太阳能光伏发电系统在高速公路领域的应用探讨

刘洪海

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

0 引言

面对越来越严峻的环境污染问题以及能源消耗量逐渐加剧的现状，传统能源在环境和经济方面的问题越来越突出。长期以来，现代社会的发展需要能源的支撑，在能源自身特点的影响下，能源发展问题显然已经成为影响社会乃至整个人类发展的巨大问题。节能减排满足绿色环保理念要求。太阳能和其他能源类型相比，具有分布广泛、可再生、无污染以及能够可持续发展等诸多优势，全球能源的转型升级，使得太阳能的应用优势更加凸显。

1 太阳能光伏发电系统原理

“光生伏特效应”是太阳能光伏发电系统发挥效用的原理，在这一机制的作用下，将太阳能资源转化成了电能，以下是对两种类型太阳能光伏发电系统的概述。

1.1 独立式发电系统

独立式发电系统发电工作是直接进行的，并没有和供电网络进行连接。在独立式发电系统中，直流电是从光伏组件中产生的，可将这种电力能源可直接供给直流负荷，同时还可以借助蓄电池等装置存放电能，并且严格按照实际需要随时释放电能[1]。

1.2 并网式发电系统

根据装机模式不同，可将并网式发电方式分为集中式和分布式两种，随着当前我国高速公路领域分布式并网发电系统使用范围的逐步拓大，该系统的应用可以结合高速公路沿线设施的实际情况进行分布，根据光伏阵列的规格和朝向不同对其进行科学布设。在此基础上，电能逆变器的应用，还具有汇流光伏阵列的作用，之后通过运用多台逆变器实现分布式并网发电。

来自并网式发电系统的电力能源不仅能够供给系统内负荷，同时，还可以将多余的电能上汇至公共电网。面对电能不足的情况，也可以借助公共电网向负荷提供电能，这样一来不仅减少了用于蓄电池的投资和维护费用，同时还具有供电灵活可靠的优势，是一种具有良好经济效益的供电方式。由此可见，太阳能光伏发电技术比传统供电模式在设计理念和使用模式上实现了创新。新理念、新材料和新技术的使用顺应了国家绿色节能理念的要求。

2 太阳能光伏发电系统的结构特点

通过对太阳能光伏发电系统从结构上进行分析，可将其分为硬件和软件两个部分，软硬件相互作用才能够转化太阳能为电力能源。值得注意的是，太阳能光伏发电系统的可靠性在很大程度上取决于设计、使用以及故障等多个方面。所以，只有确保太阳能光伏发电系统满足使用寿命长、安全可靠以及故障后维修性能良好的特点，才能够判定其达到了可靠性标准要求。太阳能光伏发电系统是由子系统以及元器件联合构成的，该系统的应用不会受到噪声的干扰，而且不存在转动部位。同时，系统运行过程中不会排放出废弃物，从而有效避免了环境污染问题。面对该系统的快速启动特点，在阳光充足的条件下可快速实现启动发电[2]。由此可见，太阳能光伏发电系统仪器安装便捷、建设周期短、维修费用低的优势在变电站、工厂和住宅等多个区域中得到了全面推广应用。

3 利用光伏发电技术的主要条件

3.1 光照资源

我国的太阳能资源分布广泛，全国超过2/3的地区全年日照时数大于2200h。不同地区的海拔高度、气候条件、纬度以及地理状况等方面的因素是影响太阳能资源分布状况的主要原因。光伏发电系统设置区域的选择，需要以该区域具备丰富的太阳能光照资源为前提，只有这样才能够保障稳定的发电量。为了能够进一步拓宽太阳能资源的应用范围，提高其应用效率，我国对太阳能年辐射量超出9260MJ/m2的西藏地区以外的地区分为5类，如表1所示。

表1 太阳能资源地区分类

3.2 场地条件

在高速公路工程项目中设置光伏发电系统，需要深入分析高速公路建设区域的周边环境以及建筑物的形式。①光伏发电系统的设置，需要结合地面上建筑物的实际情况，在明确用电需求的前提下，留出足够位置用来安装太阳能电池板等发电设施。②在布设光伏组件的时候，必须避开遮阴物。③为了能够尽可能减少用于输电线路中的费用支出，就需要尽可能靠近主干电网[3]。

4 光伏建筑一体化的应用

光伏建筑一体化系统即BIPV系统，其具有不同的工作模式，既能够连接到电网⑧还能够独立脱离电网使用。并网使用时，发电量超过本地负载时可以将多余的电能送入电网，反之，发电量不足时，则使用电网中的电能。对于独立型的BIPV，通常适合于地理位置偏远，人烟稀少的草原、沙漠等电网难以接入的地区。同时，当太阳日晒状况较好时，BIPV系统生产的富余电量可通过专门的储能设备进行电能存储，以备光照较差时使用，实现自给自足的状况。

4.1 光伏建筑一体化的安装形式

光伏组件可以组装成客户的要求样式，部分或整体的替换建筑构件。系统安装的样式是由选用光伏组件的性能，建筑师的设计的建筑形式，以及项目所在地的气候条件等几个因素所共同决定的。其中，光伏组件的性能在整个设计过程当中起到了决定性作用。当前常见的6种光伏建筑一体化安装方法如下。

4.1.1 遮阳棚式

遮阳设施是遮阳棚式光伏发电系统中主要的光伏电池板安装方法，太阳能电池板可起到很好的遮阳隔热效果，可使空调能耗有效的降低，节约能源并且相比一般的遮阳棚有更美观的建筑外观效果。

4.1.2 瓦片光伏发电系统

瓦片光伏发电系统的太阳能屋顶的瓦与常规分布式并网屋顶设计有所不同，瓦片光伏发电系统将屋顶与太阳能完美结合。用太阳能瓦片取代常规瓦片集成为一个斜坡屋顶，使光伏发电领域的设计和美学达到完美结合。其缺点是太阳能瓦的成本比普通太阳能板成本高，不能带来较好的经济收益[4]。

4.1.3 窗间式光伏系统

该系统在提供电力的同时，能够根据季节的变化以及外界环境的不同可自动调节室内的通风、湿度和温度。相比普通钢化玻璃顶，窗间式光伏系统带来了更多方便的功能，可充分利用建筑空间资源。

4.1.4 壁挂光伏发电系统

壁挂光伏发电系统将光伏电池板直接安装在建筑的外墙。这种外挂式独特的光伏发电系统使施工和维护变得更简单。由于太阳能系统安装在建筑物的外墙，太阳能电池吸收了建筑物外部的辐射光同时并进行了发电，而这部分辐射光原来是被建筑物表面吸收了，因此有效地降低了建筑物吸收的辐射能，尤其在夏季可有效地降低建筑物内的温度水平。

4.1.5 百叶窗式光伏发电系统

该系统的光伏建筑的热量是通过建筑围护结构的导热以及窗户的辐射，对于改善夏季室内热舒适性能具有重要的作用。与其他墙体光伏不同，可调节角度的百叶窗式可以让建筑最大限度利用光能，充分利用建筑空间[5]。

4.1.6 采光天窗光伏系统

该系统的采光天窗一般位于建筑大堂，通常是标志性建筑，如博物馆、科技馆等场馆的大堂天窗。如果改装或加装半透明的双玻光伏板，可以让建筑天窗空间得到更有效利用的同时兼顾采光需求，还能为这些场馆展现现代化的气息。

4.2 光伏建筑一体化的设计要求

光伏建筑作为一种新型建筑类型，为确保该建筑效用的充分发挥，就需要在光伏建筑一体化设计和使用阶段充分考虑相关因素，确保其满足基本的应用条件，这同样也是实现节能环保理念的关键。具体要求如下：①光伏建筑一体化的设计必须考虑到建筑美学要求，严格遵循相关设计理念实施设计工作。②考虑到建筑物采光以及通风方面的需求完善设计方案。③确保光伏建筑一体化设计能够保障建筑物的安全性。④需要考虑到安装以及施工作业的便捷性。⑤和传统的建筑材料相比，光伏建筑一体化设计需要考虑到建筑材料的使用寿命。⑥必须确保设计方案满足绿色节能环保要求。

5 高速公路中太阳能光伏发电系统的应用前景

5.1 太阳能资源应用方面

我国拥有着丰富的太阳能资源，从《太阳能资源评估方法》（QXT 89—2008）中可以看出，我国的太阳能年总辐射量和年日照时间数分别为3000～7500MJ/m2和870～3570h。丰富的太阳能资源为太阳能发电系统有效应用创建了良好的环境。

5.2 交通运输行业层面

在绿色公路理念下，要求高速公路建设应该将实现节能降耗目标和优化能源结构作为重要内容，确保新能源应用优势的充分发挥。对于智慧交通的发展建设而言，不仅要加大对自动化控制设备和智能设备的管控力度，同时还需要提高服务区的档次[6]。

5.3 我国高速公路网现状及规划层面

如今，我国高速公路网络的建设已经形成了一定的规模，并且用电量基本趋于稳定状态。为了能够实现建设环保节能型公路工程项目的目标，可借鉴国内现有的成功经验和做法，充分利用大量限制的土地资源体积屋顶资源，以此来加大对太阳能光伏发电系统的建设力度。基于我国高速公路网的建设规划，高速公路网的建设仍然需要不断加强，并且要将工作重心转移到山岭重丘区的建设方面。由于项目沿线区域的经济发展水平较低，同时面对电力能源供不应求的现象，进而降低了电力能源的质量。然而，要想将电力能源远距离运输至电量需求区域，使得电力能源的损耗量较大，必须加大对输电线路的投资力度，基于当地的自然资源，通过科学合理应用太阳能光伏发电系统来为高速公路发展建设提供所需的电力能源。

6 太阳能光伏发电系统的可靠性维持措施

6.1 优选系统元器件

光伏发电系统是由多个元器件单元共同构成的，因此，整个发电系统的质量在一定程度上会受到元器件使用质量的影响，最终直接会影响发电系统的性能。在具体开展光伏发电系统生产作业的过程中，必须将元器件的采购作为一项重要内容，除了要考虑元器件的性能指标等相关参数外，还需要考虑其价格，选用质优价廉的元器件，以此来进一步提升系统的运行效率。元器件的采购可以使用公开招标的方法，选择信誉良好的供应商。此外，为了能够最大限度保障元器件的购置质量，应该建立元器件选购检查小组，针对性开展元器件购置质量的查验工作。

6.2 优化系统设计方案

由于系统自身的缺陷降低了其运行可靠性，对此，需要采取优化系统软硬件设计的措施。设计工作的实施，不仅要考虑到系统的外部环境，同时还需要严格控制算法的编制，以便为系统的高效运行创建良好的条件。同时，加强对逆变网的管控，通过降低波动性来达到控制稳定性的目的。此外，将系统纠错软件应用于系统设计中，实时监控整个电力系统的运行状况，这样一来，就能够保证问题得到及时发现，将其带来的不利影响降至最低。对于硬件系统的优化，可以采取使用电路检测仪器、安装避雷针等措施。电路板的设计，必须考虑到子电路以及电源信号产生的不利影响，为功率元器件配备散热设备。

6.3 强化日常维护管理工作

在环境因素以及选址因素的影响下，为了能够确保光伏发电系统的使用性能，因此，必须高度重视光伏发电系统阵列面的清洁工作，定期进行线路检查，以便能够及时发现其中存在的问题，为光伏发电系统效用的充分发挥提供可靠的保障。对于独立使用的光伏发电系统，必须明确系统规范使用手册，尽可能确保蓄电池在通风良好和恒温恒湿的环境下运作，并且要做好日常保养工作。

7 结语

总而言之，太阳能光伏发电作为一项具有良好综合效益的清洁能源，将其应用在高速公路建设领域，不仅能够满足低碳领域的经济发展要求，同时还能够加快绿色公路建设领域的发展进程，以便能够从整体上提升我国公路建设事业的综合效益。