某高速公路服務區(qū)及沿線風光發(fā)電和能源利用方案探討

盧艷林，陶佳燕，高志新

(中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

目前，我國高速公路網規(guī)模大、覆蓋廣，并處于不斷發(fā)展完善階段，截至2020年，我國高速公路里程已超過15萬km。隨著“5G+智慧交通”時代的來臨，電動汽車、智能充電樁、無人駕駛等技術在交通領域不斷革新，加上原有的服務區(qū)用電設施、橋隧照明通風設施，高速公路系統(tǒng)運營需要消耗大量的電能，在煤炭、石油等不可再生資源逐漸枯竭的背景下，“碳達峰”和“碳中和”目標的提出，以環(huán)保和可再生為特點的太陽能、風能等開發(fā)利用已成為新主流。

2020年8月，交通運輸部發(fā)布《交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》(交規(guī)劃發(fā)〔2020〕75號)，文件中指出：引導在城市群等重點高速公路服務區(qū)建設超快充、大功率電動汽車充電設施。鼓勵在服務區(qū)、邊坡等公路沿線合理布局光伏發(fā)電設施，與市電等并網供電[1]。

2020年12月，交通運輸部印發(fā)《關于招商局集團有限公司開展集裝箱碼頭智能化升級改造等交通強國建設試點工作的意見》(交規(guī)劃函〔2020〕711號)，提出基于綠色能源的智慧高速公路關鍵技術研究與應用，開展高速公路綠色能源建設模式與技術規(guī)范研究。開展綠色能源綜合服務模式與市場化電力交易盈利模式研究，建設基于分布式光儲系統(tǒng)的高速公路智慧能源服務平臺，促進綠色能源發(fā)用電產業(yè)一體化發(fā)展。

本文以湖北某高速公路服務區(qū)及沿線擬開展的綜合能源工程建設為例，探討分布式光伏發(fā)電、風力發(fā)電、電化學儲能等綜合能源利用方案，供后續(xù)類似工程參考。

1 項目用地條件

根據《湖北省高速公路管理條例》(2009年6月1日施行)第三十一條高速公路用地范圍要求，本項目考慮使用如下區(qū)域進行新能源項目開發(fā)：

(一)高速公路邊溝(隔離柵)外緣起1米的區(qū)域；

(二)無高速公路邊溝(隔離柵)的，為公路路沿石外緣起5米的區(qū)域；

(三)高速公路橋梁為橋梁垂直投影面外緣起1米的區(qū)域。

第三十四條從高速公路用地外緣起50米的區(qū)域為高速公路建筑控制區(qū)。

國家《公路安全保護條例》第十一條規(guī)定，屬于高速公路的，公路建筑控制區(qū)的范圍從公路用地外緣起向外的距離標準不少于30米。

本項目場址區(qū)域涵蓋了4條主要高速公路，同時包含多個高速服務區(qū)，車流量大，具有較好的風、光資源開發(fā)前景。項目擬在高速公路

2 太陽能、風能資源分析

2.1 太陽能資源

本文采用Meteonorm8.0軟件對選定場址區(qū)域的太陽能資源進行綜合評價。項目所在地年輻射總量4167.6 MJ/m2，太陽能資源穩(wěn)定度為0.37。按GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》[2]，場址區(qū)域屬太陽能資源豐富、穩(wěn)定度穩(wěn)定區(qū)域，從資源利用角度來說，適宜開發(fā)建設光伏電站。

2.2 風能資源

場址區(qū)域處于中緯度季風環(huán)流區(qū)域的中部，屬于北亞熱帶季風氣候。1981年—2018年期間年均風速為2.25 m/s，年最大風速為22.0 m/s。

1)風速特征

經統(tǒng)計氣象站近23 a的氣象資料，得到1993年—2015年年平均風速為2.0 m/s，平均風速最大月為3月，風速為2.3 m/s；平均風速最小月為10月，風速為1.7 m/s；風速年內變化幅度較大。

2)風向特征

資料顯示風向較為集中，全年以NNW～NNE扇區(qū)風向較多，其中N扇區(qū)風向頻率占比最大。

3 高速服務區(qū)綜合能源利用方案

在項目廠址范圍內選定某典型服務區(qū)作為研究對象，根據該高速公路服務區(qū)的用電需求和發(fā)展趨勢，充分利用場地空間條件，安裝分布式光伏、分布式風電、儲能系統(tǒng)、電動汽車充電樁和加氫站，與現(xiàn)有的配電設施、用電負荷、監(jiān)控和保護裝置等組成微電網。建設智慧能源信息中心，對微電網內部能量進行調度控制，同時通過數據管理、監(jiān)視、微網自控等靈活且個性化的需求側管理實現(xiàn)對“供-轉-輸-用”的全過程智能優(yōu)化。

3.1 高速服務區(qū)整體方案

高速公路服務區(qū)整體設計方案如圖1所示。

圖1 高速服務區(qū)整體設計方案

擬在高速公路服務區(qū)設置交流配電系統(tǒng)。服務區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)、微風發(fā)電系統(tǒng)、直流充電樁經逆變后就近接入交流配電系統(tǒng)；儲能系統(tǒng)經過過程控制系統(tǒng)(process contorol systems，PCS)接入交流配電系統(tǒng)。

正常情況下利用光伏發(fā)電系統(tǒng)、微風發(fā)電系統(tǒng)為服務區(qū)的充電樁、正常生活用電設備供電，多余的電量為配套的儲能設備充電，若儲能設備充滿后仍有富余的發(fā)電量，可通過交流母線接入國家電網。

無太陽輻射、微風等特殊情況下，充電樁、站內生活用電設備優(yōu)先使用儲能設備存儲的電量，待儲能設備電量不足時，采用國家電網的市電作為備用電源，保證服務區(qū)的正常運行。

3.2 服務區(qū)光伏系統(tǒng)選型、布置和發(fā)電量估算

考慮光伏系統(tǒng)的技術成熟度、發(fā)展趨勢及設備供貨能力，服務區(qū)擬選用540 Wp單晶硅組件和110 kW組串式逆變器，16個光伏組件組成1個組串，每15/16個組串接入一臺逆變器，經逆變器逆變?yōu)?80 V交流電后，接入服務區(qū)的交流母線。

根據服務區(qū)南北區(qū)的具體情況，擬在服務區(qū)設置地面光伏、停車場光伏和屋頂光伏系統(tǒng)，光伏設施配置規(guī)模見表1所列。

表1 服務區(qū)光伏設施配置規(guī)模

按照實際安裝容量1.339 2 MWp計算，預計電站首年上網電量126 4.7 MWh，首年利用小時數為944 h，25 a年均發(fā)電量為1 191.2 MWh，年均利用小時數為889 h，25 a總發(fā)電量約為29 672.9 MWh。

根據調研結果，服務區(qū)2019年5月—2020年4月的年用電量約為136萬度，而服務區(qū)分布式光伏25a年均發(fā)電量約119萬度，光伏發(fā)電量與服務區(qū)年年用電量基本持平，余電較少，與本項目“自發(fā)自用、余電儲能、電網備用”的原則相吻合。

3.3 服務區(qū)風能利用方案

結合風資源情況，本服務區(qū)擬安裝4臺單機容量為5kW的SH-5 kW型垂直軸風力發(fā)電機組，總裝機規(guī)模20 kW，預計年上網發(fā)電量約16 000 kWh。

3.4 電動汽車充電方案

按照《湖北省新能源汽車充電基礎設施建設運營管理暫行辦法》要求“高速公路和普通國省干道服務區(qū)，以及有條件的加油(氣)站，應按不低于停車位總數量10%的比例逐步改造安裝、建設配備充電基礎設施或預留安裝條件。”本項目根據服務區(qū)停車場車位分布以及充電樁配置現(xiàn)狀，擬在南區(qū)和北區(qū)各增5臺180 kW/750 V(雙槍)直流快速電動汽車充電樁，安裝位置選在停車棚，滿足電動汽車用戶充電需求。

3.5 儲能方案

儲能系統(tǒng)是綜合能源系統(tǒng)的重要組成部分和關鍵支撐，可以起到削峰填谷作用，提高可再生能源的消納水平，支撐分布式電源及微網，促進能源生產消費、開放共享、實現(xiàn)多能協(xié)同。

結合本項目改善光伏接入質量，優(yōu)化供配電網絡中功率平衡，在極端用電的情況下及時為供配電系統(tǒng)提供備用電源及其他開發(fā)驗證性需求，推薦采用磷酸鐵鋰電池儲能系統(tǒng)。國家發(fā)展改革委印發(fā)《關于進一步完善分時電價機制的通知》(發(fā)改價格〔2021〕1093號)文件部署各地進一步完善分時電價機制，服務以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設，促進能源綠色低碳發(fā)展。在電網電價政策暫未落地無套利空間的情況下，配置儲能系統(tǒng)額定容量為100 kW/200 kWh。未來電網電價政策變化，如存在峰谷電價差則可通過谷期充電、峰期放電實現(xiàn)套利，將結合服務區(qū)的用電量，對儲能容量進行進一步研究。

為了方便運輸和安裝、減少占地空間，本項目擬采用集裝箱式儲能系統(tǒng)，該儲能系統(tǒng)由集裝箱箱體(含配電)、自動消防系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、儲能變流器、電池系統(tǒng)(含機架、電池組、BMS)等組成，如圖2所示。

圖2 集裝箱式儲能系統(tǒng)圖

3.6 加氫方案

氫能是一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，是實現(xiàn)交通運輸等領域大規(guī)模深度脫碳的理想選擇。

根據本服務區(qū)南區(qū)、北區(qū)大車及小車流量數據，考慮車流量年增長、新能源汽車產業(yè)發(fā)展等因素估算至2025年，服務區(qū)氫燃料電池大車車流量約26輛/d，氫燃料電池小車流量約2輛/d。氫燃料電池客車、貨車典型加氫量為30～40 kg，小車典型加氫量為4～5 kg。按50%的氫燃料電池車輛在本服務區(qū)有加氫需求，則加氫站日加氫量約460 kg。因此，本服務區(qū)加氫站容量按500 kg/d考慮。

本項目加氫站考慮通過長管拖車將20 MPa的壓縮氫氣從氫氣生產單位運送進固定站，然后由加氫站內壓縮機將氫氣卸載至高壓儲氫罐。車輛加氫時，長管拖車或儲氫罐通過加氫機將氫氣充裝到燃料電池汽車的車載儲氫瓶中，工藝流程如圖3所示。

圖3 加氫站工藝流程示意圖

3.7 暖通方案

服務區(qū)冷熱負荷比較集中，宜采用集中冷熱源空調方案或多聯(lián)機中央空調系統(tǒng)方案以提高制冷制熱效率，從而實現(xiàn)節(jié)能目的。

在對本項目地理位置、氣象條件、土壤源資源以及地下水資源充分分析的基礎上，從新能源開發(fā)的初衷以及節(jié)約傳統(tǒng)電能的角度出發(fā)，地源熱泵+夏季冷卻塔輔助散熱的空調方案能夠利用地熱能，且本項目具有可利用停車區(qū)作為地埋管占地使用的獨特優(yōu)勢，可解決該方案占地面積大的劣勢；而從結合本項目的建筑和使用特點的角度出發(fā)，多聯(lián)機中央空調方案具有更節(jié)能、運行模式及維護更簡單靈活以及初投資更低等優(yōu)勢。

3.8 智慧能源信息中心方案

從服務區(qū)的能源供給情況和消費需求來看，在供給側，有外接市電、光伏發(fā)電、微風發(fā)電、市政自來水管網等不同種類的能源供給形式；在消費側，同樣有用電需求、供熱需求、供冷需求等不同品類的能源消費方式。

不同能源的供應成本、資源稟賦、能源消耗、用戶需求、環(huán)境影響等特點都不同，需要結合服務區(qū)內綜合能源系統(tǒng)運行狀況，優(yōu)化調度能源運轉的各個環(huán)節(jié)，確保服務區(qū)內能源系統(tǒng)運行在高效率、高可靠性，達到示范工程的效果。故本期考慮建設綜合性的智慧能源信息中心。

在綜合能源系統(tǒng)中，通過地源熱泵、屋頂分布式光伏、冷水機組、電動汽車充電樁、垂直軸風機、電化學儲能等方式，實現(xiàn)熱、冷、電等多種能源互補，以網源荷儲一體化方式，解決服務區(qū)的冷、熱、電等需求；綜合能源控制中心包含綜合能源管理系統(tǒng)、能源協(xié)調控制管理系統(tǒng)、區(qū)塊鏈電力交易系統(tǒng)等，通過多階段協(xié)同規(guī)劃與運行仿真方法，實現(xiàn)能源生產、轉換、存儲等環(huán)節(jié)的優(yōu)化配置與互補集成，提升服務區(qū)能量供給的經濟性、可靠性。同時，有效對綜合能源系統(tǒng)中的能源設備進行監(jiān)控管理、優(yōu)化調度、合理分配出力，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行和能源調度智能化等功能。

4 高速公路沿線能源利用方案

4.1 高速公路沿線光伏方案

高速公路沿線擬利用高速護坡和高速互通進行光伏發(fā)電系統(tǒng)的設置，擬以405 kWp裝機容量為一個子站系統(tǒng)。單個405 kWp子站系統(tǒng)選用單晶單玻540 Wp組件總計750塊，配置110 kW逆變器3臺和60 kW逆變器1臺。逆變器將直流電逆變?yōu)?80 V交流電，經光伏并網柜就近接入附近的0.4 kV電網。

考慮到高速公路周邊遮擋、地形地貌等外在影響，從備選的4條高速公路中優(yōu)選出2條高速公路，充分利用高速公路朝南護坡的閑置地，預估按照4 km安裝一個光伏子站，裝機容量見表2所列。高速公路南側護坡光伏項目安裝效果如圖4所示。

表2 高速公路沿線預估裝機容量表

圖4 高速公路南側護坡光伏項目安裝效果圖

優(yōu)選的2條高速公路沿線有3個互通立交，充分利用高速公路互通立交匝道圈大量的閑置地建設光伏電站，預計每個互通立交可利用安裝光伏面積約為4 000 m2，可利用安裝光伏電站的總面積約為12 000 m2，預估光伏裝機容量約9 720 kWp，光伏子站共計24個。高速公路互通光伏項目安裝效果如圖5所示。

圖5 高速公路互通光伏項目安裝效果圖

經計算，按照預估安裝容量29.97 MWp，預計電站首年上網電量30 084.6 MWh，首年利用小時數為1 004 h，25 a年均發(fā)電量為28 233.28 MWh，年均利用小時數為942.05 h，25年總發(fā)電量約為705 831.89 MWh。

4.2 高速公路沿線風電項目

根據風資源稟賦及可消納條件，擬選4個服務區(qū)場址平均風速集中在5～5.8 m/s，風能主要集中在5～11 m/s風速段。風電場屬低風速風電場，風速風能分布相對較集中，風電機組宜選擇對低風速段風速利用較為充分的高效能風機，通過對國內外風電機組生產廠家的調研以及根據本風電場工程的風能資源、地形和交通運輸條件、湍流強度以及各類風機的成熟性等特點，擬選取WTG-156-3000機型，各場址裝機規(guī)模見表3所列。

表3 擬規(guī)劃的分散式風電規(guī)模

風電年理論發(fā)電量為6 720萬kWh，預計項目年上網發(fā)電量為5 040萬kWh，相應單機平均上網電量為630萬kWh，年等效滿負荷小時數為2 100 h，容量系數為0.240。

5 財務評價主要原則

當前由于加氫站運營前景尚不明確，本項目財務評價范圍暫時僅包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)等。

本項目注冊資本金占動態(tài)投資的30%，按照2021年6月21日全國銀行間同業(yè)拆借中心公布的貸款市場報價利率，五年以上貸款年名義利率4.65%(按季結息，年實際利率4.73%)，采用等額還本利息照付的還款方式。流動資金中30%為自有資金，流動資金貸款年利率3.85%。

根據負荷情況，推薦新增光伏及風力發(fā)電采用自發(fā)自用、余電上網的消納方式。在現(xiàn)有上網電價的前提下，采用正算方式，計算得出項目投資所得稅后財務內部收益率為5.12%，項目資本金財務內部收益率為6.80%，投資方內部收益率為4.22%，說明本項目在財務上是可行的。

6 結語

交通與能源作為我國兩大全局性和基礎性行業(yè)，在“碳達峰碳中和”背景下，亟需加快深度融合發(fā)展。隨著高速公路服務區(qū)及路網近年來不斷擴建與修整，其能源需求逐漸增多。當下在高速公路服務區(qū)中應用分布式太陽能光伏、風力發(fā)電、地源熱泵，部署電動汽車充電樁、加氫站等已成為了一種趨勢，本項目高速服務區(qū)綜合能源綜合利用效率達80%以上，可再生能源滲透率高達88.7%。上述應用能夠節(jié)約更多的自然資源，減少碳排放,節(jié)省更多造價及環(huán)境成本，社會效益顯著，為“交通+能源”清潔低碳沿路經濟帶發(fā)展提供新思想、新思路。