摘要：通過(guò)分析太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用情況，以及我國(guó)高速公路網(wǎng)的現(xiàn)狀及規(guī)劃情況，提出了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)適合在我國(guó)高速公路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的觀點(diǎn)，有利于推進(jìn)綠色公路的發(fā)展建設(shè)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)； 高速公路； 清潔能源； 綠色公路；
引言
隨著我國(guó)高速公路的迅猛發(fā)展，交通運(yùn)輸部近期提出了綠色公路的標(biāo)準(zhǔn)要求。我國(guó)的高速公路工程建設(shè)正在發(fā)生著很大的變化，特別是高速公路服務(wù)設(shè)施提檔升極后，使得高速公路服務(wù)設(shè)施不斷擴(kuò)建與改造，致使其日常的用電量逐漸增多。為解決高速公路領(lǐng)域日益增加的用電需求和有效提高土地資源的利用率的問(wèn)題，在高速公路領(lǐng)域推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，是一種既具有保障能源供給、改善生態(tài)環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略意義，同時(shí)又具有節(jié)約自然資源、降低能耗成本的現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)意義的方法。本文將結(jié)合太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例來(lái)進(jìn)行研究探討。
1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用"光生伏特效應(yīng)",將接收到太陽(yáng)輻射的光能，轉(zhuǎn)換為電能。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)兩種方式。
1.1 獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)
獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)是指不與電力系統(tǒng)的供電網(wǎng)絡(luò)相連。該系統(tǒng)由光伏方陣（太陽(yáng)能電池串并聯(lián)封裝而成）、控制器、蓄電池組和直流/交流逆變器等構(gòu)成，如圖1所示。
該系統(tǒng)由光伏組件產(chǎn)生的直流電，可以直接供給直流負(fù)荷使用或經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)成交流電供給交流負(fù)荷，還可以用蓄電池等儲(chǔ)能裝置將電能存放起來(lái)，根據(jù)需要隨時(shí)釋放出來(lái)使用。
1.2 并網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)
并網(wǎng)方式根據(jù)裝機(jī)模式可分集中式和分布式兩種。目前我國(guó)高速公路領(lǐng)域采用的是分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)高速公路沿線服務(wù)設(shè)施的具體分布情況，設(shè)計(jì)布置不同規(guī)格和不同朝向的光伏陣列，然后將相同朝向、相同規(guī)格的光伏陣列分別通過(guò)單能逆變器匯流，再經(jīng)多臺(tái)逆變器集中后形成分布式并網(wǎng)發(fā)電方式。具體實(shí)施方案（如圖2）。
該系統(tǒng)所發(fā)電能除供給系統(tǒng)內(nèi)負(fù)荷外，多余電能還可以上匯到公共電網(wǎng)；若電能不足時(shí)，也可以通過(guò)公共電網(wǎng)給負(fù)荷提供電能，供電靈活可靠，同時(shí)減少了對(duì)蓄電池的投資和維護(hù)費(fèi)用，是一種經(jīng)濟(jì)適用的方式。
經(jīng)過(guò)以上分析可知，和傳統(tǒng)供電模式相比，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)從設(shè)計(jì)理念到運(yùn)行模式等各方面都進(jìn)行了創(chuàng)新。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)采用的新理念、新技術(shù)、新材料更貼近國(guó)家對(duì)綠色節(jié)能的要求。
2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外高速公路的應(yīng)用現(xiàn)狀
快速發(fā)展的光伏發(fā)電系統(tǒng)，已被廣泛地應(yīng)用于高速公路領(lǐng)域。下面就列舉幾個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路的應(yīng)用實(shí)例：
2.1 意大利的太陽(yáng)能光速公路
圖1 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)
圖2 分布式并網(wǎng)發(fā)電方案
2011年1月1日世界上第一條使用太陽(yáng)能電池高速公路對(duì)外開(kāi)放。該高速公路為連接意大利卡塔尼亞-錫拉庫(kù)薩A18高速公路（西西里島600km西西里島高速公路網(wǎng)絡(luò)中新增的一段30km的高速公路），是世界上第一條完全由太陽(yáng)能電池作為主要?jiǎng)恿Φ碾姎饣咚俟罚ㄈ鐖D3所示）。每年的發(fā)電量密度預(yù)計(jì)大約為1200萬(wàn)k W·h,能夠完全滿足整段高速公路的用電力需求。
圖3 意大利卡塔尼亞-錫拉庫(kù)薩A18高速公路光伏發(fā)電系統(tǒng)
2.2 茶條嶺隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)
2014年1月，陜西高速集團(tuán)在十天高速漢中東段茶條嶺隧道基礎(chǔ)上建設(shè)的110KWp分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)工程并網(wǎng)項(xiàng)目順利地完工，建成之后的效果圖設(shè)計(jì)如圖4所示。該光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)工程全部建成并網(wǎng)后，年平均發(fā)電量最高并網(wǎng)能力可達(dá)5.04萬(wàn)k W·h,其所發(fā)的電力主要是應(yīng)用于茶條嶺隧道內(nèi)的風(fēng)機(jī)及日光燈照明。
圖4 茶條嶺隧道光伏發(fā)電系統(tǒng)
2.3 榆社東高速收費(fèi)站光伏發(fā)電系統(tǒng)
2018年5月10日，山西省榆社至和順高速公路榆社東高速收費(fèi)站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)成功試運(yùn)行（見(jiàn)圖5）。該項(xiàng)目是山西省高速公路在該領(lǐng)域零的突破。該系統(tǒng)所發(fā)電量主要用于該站的辦公區(qū)和場(chǎng)區(qū)用電，該項(xiàng)目預(yù)計(jì)年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤5.4萬(wàn)噸。
圖5 榆社東高速收費(fèi)站光伏發(fā)電系統(tǒng)
以上案例可見(jiàn)，隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的日趨完善，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)越來(lái)越適用在高速公路領(lǐng)域，主要可以應(yīng)用在以下方面：（1）緊急救援電話系統(tǒng)；（2）道路檢測(cè)系統(tǒng)；（3）監(jiān)控系統(tǒng)；（4）交通標(biāo)志及警示設(shè)施；（5）主線、匝道、收費(fèi)廣場(chǎng)、立交隧道的照明；（6）公路廣告牌；（7）電子指示牌服務(wù)區(qū)等的供電系統(tǒng)。
3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用前景
3.1 從我國(guó)的太陽(yáng)能資源方面分析
根據(jù)《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》（QXT 89-2008）確定的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)是太陽(yáng)能資源相當(dāng)豐富的國(guó)家之一，年總輻射量在3000~7500MJ/m2之間，年日照時(shí)數(shù)在870~3570h之間。豐富的太陽(yáng)能資源有利于我們推廣應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。
3.2 從我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略層面分析
交通運(yùn)輸部提出了綠色公路的標(biāo)準(zhǔn)，要求高速公路發(fā)展領(lǐng)域進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和節(jié)能降耗，新能源的應(yīng)用勢(shì)在必行；智慧交通的發(fā)展，增加大量的設(shè)備智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備，以及高速服務(wù)區(qū)的檔次提升等對(duì)用電量需求會(huì)有明顯的增加；而太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的特性決定了其更加適合應(yīng)用于在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用。
3.3 從我國(guó)高速公路網(wǎng)現(xiàn)狀及規(guī)劃層面分析
目前我國(guó)高速公路網(wǎng)絡(luò)已形成規(guī)模，用電需求基本趨于穩(wěn)定，服務(wù)設(shè)施和交通工程周圍有大量的閑置屋頂和土地資源，因此參考國(guó)內(nèi)外已有的經(jīng)驗(yàn)和做法，可在我國(guó)高速公路領(lǐng)域大力建設(shè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，由此來(lái)推動(dòng)我國(guó)創(chuàng)建環(huán)保節(jié)約型公路的建設(shè)發(fā)展。
根據(jù)我國(guó)高速公路網(wǎng)規(guī)劃，今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，公路建設(shè)將重心轉(zhuǎn)向山嶺重丘區(qū)，項(xiàng)目沿線多為經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的地區(qū)，社會(huì)供電資源匱乏，電源質(zhì)量較差，而將電力長(zhǎng)途輸送到用電量需求的地方，電能損耗較大，需要增加輸電線路投資，因此應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以很好地實(shí)現(xiàn)利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源來(lái)滿足高速公路設(shè)施用電需求。
4 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域應(yīng)用需要注意解決的技術(shù)問(wèn)題
分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域應(yīng)用的情況得出，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)要更好地在高速公路領(lǐng)域推廣應(yīng)用，我們應(yīng)注意解決好以下技術(shù)問(wèn)題：（1）不同朝向電池板發(fā)電的均衡匹配問(wèn)題；（2）并網(wǎng)接入安全可靠性及多電源切換性；（3）建筑屋頂承重與太陽(yáng)能電池板安裝穩(wěn)定需要兼顧；（4）現(xiàn)有斜屋頂面安裝太陽(yáng)能電池要解決的固定和防水問(wèn)題；（5）不同建筑物之間太陽(yáng)能電池陣列之間串并聯(lián)連接的成本。
5 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種具有環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的很好的清潔能源，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，切合"交通+能源""高速+光伏"的清潔低碳路域經(jīng)濟(jì)發(fā)展思路，必將對(duì)綠色公路的建設(shè)起很大的推進(jìn)作用。
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