光伏发电供电系统在延子高速公路中、短隧道中的应用

薛军秀,朱文强,吴晓明,张 伟,郭 亮,韩铭涛

(陕西交通控股集团有限公司,陕西 西安 710065)

“十三五”以来,陕西省高速公路建设里程2 170 km,通车里程突破6 000 km,实现了县县通高速的目标。随着高速公路建设速度的加快,隧道数量也在逐年攀升,但由于绝大多数隧道位于偏远山区,基本采用传统的市电供电配电系统为隧道供电,使得高速公路通车以后,运营成本居高不下[1-2],低碳理念下的绿色公路越来越引起了人们的关注[3],且在高速公路的服务区、收费站等领域的应用也越来越广泛[4]。但受隧道口的地形、日照条件、高用电负载等影响,光伏发电技术在高速公路隧道的应用案例还不多。针对太阳能光伏供电系统供电的可行性、优越性,学者们依托个别试点项目做了大量的理论研究和探讨。为解决高海拔、偏远、无电地区隧道的照明需求,苗广营等[5]依托澜青海省沧江隧道,对隧道光伏供电系统进行了专项研究,重点围绕微电网关键技术研究与集成,开展了电池管理系统的开发,及电池均衡技术、电池安全控制策略等的研究,并在隧道两端分别建成两套光储微网系统,带动隧道内LED节能灯和工区房照明用电。赵东旭[6]进行了隧道照明系统方案设计、蓄电池充电控制器设置、太阳能单轴跟踪器设计研究,为光伏发电供电系统在隧道中的应用提供了思路。张世平等[7]通过仿真分析的方法,将太阳能薄膜光伏技术与遮光棚技术相结合,实现了隧道照明节能和供电功能的统一,但该技术尚处于发展阶段,还需进一步的研究。田盟刚[8]对朱家沟隧道照明系统进行LED改造设计,并与传统的隧道供电模式进行了对比,表明光伏发电技术应用到隧道具有很多优势,且值得推广。韩霄等[9]设计了蓄电池充放电控制系统、LED照明控制系统,对固定系统与阳光自动跟踪系统进行了比较,完成了市电+光伏发电为隧道照明系统的供电的设计,并实施了两个示范工程,社会效益明显。金蕊[10]以某一短隧道为研究对象,从方案选择、设计计算、经济效益等方面分析了太阳能光伏发电系统在短隧道中应用的可行性。为充分利用清洁能源,减少隧道后期运营成本,延子项目在延子高速公路两座隧道分别安装分布式光伏发电系统,并采用“市电+光伏发电”供电方式,为隧道照明、监控等设施供电。基于延子高速公路两座隧道光伏发电项目,从光伏发电板的布设位置、光伏发电系统的组成、隧道供电方式、经济效益等方面,归纳总结了光伏发电供电系统在延子高速公路中、短隧道中的应用亮点与不足,并针对这些不足,提出了优化建议。

1 延子高速公路概况

1.1 项目概况

延安至子长高速公路路线全长55.173 km,采用双向四车道高速公路设计标准,设计速度采用80 km/h,整体式路基宽度25.5 m,是国家高速公路榆蓝线和长延线间的迂回通道,项目于2018年6月开工建设,2020年9月通车运营。全线共设四座隧道,即墩儿山隧道、刘家崖隧道、寨子沟隧道和康家塬隧道。寨子沟隧道左线长415 m,为短隧道,右线长度524 m,为中隧道;墩儿山隧道左线长855 m,为中隧道,右线长度501 m,为中隧道。结合四座隧道洞口前的场地情况、地形情况、地基地层岩性、地下水分布、采光条件等现场实际情况,最终选定在寨子沟隧道南口、墩儿山隧道南口分别安装分布式光伏发电板。

1.2 隧道机电工程

延子高速公路隧道机电工程主要包含隧道监控、隧道照明、隧道供配电系统、隧道消防系统等,墩儿山隧道、寨子沟隧道的用电负载详见表1和表2。根据隧道机电主要设备的数量和功率,计算得到墩儿山隧道、寨子沟隧道的用电负载分别为68 253 W、62 700 W,日用电量分别为1 638 kW·h、1 505 kW·h,年用电量分别为59.8万kW·h、54.9万kW·h。

表1 墩儿山隧道主要机电设备

表2 寨子沟隧道主要机电设备

2 延子高速公路隧道光伏发电供电系统设计

2.1 隧址区太阳能资源

延子高速公路位于陕西省延安市与子长县之间,隧址区属于黄土梁峁沟壑地貌,平均海拔高度1 121～1 252 m,年总辐射在5 220～5 400 MJ/m2,属我国Ⅲ类太阳能资源区域,满足光伏发电系统的日照要求。

2.2 光伏发电板的布设

(1)布设数量。

两座隧道均为分离式隧道,两洞中轴线最小间距约19 m,结合两座隧道南口的场地和采光条件,将光伏发电板设置在隧道南口左右线之间的三角地带,其中寨子沟隧道三角地带纵向长度约450 m,平均宽度约80 m,墩儿山隧道三角地带纵向长度约320 m,平均宽度约60 m,共安装680块组件(墩儿山隧道300块、寨子沟隧道380块)。

(2)支架方案的选择。

项目位于高纬度地区,可采用固定支架、单轴跟踪支架、双轴跟踪支架,由于双轴跟踪支架和单轴跟踪支架成本偏高,对应的桩基等建设成本也偏高,综合考虑其可安装性、安全性、广泛性及经济性,最终采用固定支架建设方案,即在地面支架上进行光伏板的布置,方位角按正南正北方位角布置,安装倾角为35°,方位角为0°。

2.3 光伏发电系统组成

光伏发电系统采用组串式设计方案,由太阳能电池组件、组串式逆变器等组成。太阳能电池组件选型为320 Wp多晶硅电池,每20块组件为一串,共34串,总装机容量为217.6 kW(墩儿山隧道96 kW、寨子沟隧道121.6 kW);组串式逆变器选型分别为2台50 kWp组串式逆变器、2台60 kWp组串式逆变器。

(1)墩儿山(大寨)隧道北口光伏方阵。

墩儿山隧道北口光伏方阵选用320 Wp太阳能单晶电池组件300块,通过2台50kW组串逆变器逆变为0.38 kV交流电,通过交流汇流箱汇流后经电缆就近接至墩儿山隧道供电电源配电箱。

(2)寨子沟隧道南口光伏方阵。

寨子沟隧道南口光伏方阵选用320 Wp太阳能单晶电池组件380块,通过2台60 kW组串逆变器逆变为0.38 kV交流电,通过交流汇流箱汇流后经电缆就近接至寨子沟隧道供电电源配电箱。

(3)组件及支架接地。

组件接地采用铜缆,将相邻两块电池组件的接地孔连接起来,两端电池板采用铜缆与支架横梁连接。通过支架与大地导通,形成防雷接地回路。光伏厂区接地扁钢与支架可靠接地,相邻两组支架间通过热镀锌扁钢连为一排,每排支架通过两端一根热镀锌扁钢引至主接地网,主接地网材料为热镀锌扁钢。

2.4 隧道供电方式选择

经实地考察,两座隧道洞口日均日照时间为4.5 h,本项目太阳能系统光电转换系数为0.8,首年理论发电量为217.6 kW×4.5 h/d×0.8×365 d=28.6万kW·h。参照各隧道用电负载,墩儿山隧道、寨子沟隧道光伏发电系统所发电量不能完全满足隧道用电需求,考虑到光伏发电量及成本,系统未设置储蓄电池,最终采用“市电+光伏发电”的供电方式为隧道供电。

2.5 运行情况

隧道光伏发电系统自2020年10月运行以来,运行稳定、良好,实际发电量与理论发电量基本一致。

2.6 运营维护

在运维方面,延子高速公路养护人员定期现场检查发电系统的运行情况,及时解决运行中存在的问题,同时定期对光伏发电板进行清洗。

为方便项目后期运营维护,该供电系统配备了一套远程监控软件,该软件可实现手机APP远程监控,可随时观测系统运行情况,查看系统发电量,并及时发现故障。

3 本项目隧道光伏发电系统的经济社会效益

延子高速分布式光伏发电项目总装机容量为217.6 kW,其中工程静态投资125.2万元,工程动态总投资128.0万元。项目建成后所发电量将全部由高速公路隧道内照明设施等设备自用,按照光伏组件10年内年衰减小于10%,25年内衰减小于20%计算,第一年发电量约28.6万kW·h,25年总发电量约614.7万kW·h。按照当地用电收费标准0.8元/(kW·h)计算,建成后首年发电收益约21.6万元,预计5年可收回成本。25年发电总收益约491.8万元,降低了运营成本,节约了标煤,减少了二氧化碳等气体的排放。

4 本项目隧道光伏发电系统不足及建议

4.1 不足

受制于隧道口的地形,光伏发电板的布设数量有限,同时考虑成本,并未设置储蓄电池,因此该项目只能采用“市电+光伏发电”供电方式为隧道供电,未能实现完全的脱离市电进行供电。

4.2 建议

(1)在前期进行隧道设计时,要结合本地区的日照条件及隧道洞口周围地形条件,为太阳能光伏发电板规划合适的位置,布设足够的光伏发电板。

(2)光伏发电板支架采用双轴跟踪系统,可以在有限的光伏发电板上获取更多的太阳能。同时尽量采用节能环保的照明灯具、 监控设备, 从而有效降低控制隧道用电负荷,并在光伏发电供电系统中设置储蓄电池,逐步实现太阳能光伏发电系统离网运行。

5 结 论

(1)延子高速公路在两座隧道分别安装分布式光伏发电系统,并采用“市电+光伏发电”供电方式,为隧道照明、监控等设施供电,隧道光伏发电系统自2020年10月运行以来,运行稳定、良好,为光伏发电供电系统在高速公路中、短隧道中的应用提供了借鉴。

(2)受制于隧道口的地形,光伏发电板的布设数量有限,同时考虑成本,并未设置储蓄电池。需在隧道前期设计、有效控制隧道用电负载、提高太阳能光伏发电设备光电转换率、提高储能电池的性能等方面做进一步研究,逐步实现离网运行,隧道光伏发电供电系统的市场将愈加广泛。