太陽能光伏發電系統在高速公路領域的應用探討

劉洪海

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

面對越來越嚴峻的環境污染問題以及能源消耗量逐漸加劇的現狀，傳統能源在環境和經濟方面的問題越來越突出。長期以來，現代社會的發展需要能源的支撐，在能源自身特點的影響下，能源發展問題顯然已經成為影響社會乃至整個人類發展的巨大問題。節能減排滿足綠色環保理念要求。太陽能和其他能源類型相比，具有分布廣泛、可再生、無污染以及能夠可持續發展等諸多優勢，全球能源的轉型升級，使得太陽能的應用優勢更加凸顯。

1 太陽能光伏發電系統原理

“光生伏特效應”是太陽能光伏發電系統發揮效用的原理，在這一機制的作用下，將太陽能資源轉化成了電能，以下是對兩種類型太陽能光伏發電系統的概述。

1.1 獨立式發電系統

獨立式發電系統發電工作是直接進行的，并沒有和供電網絡進行連接。在獨立式發電系統中，直流電是從光伏組件中產生的，可將這種電力能源可直接供給直流負荷，同時還可以借助蓄電池等裝置存放電能，并且嚴格按照實際需要隨時釋放電能[1]。

1.2 并網式發電系統

根據裝機模式不同，可將并網式發電方式分為集中式和分布式兩種，隨著當前我國高速公路領域分布式并網發電系統使用范圍的逐步拓大，該系統的應用可以結合高速公路沿線設施的實際情況進行分布，根據光伏陣列的規格和朝向不同對其進行科學布設。在此基礎上，電能逆變器的應用，還具有匯流光伏陣列的作用，之后通過運用多臺逆變器實現分布式并網發電。

來自并網式發電系統的電力能源不僅能夠供給系統內負荷，同時，還可以將多余的電能上匯至公共電網。面對電能不足的情況，也可以借助公共電網向負荷提供電能，這樣一來不僅減少了用于蓄電池的投資和維護費用，同時還具有供電靈活可靠的優勢，是一種具有良好經濟效益的供電方式。由此可見，太陽能光伏發電技術比傳統供電模式在設計理念和使用模式上實現了創新。新理念、新材料和新技術的使用順應了國家綠色節能理念的要求。

2 太陽能光伏發電系統的結構特點

通過對太陽能光伏發電系統從結構上進行分析，可將其分為硬件和軟件兩個部分，軟硬件相互作用才能夠轉化太陽能為電力能源。值得注意的是，太陽能光伏發電系統的可靠性在很大程度上取決于設計、使用以及故障等多個方面。所以，只有確保太陽能光伏發電系統滿足使用壽命長、安全可靠以及故障后維修性能良好的特點，才能夠判定其達到了可靠性標準要求。太陽能光伏發電系統是由子系統以及元器件聯合構成的，該系統的應用不會受到噪聲的干擾，而且不存在轉動部位。同時，系統運行過程中不會排放出廢棄物，從而有效避免了環境污染問題。面對該系統的快速啟動特點，在陽光充足的條件下可快速實現啟動發電[2]。由此可見，太陽能光伏發電系統儀器安裝便捷、建設周期短、維修費用低的優勢在變電站、工廠和住宅等多個區域中得到了全面推廣應用。

3 利用光伏發電技術的主要條件

3.1 光照資源

我國的太陽能資源分布廣泛，全國超過2/3的地區全年日照時數大于2200h。不同地區的海拔高度、氣候條件、緯度以及地理狀況等方面的因素是影響太陽能資源分布狀況的主要原因。光伏發電系統設置區域的選擇，需要以該區域具備豐富的太陽能光照資源為前提，只有這樣才能夠保障穩定的發電量。為了能夠進一步拓寬太陽能資源的應用范圍，提高其應用效率，我國對太陽能年輻射量超出9260MJ/m2的西藏地區以外的地區分為5類，如表1所示。

表1 太陽能資源地區分類

3.2 場地條件

在高速公路工程項目中設置光伏發電系統，需要深入分析高速公路建設區域的周邊環境以及建筑物的形式。①光伏發電系統的設置，需要結合地面上建筑物的實際情況，在明確用電需求的前提下，留出足夠位置用來安裝太陽能電池板等發電設施。②在布設光伏組件的時候，必須避開遮陰物。③為了能夠盡可能減少用于輸電線路中的費用支出，就需要盡可能靠近主干電網[3]。

4 光伏建筑一體化的應用

光伏建筑一體化系統即BIPV系統，其具有不同的工作模式，既能夠連接到電網⑧還能夠獨立脫離電網使用。并網使用時，發電量超過本地負載時可以將多余的電能送入電網，反之，發電量不足時，則使用電網中的電能。對于獨立型的BIPV，通常適合于地理位置偏遠，人煙稀少的草原、沙漠等電網難以接入的地區。同時，當太陽日曬狀況較好時，BIPV系統生產的富余電量可通過專門的儲能設備進行電能存儲，以備光照較差時使用，實現自給自足的狀況。

4.1 光伏建筑一體化的安裝形式

光伏組件可以組裝成客戶的要求樣式，部分或整體的替換建筑構件。系統安裝的樣式是由選用光伏組件的性能，建筑師的設計的建筑形式，以及項目所在地的氣候條件等幾個因素所共同決定的。其中，光伏組件的性能在整個設計過程當中起到了決定性作用。當前常見的6種光伏建筑一體化安裝方法如下。

4.1.1 遮陽棚式

遮陽設施是遮陽棚式光伏發電系統中主要的光伏電池板安裝方法，太陽能電池板可起到很好的遮陽隔熱效果，可使空調能耗有效的降低，節約能源并且相比一般的遮陽棚有更美觀的建筑外觀效果。

4.1.2 瓦片光伏發電系統

瓦片光伏發電系統的太陽能屋頂的瓦與常規分布式并網屋頂設計有所不同，瓦片光伏發電系統將屋頂與太陽能完美結合。用太陽能瓦片取代常規瓦片集成為一個斜坡屋頂，使光伏發電領域的設計和美學達到完美結合。其缺點是太陽能瓦的成本比普通太陽能板成本高，不能帶來較好的經濟收益[4]。

4.1.3 窗間式光伏系統

該系統在提供電力的同時，能夠根據季節的變化以及外界環境的不同可自動調節室內的通風、濕度和溫度。相比普通鋼化玻璃頂，窗間式光伏系統帶來了更多方便的功能，可充分利用建筑空間資源。

4.1.4 壁掛光伏發電系統

壁掛光伏發電系統將光伏電池板直接安裝在建筑的外墻。這種外掛式獨特的光伏發電系統使施工和維護變得更簡單。由于太陽能系統安裝在建筑物的外墻，太陽能電池吸收了建筑物外部的輻射光同時并進行了發電，而這部分輻射光原來是被建筑物表面吸收了，因此有效地降低了建筑物吸收的輻射能，尤其在夏季可有效地降低建筑物內的溫度水平。

4.1.5 百葉窗式光伏發電系統

該系統的光伏建筑的熱量是通過建筑圍護結構的導熱以及窗戶的輻射，對于改善夏季室內熱舒適性能具有重要的作用。與其他墻體光伏不同，可調節角度的百葉窗式可以讓建筑最大限度利用光能，充分利用建筑空間[5]。

4.1.6 采光天窗光伏系統

該系統的采光天窗一般位于建筑大堂，通常是標志性建筑，如博物館、科技館等場館的大堂天窗。如果改裝或加裝半透明的雙玻光伏板，可以讓建筑天窗空間得到更有效利用的同時兼顧采光需求，還能為這些場館展現現代化的氣息。

4.2 光伏建筑一體化的設計要求

光伏建筑作為一種新型建筑類型，為確保該建筑效用的充分發揮，就需要在光伏建筑一體化設計和使用階段充分考慮相關因素，確保其滿足基本的應用條件，這同樣也是實現節能環保理念的關鍵。具體要求如下：①光伏建筑一體化的設計必須考慮到建筑美學要求，嚴格遵循相關設計理念實施設計工作。②考慮到建筑物采光以及通風方面的需求完善設計方案。③確保光伏建筑一體化設計能夠保障建筑物的安全性。④需要考慮到安裝以及施工作業的便捷性。⑤和傳統的建筑材料相比，光伏建筑一體化設計需要考慮到建筑材料的使用壽命。⑥必須確保設計方案滿足綠色節能環保要求。

5 高速公路中太陽能光伏發電系統的應用前景

5.1 太陽能資源應用方面

我國擁有著豐富的太陽能資源，從《太陽能資源評估方法》（QXT 89—2008）中可以看出，我國的太陽能年總輻射量和年日照時間數分別為3000～7500MJ/m2和870～3570h。豐富的太陽能資源為太陽能發電系統有效應用創建了良好的環境。

5.2 交通運輸行業層面

在綠色公路理念下，要求高速公路建設應該將實現節能降耗目標和優化能源結構作為重要內容，確保新能源應用優勢的充分發揮。對于智慧交通的發展建設而言，不僅要加大對自動化控制設備和智能設備的管控力度，同時還需要提高服務區的檔次[6]。

5.3 我國高速公路網現狀及規劃層面

如今，我國高速公路網絡的建設已經形成了一定的規模，并且用電量基本趨于穩定狀態。為了能夠實現建設環保節能型公路工程項目的目標，可借鑒國內現有的成功經驗和做法，充分利用大量限制的土地資源體積屋頂資源，以此來加大對太陽能光伏發電系統的建設力度。基于我國高速公路網的建設規劃，高速公路網的建設仍然需要不斷加強，并且要將工作重心轉移到山嶺重丘區的建設方面。由于項目沿線區域的經濟發展水平較低，同時面對電力能源供不應求的現象，進而降低了電力能源的質量。然而，要想將電力能源遠距離運輸至電量需求區域，使得電力能源的損耗量較大，必須加大對輸電線路的投資力度，基于當地的自然資源，通過科學合理應用太陽能光伏發電系統來為高速公路發展建設提供所需的電力能源。

6 太陽能光伏發電系統的可靠性維持措施

6.1 優選系統元器件

光伏發電系統是由多個元器件單元共同構成的，因此，整個發電系統的質量在一定程度上會受到元器件使用質量的影響，最終直接會影響發電系統的性能。在具體開展光伏發電系統生產作業的過程中，必須將元器件的采購作為一項重要內容，除了要考慮元器件的性能指標等相關參數外，還需要考慮其價格，選用質優價廉的元器件，以此來進一步提升系統的運行效率。元器件的采購可以使用公開招標的方法，選擇信譽良好的供應商。此外，為了能夠最大限度保障元器件的購置質量，應該建立元器件選購檢查小組，針對性開展元器件購置質量的查驗工作。

6.2 優化系統設計方案

由于系統自身的缺陷降低了其運行可靠性，對此，需要采取優化系統軟硬件設計的措施。設計工作的實施，不僅要考慮到系統的外部環境，同時還需要嚴格控制算法的編制，以便為系統的高效運行創建良好的條件。同時，加強對逆變網的管控，通過降低波動性來達到控制穩定性的目的。此外，將系統糾錯軟件應用于系統設計中，實時監控整個電力系統的運行狀況，這樣一來，就能夠保證問題得到及時發現，將其帶來的不利影響降至最低。對于硬件系統的優化，可以采取使用電路檢測儀器、安裝避雷針等措施。電路板的設計，必須考慮到子電路以及電源信號產生的不利影響，為功率元器件配備散熱設備。

6.3 強化日常維護管理工作

在環境因素以及選址因素的影響下，為了能夠確保光伏發電系統的使用性能，因此，必須高度重視光伏發電系統陣列面的清潔工作，定期進行線路檢查，以便能夠及時發現其中存在的問題，為光伏發電系統效用的充分發揮提供可靠的保障。對于獨立使用的光伏發電系統，必須明確系統規范使用手冊，盡可能確保蓄電池在通風良好和恒溫恒濕的環境下運作，并且要做好日常保養工作。

7 結語

總而言之，太陽能光伏發電作為一項具有良好綜合效益的清潔能源，將其應用在高速公路建設領域，不僅能夠滿足低碳領域的經濟發展要求，同時還能夠加快綠色公路建設領域的發展進程，以便能夠從整體上提升我國公路建設事業的綜合效益。