重庆城开高速可再生能源利用方案研究

黄龙显, 刘相华, 李一鹏, 丁 赟, 史玲娜

(1.重庆高速工程顾问有限公司, 重庆 401120; 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

重庆城口至开州高速公路(简称城开高速)是国家高速G69银百高速公路的重要组成部分,路线总长128.461 km。全线桥梁总长28 219.126 m,隧道71 374.85 m/18座,桥隧比77.52%;设匝道收费站12处,服务区5处,养护工区2处,路段管理分中心1处、隧道救援站2处,全线用电设施多、运营能耗高。

为响应国家能源战略,满足交通行业和高速公路运营节能减排的实际需求,本文以城开高速公路为研究对象,结合新型取能用能技术,对其沿线可再生能源资源进行了调查分析,提出因地制宜的利用方案,以实现“能尽其能、能达其所”,为构建面向全线运营的多能互补型微能源网提供有力的支撑。

1 微能利用方案

1.1 微水能

微水电是微型水力发电的简称,是将小溪、小河水(即微水能资源)的位能转换成符合用电要求的电能设施和设备组成的系统。微水电系统工作原理和小水电基本相同,但装机容量较小,不需拦水筑坝,不会显著干扰水体的自然流动。

微水电系统能源不会耗竭、不污染环境,是最具有开发前景的能源之一。在能源特性方面,微水电是稳定、经济、可再生能源;在技术特性方面,微水电技术成本低、竞争力强,具有综合性价比高、可利用水力资源量大、广泛实用的特点,可因地制宜充分利用自然界微小的水源,实现就地供电[1-3]。另外,微水电系统可兼顾环保、河流水资源综合治理等多重社会效益,也非常适用于建设高速公路沿线供电系统。

城开高速全线位于喀斯特地貌区,隧道内岩溶、暗河、涌水等地质灾害多,储水量大,影响范围广,如何有效处治曾一度令工程人员犯难。在灾害处治过程中,本课题组提出借鉴大禹治水的“疏”字诀,将隧道内水源集中汇聚、定向引流,利用高差梯度布设微型发电机,不仅可实现“变害为宝”的转换,而且还可获取涓涓细流蕴藏的大能量。

通过建设期长达6年的持续观测,旗杆山隧道出口的雨季实测水量为5 000 m3/h～7 000 m3/h,最大可达25 600 m3/h,出水量勘察期间涌水量为186 000 m3/d,且水量较稳定,枯水季节出水量小,出水量具季节性明显的特点。吴家梁隧道进口涌水量17 280 m3/d且较稳定,左洞最大涌水量69 120 m3/d,右洞最大涌水量43 200 m3/d,高峰时期总涌水量可达130 000 m3/d。

经水工专业测算[4],旗杆山隧道出口可建设装机规模2×2 MW微水电站,年均发电量2 230万kWh,保证出力2 200 kW,年利用小时4 857 h;吴家梁隧道进口可建设装机规模2×1.25 MW微水电站,年均发电量1 058万kW·h,保证出力1 044 kW,年利用小时4 231 h,主要动能指标见表1。由表1可知,2座微水电站的出力总计为3 244 kW,可满足全线大部分日常运营负荷的供能需求[5]。

微水电站选用浮管式水力发电机,直接利用江河、洋流、潮汐、沟渠的自然流水动力,无需拦水筑坝,通过水力发电机管状收水器接收大面积的平流水,使水流逐渐增压提速,形成一定的势能冲击水轮机,后部的锥形尾水管使流经工作段的水流迅速扩散,前后端形成较大压差,以有效提高水能利用率[6]。当流速为0.5 m/s时,浮管式水力发电机即可启动发电;当流速≥1 m/s时,可实现良好的发电效果,且性价比随着流速加大逐步提升。

1.2 太阳能

重庆素有“火炉城市”之称,夏季光照强烈,季节性太阳能资源丰富。重庆市太阳能资源较好的区域主要集中在渝东北片区,区域内已建/在建光伏电站情况见表2。

城开高速所处的城口县和开州区总辐射年值约为1 108.3 (kW·h)/m2～1 110.3 (kW·h)/m2,属于太阳能资源较好区域。为达到最佳效果,光伏电站选址原则如下。

1) 站址位置:与隧道/服务区等消纳点的距离≤1 km。

2) 地理条件:站址朝南布置,四周无遮挡,山体坡度≤30°。

3) 土地性质:站址尽量在红线范围内,超出红线范围是否涉及生态红线/基本农田/林地等敏感性因素。

4) 安全原则:站址周围无重大安全隐患,如陡边坡、道路交叉、屋顶荷载需求、是否破坏屋顶结构等。

5) 地质条件:站址地质稳定。

按照上述原则,初步选定建设光伏电站12处[7],目前已建设完成7处,具体位置及装机规模见表3。

结合本项目区域的太阳能辐射量,选用目前光电转化效率最高的单晶硅太阳能电池,单个组件容量选型540 Wp或545 Wp。按照工业和信息化部《光伏制造行业规范条件(2021年本)》要求:“晶硅组件首年衰减率不超过2.5%,后续每年不超过0.6%,25年衰减率不超过17%”,系统转换效率按86%计,本项目光伏电站总装机容量2.42 MWp,运营期25年内的总发电量为5 091.52万kW·h,年均发电量为203.67万kW·h,年等效发电小时数为843.10 h。

表1 微水电站动能指标

表2 渝东北区域已建光伏电站

1.3 风能

风力发电是通过风力带动风轮叶片旋转,将动能转换为电能后带动发电机转动发电,一般采用双馈感应式发电机和永磁直驱式发电机作为发电设备。城开高速沿线山高谷深,部分路段地处大巴山迎风面,昼夜山谷风频繁,尤其盛夏季节常常狂风大作,极端条件下最大风速甚至可超过10级大风(24.5 m/s～28.4 m/s)。根据气象资料和建设期的测试数据,城开高速在城口县蓼子乡、开州区满月乡等峡谷路段的年平均风速为5.5 m/s～6.8 m/s。

目前市场上普通的风力发电机对风力的要求较高,一般只有在风速达到3 m/s以上才能带动风轮叶片旋转,3 m/s以下的风能都被白白浪费。另外,现有的风力发电机中轴基本以衔接型为主,风力过大时会导致中轴出现断裂等故障。

表3 城开高速光伏电站位置及建设规模

微风垂直轴风力发电系统如图1所示,其具有结构简单、环境适应性强、安装方便、运行成本低等优点[8],可很好地解决上述问题。微风发电系统的核心是微风启动的风力机,一般采用无铁芯的永磁盘式电机或外转子电机,启动力矩小,启动风速可低至1 m/s。新型垂直轴风力发电机组用于软微风、低风速、全风能、全风向,具有自动化控制等特点,改变了其他传统风机既需要风又怕风过大损坏风机的局面,填补了从10 kW～3 000 kW等机型风力发电设备的技术空白,微风发电效率已可达到70%以上[9-10]。

图1 微风垂直轴风力发电系统

为充分利用风能资源,在长湾大桥旁峡谷(位于城口县蓼子乡)、蓼子特大桥旁峡谷(城口县蓼子乡)、双河口特大桥旁峡谷(位于开州区满月乡)路段各设置1套45 kW垂直轴风力发电机组,总装机容量135 kW,年发电量为65.58万kW·h。

旗杆山隧道、城开隧道均布设有通风斜井,排风口被山体包围,通过现场调查和实测,由“烟囱效应”形成的自然风速小于2 m/s,可利用价值不高,故未纳入微能源利用范围。

2 微能源网

2.1 架构

针对高速公路用电负载种类多、供电距离长、负载用能不平衡、单一可再生能源无法满足远距离差异化供电需求等问题,采用多种清洁能源的多形式立体取能方式进行集中式与分布式相结合的特征化供电,形成多能互补的微能源网。

城开高速微水电站出力大,供能相对稳定,是微能源网供能的绝对主力;光伏和风力发电作为微能源网供能的补充。微能源网架构如图2所示。

2.2 分区布设

城开高速分成A、B、C三个标段分期建设,具体划分见表4。

图2 城开高速微能源网架构

表4 城开高速建设标段划分

全线机电设施(不含动力系统)负荷总功率为4 100.49 kW,其中隧道照明负荷占比41.6%[11-14]。由于隧道照明运营负荷功率与天气、交通量等密切相关,结合气象资料与预测交通量分析,全线设施的实际电力负荷在2 016.32 kW～4 100.49 kW之间,运营最小负荷约占总负荷的49.2%。通过对源荷匹配性的进一步分析和技术经济比较[15],形成城开路微能源网供电方案,如图3所示。微能源网各供电区域负荷及供能方式见表5～表7。

由表5～表7可知,微能源网供电区域1、区域2、区域3的负载总量分别为1 508.61 kW、977.37 kW、576.66 kW;供能总量经折算后,分别为1 662.14 kW、1 098.7kW、49.37 kW。

通过上述源荷分析,本项目微水电站+光伏+风力发电构成的微能源网可满足全线日常运营负荷(不含动力系统)的用能需求。其中,微水能可满足全线最低运营负荷时的供电需求,以及全线最高运营负荷时82%的供电。

图3 城开高速微能源网供电方案

表5 微能源网供电区域1用电负荷及供能方式

表6 微能源网供电区域2用电负荷及供能方式

表7 微能源网供电区域3用电负荷及供能方式

3 结束语

1) 针对城开高速沿线可再生能源资源情况,综合了微水能、太阳能、风能的开发利用方案,形成了以隧址处微水发电站为主力、风光互补为辅助的“自发自用”可再生微能源网供电方案。

2) 通过工程应用示范,可实现城开路可再生能源供电全覆盖,预计年节约传统电能2 500万kW·h,节约电费约1 750万元,并可实现年减少标准煤1.2万t,减少碳粉尘0.76万t,减少CO2排放2.8万t,具有良好的社会效益和经济效益。