重慶城開(kāi)高速可再生能源利用方案研究

黃龍顯, 劉相華, 李一鵬, 丁 赟, 史玲娜

(1.重慶高速工程顧問(wèn)有限公司, 重慶 401120; 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶 400067)

重慶城口至開(kāi)州高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)城開(kāi)高速)是國(guó)家高速G69銀百高速公路的重要組成部分,路線(xiàn)總長(zhǎng)128.461 km。全線(xiàn)橋梁總長(zhǎng)28 219.126 m,隧道71 374.85 m/18座,橋隧比77.52%;設(shè)匝道收費(fèi)站12處,服務(wù)區(qū)5處,養(yǎng)護(hù)工區(qū)2處,路段管理分中心1處、隧道救援站2處,全線(xiàn)用電設(shè)施多、運(yùn)營(yíng)能耗高。

為響應(yīng)國(guó)家能源戰(zhàn)略,滿(mǎn)足交通行業(yè)和高速公路運(yùn)營(yíng)節(jié)能減排的實(shí)際需求,本文以城開(kāi)高速公路為研究對(duì)象,結(jié)合新型取能用能技術(shù),對(duì)其沿線(xiàn)可再生能源資源進(jìn)行了調(diào)查分析,提出因地制宜的利用方案,以實(shí)現(xiàn)“能盡其能、能達(dá)其所”,為構(gòu)建面向全線(xiàn)運(yùn)營(yíng)的多能互補(bǔ)型微能源網(wǎng)提供有力的支撐。

1 微能利用方案

1.1 微水能

微水電是微型水力發(fā)電的簡(jiǎn)稱(chēng),是將小溪、小河水(即微水能資源)的位能轉(zhuǎn)換成符合用電要求的電能設(shè)施和設(shè)備組成的系統(tǒng)。微水電系統(tǒng)工作原理和小水電基本相同,但裝機(jī)容量較小,不需攔水筑壩,不會(huì)顯著干擾水體的自然流動(dòng)。

微水電系統(tǒng)能源不會(huì)耗竭、不污染環(huán)境,是最具有開(kāi)發(fā)前景的能源之一。在能源特性方面,微水電是穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可再生能源;在技術(shù)特性方面,微水電技術(shù)成本低、競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng),具有綜合性?xún)r(jià)比高、可利用水力資源量大、廣泛實(shí)用的特點(diǎn),可因地制宜充分利用自然界微小的水源,實(shí)現(xiàn)就地供電[1-3]。另外,微水電系統(tǒng)可兼顧環(huán)保、河流水資源綜合治理等多重社會(huì)效益,也非常適用于建設(shè)高速公路沿線(xiàn)供電系統(tǒng)。

城開(kāi)高速全線(xiàn)位于喀斯特地貌區(qū),隧道內(nèi)巖溶、暗河、涌水等地質(zhì)災(zāi)害多,儲(chǔ)水量大,影響范圍廣,如何有效處治曾一度令工程人員犯難。在災(zāi)害處治過(guò)程中,本課題組提出借鑒大禹治水的“疏”字訣,將隧道內(nèi)水源集中匯聚、定向引流,利用高差梯度布設(shè)微型發(fā)電機(jī),不僅可實(shí)現(xiàn)“變害為寶”的轉(zhuǎn)換,而且還可獲取涓涓細(xì)流蘊(yùn)藏的大能量。

通過(guò)建設(shè)期長(zhǎng)達(dá)6年的持續(xù)觀測(cè),旗桿山隧道出口的雨季實(shí)測(cè)水量為5 000 m3/h～7 000 m3/h,最大可達(dá)25 600 m3/h,出水量勘察期間涌水量為186 000 m3/d,且水量較穩(wěn)定,枯水季節(jié)出水量小,出水量具季節(jié)性明顯的特點(diǎn)。吳家梁隧道進(jìn)口涌水量17 280 m3/d且較穩(wěn)定,左洞最大涌水量69 120 m3/d,右洞最大涌水量43 200 m3/d,高峰時(shí)期總涌水量可達(dá)130 000 m3/d。

經(jīng)水工專(zhuān)業(yè)測(cè)算[4],旗桿山隧道出口可建設(shè)裝機(jī)規(guī)模2×2 MW微水電站,年均發(fā)電量2 230萬(wàn)kWh,保證出力2 200 kW,年利用小時(shí)4 857 h;吳家梁隧道進(jìn)口可建設(shè)裝機(jī)規(guī)模2×1.25 MW微水電站,年均發(fā)電量1 058萬(wàn)kW·h,保證出力1 044 kW,年利用小時(shí)4 231 h,主要?jiǎng)幽苤笜?biāo)見(jiàn)表1。由表1可知,2座微水電站的出力總計(jì)為3 244 kW,可滿(mǎn)足全線(xiàn)大部分日常運(yùn)營(yíng)負(fù)荷的供能需求[5]。

微水電站選用浮管式水力發(fā)電機(jī),直接利用江河、洋流、潮汐、溝渠的自然流水動(dòng)力,無(wú)需攔水筑壩,通過(guò)水力發(fā)電機(jī)管狀收水器接收大面積的平流水,使水流逐漸增壓提速,形成一定的勢(shì)能沖擊水輪機(jī),后部的錐形尾水管使流經(jīng)工作段的水流迅速擴(kuò)散,前后端形成較大壓差,以有效提高水能利用率[6]。當(dāng)流速為0.5 m/s時(shí),浮管式水力發(fā)電機(jī)即可啟動(dòng)發(fā)電;當(dāng)流速≥1 m/s時(shí),可實(shí)現(xiàn)良好的發(fā)電效果,且性?xún)r(jià)比隨著流速加大逐步提升。

1.2 太陽(yáng)能

重慶素有“火爐城市”之稱(chēng),夏季光照強(qiáng)烈,季節(jié)性太陽(yáng)能資源豐富。重慶市太陽(yáng)能資源較好的區(qū)域主要集中在渝東北片區(qū),區(qū)域內(nèi)已建/在建光伏電站情況見(jiàn)表2。

城開(kāi)高速所處的城口縣和開(kāi)州區(qū)總輻射年值約為1 108.3 (kW·h)/m2～1 110.3 (kW·h)/m2,屬于太陽(yáng)能資源較好區(qū)域。為達(dá)到最佳效果,光伏電站選址原則如下。

1) 站址位置:與隧道/服務(wù)區(qū)等消納點(diǎn)的距離≤1 km。

2) 地理?xiàng)l件:站址朝南布置,四周無(wú)遮擋,山體坡度≤30°。

3) 土地性質(zhì):站址盡量在紅線(xiàn)范圍內(nèi),超出紅線(xiàn)范圍是否涉及生態(tài)紅線(xiàn)/基本農(nóng)田/林地等敏感性因素。

4) 安全原則:站址周?chē)鸁o(wú)重大安全隱患,如陡邊坡、道路交叉、屋頂荷載需求、是否破壞屋頂結(jié)構(gòu)等。

5) 地質(zhì)條件:站址地質(zhì)穩(wěn)定。

按照上述原則,初步選定建設(shè)光伏電站12處[7],目前已建設(shè)完成7處,具體位置及裝機(jī)規(guī)模見(jiàn)表3。

結(jié)合本項(xiàng)目區(qū)域的太陽(yáng)能輻射量,選用目前光電轉(zhuǎn)化效率最高的單晶硅太陽(yáng)能電池,單個(gè)組件容量選型540 Wp或545 Wp。按照工業(yè)和信息化部《光伏制造行業(yè)規(guī)范條件(2021年本)》要求:“晶硅組件首年衰減率不超過(guò)2.5%,后續(xù)每年不超過(guò)0.6%,25年衰減率不超過(guò)17%”,系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率按86%計(jì),本項(xiàng)目光伏電站總裝機(jī)容量2.42 MWp,運(yùn)營(yíng)期25年內(nèi)的總發(fā)電量為5 091.52萬(wàn)kW·h,年均發(fā)電量為203.67萬(wàn)kW·h,年等效發(fā)電小時(shí)數(shù)為843.10 h。

表1 微水電站動(dòng)能指標(biāo)

表2 渝東北區(qū)域已建光伏電站

1.3 風(fēng)能

風(fēng)力發(fā)電是通過(guò)風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn),將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電,一般采用雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)和永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備。城開(kāi)高速沿線(xiàn)山高谷深,部分路段地處大巴山迎風(fēng)面,晝夜山谷風(fēng)頻繁,尤其盛夏季節(jié)常?？耧L(fēng)大作,極端條件下最大風(fēng)速甚至可超過(guò)10級(jí)大風(fēng)(24.5 m/s～28.4 m/s)。根據(jù)氣象資料和建設(shè)期的測(cè)試數(shù)據(jù),城開(kāi)高速在城口縣蓼子鄉(xiāng)、開(kāi)州區(qū)滿(mǎn)月鄉(xiāng)等峽谷路段的年平均風(fēng)速為5.5 m/s～6.8 m/s。

目前市場(chǎng)上普通的風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)力的要求較高,一般只有在風(fēng)速達(dá)到3 m/s以上才能帶動(dòng)風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn),3 m/s以下的風(fēng)能都被白白浪費(fèi)。另外,現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中軸基本以銜接型為主,風(fēng)力過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致中軸出現(xiàn)斷裂等故障。

表3 城開(kāi)高速光伏電站位置及建設(shè)規(guī)模

微風(fēng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示,其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、安裝方便、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)[8],可很好地解決上述問(wèn)題。微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的核心是微風(fēng)啟動(dòng)的風(fēng)力機(jī),一般采用無(wú)鐵芯的永磁盤(pán)式電機(jī)或外轉(zhuǎn)子電機(jī),啟動(dòng)力矩小,啟動(dòng)風(fēng)速可低至1 m/s。新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組用于軟微風(fēng)、低風(fēng)速、全風(fēng)能、全風(fēng)向,具有自動(dòng)化控制等特點(diǎn),改變了其他傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)既需要風(fēng)又怕風(fēng)過(guò)大損壞風(fēng)機(jī)的局面,填補(bǔ)了從10 kW～3 000 kW等機(jī)型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的技術(shù)空白,微風(fēng)發(fā)電效率已可達(dá)到70%以上[9-10]。

圖1 微風(fēng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

為充分利用風(fēng)能資源,在長(zhǎng)灣大橋旁峽谷(位于城口縣蓼子鄉(xiāng))、蓼子特大橋旁峽谷(城口縣蓼子鄉(xiāng))、雙河口特大橋旁峽谷(位于開(kāi)州區(qū)滿(mǎn)月鄉(xiāng))路段各設(shè)置1套45 kW垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量135 kW,年發(fā)電量為65.58萬(wàn)kW·h。

旗桿山隧道、城開(kāi)隧道均布設(shè)有通風(fēng)斜井,排風(fēng)口被山體包圍,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)測(cè),由“煙囪效應(yīng)”形成的自然風(fēng)速小于2 m/s,可利用價(jià)值不高,故未納入微能源利用范圍。

2 微能源網(wǎng)

2.1 架構(gòu)

針對(duì)高速公路用電負(fù)載種類(lèi)多、供電距離長(zhǎng)、負(fù)載用能不平衡、單一可再生能源無(wú)法滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離差異化供電需求等問(wèn)題,采用多種清潔能源的多形式立體取能方式進(jìn)行集中式與分布式相結(jié)合的特征化供電,形成多能互補(bǔ)的微能源網(wǎng)。

城開(kāi)高速微水電站出力大,供能相對(duì)穩(wěn)定,是微能源網(wǎng)供能的絕對(duì)主力;光伏和風(fēng)力發(fā)電作為微能源網(wǎng)供能的補(bǔ)充。微能源網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

2.2 分區(qū)布設(shè)

城開(kāi)高速分成A、B、C三個(gè)標(biāo)段分期建設(shè),具體劃分見(jiàn)表4。

圖2 城開(kāi)高速微能源網(wǎng)架構(gòu)

表4 城開(kāi)高速建設(shè)標(biāo)段劃分

全線(xiàn)機(jī)電設(shè)施(不含動(dòng)力系統(tǒng))負(fù)荷總功率為4 100.49 kW,其中隧道照明負(fù)荷占比41.6%[11-14]。由于隧道照明運(yùn)營(yíng)負(fù)荷功率與天氣、交通量等密切相關(guān),結(jié)合氣象資料與預(yù)測(cè)交通量分析,全線(xiàn)設(shè)施的實(shí)際電力負(fù)荷在2 016.32 kW～4 100.49 kW之間,運(yùn)營(yíng)最小負(fù)荷約占總負(fù)荷的49.2%。通過(guò)對(duì)源荷匹配性的進(jìn)一步分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[15],形成城開(kāi)路微能源網(wǎng)供電方案,如圖3所示。微能源網(wǎng)各供電區(qū)域負(fù)荷及供能方式見(jiàn)表5～表7。

由表5～表7可知,微能源網(wǎng)供電區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的負(fù)載總量分別為1 508.61 kW、977.37 kW、576.66 kW;供能總量經(jīng)折算后,分別為1 662.14 kW、1 098.7kW、49.37 kW。

通過(guò)上述源荷分析,本項(xiàng)目微水電站+光伏+風(fēng)力發(fā)電構(gòu)成的微能源網(wǎng)可滿(mǎn)足全線(xiàn)日常運(yùn)營(yíng)負(fù)荷(不含動(dòng)力系統(tǒng))的用能需求。其中,微水能可滿(mǎn)足全線(xiàn)最低運(yùn)營(yíng)負(fù)荷時(shí)的供電需求,以及全線(xiàn)最高運(yùn)營(yíng)負(fù)荷時(shí)82%的供電。

圖3 城開(kāi)高速微能源網(wǎng)供電方案

表5 微能源網(wǎng)供電區(qū)域1用電負(fù)荷及供能方式

表6 微能源網(wǎng)供電區(qū)域2用電負(fù)荷及供能方式

表7 微能源網(wǎng)供電區(qū)域3用電負(fù)荷及供能方式

3 結(jié)束語(yǔ)

1) 針對(duì)城開(kāi)高速沿線(xiàn)可再生能源資源情況,綜合了微水能、太陽(yáng)能、風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用方案,形成了以隧址處微水發(fā)電站為主力、風(fēng)光互補(bǔ)為輔助的“自發(fā)自用”可再生微能源網(wǎng)供電方案。

2) 通過(guò)工程應(yīng)用示范,可實(shí)現(xiàn)城開(kāi)路可再生能源供電全覆蓋,預(yù)計(jì)年節(jié)約傳統(tǒng)電能2 500萬(wàn)kW·h,節(jié)約電費(fèi)約1 750萬(wàn)元,并可實(shí)現(xiàn)年減少標(biāo)準(zhǔn)煤1.2萬(wàn)t,減少碳粉塵0.76萬(wàn)t,減少CO2排放2.8萬(wàn)t,具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。