng)供電區(qū)域1用電負(fù)荷及供能方式

表6 微能源網(wǎng)供電區(qū)域2用電負(fù)荷及供能方式

表7 微能源網(wǎng)供電區(qū)域3用電負(fù)荷及供能方式

3 結(jié)束語

1) 針對城開高速沿線可再生能源資源情況,綜合了微水能、太陽能、風(fēng)能的開發(fā)利用方案,形成了以隧址處微水發(fā)電站為主力、風(fēng)光互補為輔助的“自發(fā)自用”可再生微能源網(wǎng)供電方案。

2) 通過工程應(yīng)用示范,可實現(xiàn)城開路可再生能源供電全覆蓋,預(yù)計年節(jié)約傳統(tǒng)電能2 500萬kW·h,節(jié)約電費約1 750萬元,并可實現(xiàn)年減少標(biāo)準(zhǔn)煤1.2萬t,減少碳粉塵0.76萬t,減少CO2排放2.8萬t,具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。