重慶城開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.重慶高速工程顧問有限公司, 重慶 401120; 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司, 重慶 400067)

重慶城口至開州高速公路(簡稱城開高速)是國家高速G69銀百高速公路的重要組成部分,路線總長128.461 km。全線橋梁總長28 219.126 m,隧道71 374.85 m/18座,橋隧比77.52%;設匝道收費站12處,服務區5處,養護工區2處,路段管理分中心1處、隧道救援站2處,全線用電設施多、運營能耗高。

為響應國家能源戰略,滿足交通行業和高速公路運營節能減排的實際需求,本文以城開高速公路為研究對象,結合新型取能用能技術,對其沿線可再生能源資源進行了調查分析,提出因地制宜的利用方案,以實現“能盡其能、能達其所”,為構建面向全線運營的多能互補型微能源網提供有力的支撐。

1 微能利用方案

1.1 微水能

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

微水電系統能源不會耗竭、不污染環境,是最具有開發前景的能源之一。在能源特性方面,微水電是穩定、經濟、可再生能源;在技術特性方面,微水電技術成本低、競爭力強,具有綜合性價比高、可利用水力資源量大、廣泛實用的特點,可因地制宜充分利用自然界微小的水源,實現就地供電[1-3]。另外,微水電系統可兼顧環保、河流水資源綜合治理等多重社會效益,也非常適用于建設高速公路沿線供電系統。

城開高速全線位于喀斯特地貌區,隧道內巖溶、暗河、涌水等地質災害多,儲水量大,影響范圍廣,如何有效處治曾一度令工程人員犯難。在災害處治過程中,本課題組提出借鑒大禹治水的“疏”字訣,將隧道內水源集中匯聚、定向引流,利用高差梯度布設微型發電機,不僅可實現“變害為寶”的轉換,而且還可獲取涓涓細流蘊藏的大能量。

通過建設期長達6年的持續觀測,旗桿山隧道出口的雨季實測水量為5 000 m3/h～7 000 m3/h,最大可達25 600 m3/h,出水量勘察期間涌水量為186 000 m3/d,且水量較穩定,枯水季節出水量小,出水量具季節性明顯的特點。吳家梁隧道進口涌水量17 280 m3/d且較穩定,左洞最大涌水量69 120 m3/d,右洞最大涌水量43 200 m3/d,高峰時期總涌水量可達130 000 m3/d。

經水工專業測算[4],旗桿山隧道出口可建設裝機規模2×2 MW微水電站,年均發電量2 230萬kWh,保證出力2 200 kW,年利用小時4 857 h;吳家梁隧道進口可建設裝機規模2×1.25 MW微水電站,年均發電量1 058萬kW·h,保證出力1 044 kW,年利用小時4 231 h,主要動能指標見表1。由表1可知,2座微水電站的出力總計為3 244 kW,可滿足全線大部分日常運營負荷的供能需求[5]。

微水電站選用浮管式水力發電機,直接利用江河、洋流、潮汐、溝渠的自然流水動力,無需攔水筑壩,通過水力發電機管狀收水器接收大面積的平流水,使水流逐漸增壓提速,形成一定的勢能沖擊水輪機,后部的錐形尾水管使流經工作段的水流迅速擴散,前后端形成較大壓差,以有效提高水能利用率[6]。當流速為0.5 m/s時,浮管式水力發電機即可啟動發電;當流速≥1 m/s時,可實現良好的發電效果,且性價比隨著流速加大逐步提升。

1.2 太陽能

重慶素有“火爐城市”之稱,夏季光照強烈,季節性太陽能資源豐富。重慶市太陽能資源較好的區域主要集中在渝東北片區,區域內已建/在建光伏電站情況見表2。

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

1) 站址位置:與隧道/服務區等消納點的距離≤1 km。

2) 地理條件:站址朝南布置,四周無遮擋,山體坡度≤30°。

3) 土地性質:站址盡量在紅線范圍內,超出紅線范圍是否涉及生態紅線/基本農田/林地等敏感性因素。

4) 安全原則:站址周圍無重大安全隱患,如陡邊坡、道路交叉、屋頂荷載需求、是否破壞屋頂結構等。

5) 地質條件:站址地質穩定。

按照上述原則,初步選定建設光伏電站12處[7],目前已建設完成7處,具體位置及裝機規模見表3。

結合本項目區域的太陽能輻射量,選用目前光電轉化效率最高的單晶硅太陽能電池,單個組件容量選型540 Wp或545 Wp。按照工業和信息化部《光伏制造行業規范條件(2021年本)》要求:“晶硅組件首年衰減率不超過2.5%,后續每年不超過0.6%,25年衰減率不超過17%”,系統轉換效率按86%計,本項目光伏電站總裝機容量2.42 MWp,運營期25年內的總發電量為5 091.52萬kW·h,年均發電量為203.67萬kW·h,年等效發電小時數為843.10 h。

表1 微水電站動能指標

表2 渝東北區域已建光伏電站

1.3 風能

風力發電是通過風力帶動風輪葉片旋轉,將動能轉換為電能后帶動發電機轉動發電,一般采用雙饋感應式發電機和永磁直驅式發電機作為發電設備。城開高速沿線山高谷深,部分路段地處大巴山迎風面,晝夜山谷風頻繁,尤其盛夏季節常?？耧L大作,極端條件下最大風速甚至可超過10級大風(24.5 m/s～28.4 m/s)。根據氣象資料和建設期的測試數據,城開高速在城口縣蓼子鄉、開州區滿月鄉等峽谷路段的年平均風速為5.5 m/s～6.8 m/s。

目前市場上普通的風力發電機對風力的要求較高,一般只有在風速達到3 m/s以上才能帶動風輪葉片旋轉,3 m/s以下的風能都被白白浪費。另外,現有的風力發電機中軸基本以銜接型為主,風力過大時會導致中軸出現斷裂等故障。

表3 城開高速光伏電站位置及建設規模

微風垂直軸風力發電系統如圖1所示,其具有結構簡單、環境適應性強、安裝方便、運行成本低等優點[8],可很好地解決上述問題。微風發電系統的核心是微風啟動的風力機,一般采用無鐵芯的永磁盤式電機或外轉子電機,啟動力矩小,啟動風速可低至1 m/s。新型垂直軸風力發電機組用于軟微風、低風速、全風能、全風向,具有自動化控制等特點,改變了其他傳統風機既需要風又怕風過大損壞風機的局面,填補了從10 kW～3 000 kW等機型風力發電設備的技術空白,微風發電效率已可達到70%以上[9-10]。

圖1 微風垂直軸風力發電系統

為充分利用風能資源,在長灣大橋旁峽谷(位于城口縣蓼子鄉)、蓼子特大橋旁峽谷(城口縣蓼子鄉)、雙河口特大橋旁峽谷(位于開州區滿月鄉)路段各設置1套45 kW垂直軸風力發電機組,總裝機容量135 kW,年發電量為65.58萬kW·h。

旗桿山隧道、城開隧道均布設有通風斜井,排風口被山體包圍,通過現場調查和實測,由“煙囪效應”形成的自然風速小于2 m/s,可利用價值不高,故未納入微能源利用范圍。

2 微能源網

2.1 架構

針對高速公路用電負載種類多、供電距離長、負載用能不平衡、單一可再生能源無法滿足遠距離差異化供電需求等問題,采用多種清潔能源的多形式立體取能方式進行集中式與分布式相結合的特征化供電,形成多能互補的微能源網。

城開高速微水電站出力大,供能相對穩定,是微能源網供能的絕對主力;光伏和風力發電作為微能源網供能的補充。微能源網架構如圖2所示。

2.2 分區布設

城開高速分成A、B、C三個標段分期建設,具體劃分見表4。

圖2 城開高速微能源網架構

表4 城開高速建設標段劃分

全線機電設施(不含動力系統)負荷總功率為4 100.49 kW,其中隧道照明負荷占比41.6%[11-14]。由于隧道照明運營負荷功率與天氣、交通量等密切相關,結合氣象資料與預測交通量分析,全線設施的實際電力負荷在2 016.32 kW～4 100.49 kW之間,運營最小負荷約占總負荷的49.2%。通過對源荷匹配性的進一步分析和技術經濟比較[15],形成城開路微能源網供電方案,如圖3所示。微能源網各供電區域負荷及供能方式見表5～表7。

由表5～表7可知,微能源網供電區域1、區域2、區域3的負載總量分別為1 508.61 kW、977.37 kW、576.66 kW;供能總量經折算后,分別為1 662.14 kW、1 098.7kW、49.37 kW。

通過上述源荷分析,本項目微水電站+光伏+風力發電構成的微能源網可滿足全線日常運營負荷(不含動力系統)的用能需求。其中,微水能可滿足全線最低運營負荷時的供電需求,以及全線最高運營負荷時82%的供電。

圖3 城開高速微能源網供電方案

表5 微能源網供電區域1用電負荷及供能方式

表6 微能源網供電區域2用電負荷及供能方式

表7 微能源網供電區域3用電負荷及供能方式

3 結束語

1) 針對城開高速沿線可再生能源資源情況,綜合了微水能、太陽能、風能的開發利用方案,形成了以隧址處微水發電站為主力、風光互補為輔助的“自發自用”可再生微能源網供電方案。

2) 通過工程應用示范,可實現城開路可再生能源供電全覆蓋,預計年節約傳統電能2 500萬kW·h,節約電費約1 750萬元,并可實現年減少標準煤1.2萬t,減少碳粉塵0.76萬t,減少CO2排放2.8萬t,具有良好的社會效益和經濟效益。