江蘇省高速公路站區光伏能源綜合利用研究

許雪記，徐文文,*，殷承啟，曹亞麗，字素平

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京210014；2.江蘇省交通運輸環境保護工程技術研究中心，江蘇 南京210014)

0 引言

江蘇省高速公路是中國華東地區重要的交通樞紐。截至2016年底，全省高速公路里程4 539 km，其中屬于江蘇交通控股公司投資管理的高速公路里程近4 000 km，占比87%；江蘇省高速公路密度已居全國各省區之首，首輪規劃的“四縱四橫四聯”高速公路網絡主骨架全面建成，且已基本建成“五縱九橫五聯”的高速公路路網布局[1]。此外，江蘇省高速公路沿線站區服務設施數量多，經統計共有服務區88對，收費站396處，平均每個服務區面積60～80畝，利用高速公路服務區、收費站、辦公樓屋面資源建設光伏發電系統為新能源的發展提供了廣闊的應用空間[2]。

另一方面，江蘇省全年日照時數(絕對日照)平均為1 300～1 450 h，空間分布上，江蘇省全年日照時數(絕對日照)表現為由南向北遞增的趨勢，時間分布上，全省各地日照時數均以夏季最多，冬季最少，各占全年的29.0%～32.8%、20.1%～21.3%，蘇北地區春季多于秋季，蘇南地區秋季多于春季。全省全年太陽天文輻射總量4 600～5 440 MJ/(m2·a)[3]，空間上表現為由南向北遞增、西部地區小于東部地區的分布特征，時間上呈現夏季>春季>秋季>冬季的分布特征。總體而言，江蘇省太陽能資源豐富度屬于我國第三類太陽能資源區域，適合建設光伏發電項目，且由南向北太陽能資源豐富度處于遞增趨勢[4]。

考慮到江蘇省的高密度高速公路路網及站區附屬設施，利用我省高速公路沿線站區資源建設光伏發電項目顯得尤為必要，既能實現社會經濟效益，又能提升高速公路整體環境品質[5]，有利于打造“綠色、低碳、環保、節能”的江蘇高速公路新形象，也有利于引導社會樹立綠色發展理念[6]。在了解江蘇省高速公路沿線服務區、收費站、辦公樓屋面面積以及服務區停車場面積的基礎上，估算可利用屋面面積和可進行光伏車棚改造的服務區停車場面積，確定光伏屋面和光伏車棚的裝機規模和發電量，并結合高速公路用電情況分析其運行方式。

1 站區光伏能源利用研究方法

1.1 裝機規模的確定方法

在確定光伏屋面和光伏車棚裝機規模時，首先通過現場調研結合問卷調查的方式確定屋面和車棚可利用面積。

通過選擇京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速四條典型高速公路開展江蘇聲高速公路典型服務區和收費站進行可利用面積分析。此外通過向江蘇省各路公司發放站區調研問卷，調查表主要包括用電情況調查和屋頂信息調查兩大項內容，用電情況調查包括2016年和2017年用電量以及電費的調查，配電房部分的調查，白天用電情況調查；屋頂信息調查包括站區屋頂總面積、其中平頂的面積、坡頂的面積和坡頂的坡度比等根據可利用面積占屋面總面積的比例，估算江蘇省高速公路站區可利用屋面面積。

確定可利用車棚面積時，選擇確定可利用的車棚類型，通過選擇典型站區分析可利用車棚面積，再根據可利用車棚面積占站區總面積的比例，估算江蘇省高速公路站區可利用車棚面積。確定光伏屋面和光伏車棚可利用面積后，根據光伏企業通過軟件模擬及實際項目案例提供的單位面積安裝量確定裝機規模。

1.2 發電量計算方法

采用標準小時數法計算高速公路光伏屋面首年發電量，且采用綜合估算、分屋面類型估算兩種方法進行測算。綜合比較分析后，確定江蘇省高速公路光伏屋面首年發電量。根據首年發電量，計算25年合計發電量。

標準小時數計算法是根據系統安裝容量和標準日照小時數進行計算的方法[7]。光伏電站發電量根據下式計算：

EP=P×H×K

式中，P為光伏電站系統安裝容量，kWp；

H為光伏電站廠址所在地標準小時數，單位為h；

K為綜合效率系數，一般取75%～85%。

根據規定，光伏組件首年衰減不得超過2%，以后每年的衰減不得高于1%，25年不得高于20%(遞進衰減)；根據光伏企業調研數據，光伏組件一般年均衰減小于0.5%。本報告估算25年內逐年發電量時，采取保守態度，首年衰減值取1%，以后每年的衰減值取0.6%，年發電量估算公式如下：第N年發電量=初始年發電量×(1-N×組件衰減率)。利用此公式計算逐年發電量，然后匯總計算25年發電量[8]。

2 高速公路站區光伏屋面研究

2.1 江蘇省高速公路光伏屋面總裝機量

通過根據京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速4條高速公路的分析結果，估算回收調查表中站區的屋面裝機容量。在有效回收的高速公路光伏能源利用調查表中，共有服務區79對，收費站274個，總計屋頂面積約有60.4萬m2，其中平屋頂面積為18.7萬m2，坡屋頂總面積為44.5 m2，可利用屋頂總面積為26萬m2，占比為43.0%，可利用平屋頂面積為11.2萬m2，占比為18.4%，可利用坡屋頂面積為14.9萬m2，占比為24.5%。

江蘇省高速公路共計服務區88對，收費站396個。據此估算出江蘇省所有服務區和收費站共計屋頂面積約83萬m2，可進行光伏能源利用的面積占比按43%計算，則約有35萬m2的屋面可進行光伏建設。其中，平屋面可利用面積為15萬m2，坡屋面可利用面積為20萬m2；按照光伏企業給出的屋面單位面積裝機量，平屋面每平方米裝機容量約80 W，坡屋面每平方米裝機容量約100 W，計算得江蘇省高速公路服務區和收費站屋面共計可安裝光伏發電裝機容量為32 MW。

2.2 江蘇省高速公路光伏屋面發電量測算

① 綜合估算光伏發電量

采用標準小時數法計算時，綜合效率系數取值不隨屋面類型變化，為綜合平均值，一般取75%～85%。由于有很多坡屋面方位角和傾角沒法調整至最佳，考慮其發電效率較低，綜合效率取值比一般電站水平的最低值75%稍小，取70%；江蘇省平均日峰值日照時間為3.93 h；光伏屋面裝機量為32 MW。計算得光伏屋面的首年發電量為3 213萬kWh。

② 坡屋面光伏發電量測算

根據京滬高速、滬寧高速、寧杭高速、沿江高速四條高速各類型屋面型式的統計分析，總結可利用面積中不同方位角坡屋面所占比例，具體見表1。

表1 可利用坡屋面中不同方位角屋面所占比例

注：向東偏設定為負角度，向西偏設定為正角度(下同)

由前期計算結果可知，可利用坡屋面總面積為20萬m2，可利用平屋面總面積為15萬m2。根據表1中的計算結果，推求全省高速公路可利用坡屋面中不同方位角的屋面面積，并計算各方位角坡屋面的裝機容量，具體計算結果見表2。

表2 全省高速公路站區不同方位角坡屋面面積及裝機量

根據各方位角坡屋面的裝機容量，考慮不同方位角屋面的太陽能利用效率，采用標準小時數法計算不同方位角坡屋面的發電量，具體計算結果見表3，江蘇省高速公路服務區和收費站坡屋面光伏系統首年發電量為1 861萬kWh。

表3 全省高速公路站區不同方位角坡屋面光伏發電量

③ 平屋面光伏發電量計算

由于平屋面光伏組件安裝傾角和方位角均可調節至最佳位置，其發電效率較坡屋面光伏系統高，計算時綜合效率系數可取稍大值，采用光伏企業技術人員提供的建議值78%；江蘇省平均日峰值日照時間取3.93 h；平屋面裝機量為12 MW。計算得全省平屋面光伏首年發電量為1 343萬kWh。

④ 站區光伏屋面總發電量

根據上文，江蘇省高速公路站區坡屋面與平屋面的光伏發電量為：1 861萬kWh+1 343萬kWh=3 204萬kWh。

比較分析綜合估算值和分屋面類型估算值可知，兩種估算結果差別很小，因此江蘇省高速公路光伏屋面首年發電量取3 200萬kWh。

根據前文所述計算方法，計算得江蘇省高速公路光伏屋面25年發電量如表4，全省高速公路光伏屋面25年發電總量約7.3億kWh。

表4 江蘇省高速公路光伏屋面25年發電量 萬kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合計發電量15 57515 02114 55114 08013 61072 837

3 高速公路服務區光伏車棚研究

3.1 光伏車棚利用方案的建議

① 可進行光伏能源利用的停車場確定

服務區停車場分為小型車位和大型車位，其中小型車位光伏車棚所需凈空僅2.2 m左右，方便實施，經濟回報率較高，改造難度較低；大型車位光伏車棚所需凈空不低于4 m(有部分超高貨車)，車棚結構投資成本約小車車棚的2倍，經濟回報率較低，改造難度大，因此建議車棚光伏化只針對小型車停車場[9]。

收費站停車場主要用于站區工作人員內部車輛的停放，停車場面積很小，而且周圍有收費站辦公樓等其他建筑和綠化樹木的遮擋，不建議進行光伏車棚改造。

綜上，站區光伏車棚改造，僅選擇高速公路服務區小型車停車場進行。

② 光伏車棚改造形式分析

目前，常用的車棚形式根據立柱設置情況，可分為單立柱和雙立柱兩種形式。為了減少對停車的影響，光伏車棚的立柱應盡可能減少，因此推薦采用單立柱形式。

3.2 光伏車棚裝機容量估算

通過對江蘇省各路公司服務區的平面布置進行了調研，本研究基于現有調研結果選擇資料較為齊全的沿江高速、寧常高速、沿海高速、寧靖鹽高速等高速的9個服務區，分析了小車位面積及服務區總面積情況，分析統計數據見表5。表5中選取的4條高速公路在全省高速公路中具有較強的代表性，且沿線服務區覆蓋蘇南、蘇中、蘇北。因此，本報告利用表中統計的小型停車場面積占服務區總面積的平均比例2.58%，估算江蘇省高速公路服務區小型車停車場的面積。

江蘇省高速公路沿線共有服務區88對，平均每個服務區面積60～80畝。因此，江蘇省高速公路服務區總面積大約為88×70畝=4 106 669 m2，即約411萬m2。小型車停車位面積按照服務區總面積的2.58%估算，則江蘇省高速公路服務區共計約11萬m2的小型車停車場可進行光伏車棚改造，即光伏車棚可安裝光伏組件的面積為11萬m2。

光伏車棚光伏組件的安裝形式與站區坡屋面光伏組件安裝形式相似，光伏組件的安裝傾角和方位角不可隨意調整，需根據車棚的設計方位角和傾角直接滿鋪安裝。采用光伏企業提供的經驗數據，平均每平方米安裝裝機容量按100 W估算，則江蘇省高速公路光伏車棚共計可以安裝光伏發電裝機容量約11 MW。

表5 部分服務區小型車停車場面積占服務區總面積的比例

3.3 光伏車棚發電量估算

① 光伏車棚首年發電量估算

江蘇省的平均日峰值日照時間取3.93 h，光伏車棚的發電效率與光伏屋面相似，由于存在少部分陰影遮擋以及方位角和傾角不易調整等因素，發電效率較常規地面電站的發電效率低，光伏車棚綜合效率系數取70%。計算得江蘇省高速公路服務區光伏車棚首年發電量為1 105萬kWh。

本報告取江蘇省高速公路服務區光伏車棚首年發電量為1 100萬kWh。

② 光伏車棚25年發電量估算

根據前文計算方法，計算光伏車棚25年發電量，結果見表6，江蘇省高速公路光伏車棚25年發電總量約2.5億kWh。

表6 江蘇省高速公路光伏車棚25年發電量 萬kWh

年份1～56～1011～1516～2021～25合計發電量5 3545 1645 0014 8414 67925 039

4 站區光伏發電運行模式分析

目前，我國分布式光伏發電分為“自發自用”、“自發自用，余量上網”及“全額上網”三種運行模式[10]。

站區光伏能源利用即站區光伏屋面和光伏車棚，位于高速公路服務區及收費站內，就并網條件來講完全有條件接入站區，自發自用，但需要考慮站區對所發電能的具體消納能力。

根據調研，高速公路站區晝間用電量約占高速公路總用電量的一半，約8 500萬kWh，而站區光伏首年發電量約4 300萬kWh，僅為站區晝間用電量的50%，從整個高速公路系統來分析，站區光伏發電量可以被站區完全消納。考慮到高速公路各站區用電量存在差異，如要詳細分析站區光伏發電自發自用的可行性，需具體分析每個站區的具體用電量及發電量，由于研究范圍覆蓋整個高速公路系統，隨機抽取典型服務區和收費站進行自發自用可行性分析。隨機選取的4條高速公路在全省高速公路中具有較強的代表性，且沿線站區覆蓋蘇南、蘇中、蘇北，在選擇站區時還兼顧了用電量較大和較小的站區。

經過抽樣分析發現，高速公路站區光伏系統所發電量均小于其晝間用電量，站區光伏發電可以完全以“自發自用”模式運行。

表7 站區光伏自發自用可行性分析

5 結論

① 江蘇省高速公路服務區和收費站屋面共計可安裝光伏發電裝機容量為32 MW，首年發電量為3 200萬kWh，全省高速公路光伏屋面25年發電總量約7.3億kWh；江蘇省高速公路光伏車棚共計可以安裝光伏發電裝機容量約11 MW，江蘇省高速公路光伏車棚25年發電總量約2.5億kWh。

② 高速公路站區光伏系統所發電量均小于其晝間用電量，站區光伏發電可以完全以“自發自用”模式運行。