摘要：在高速公路运营过程中，沿线收费站、服务区、机电设施的能源消耗问题不容忽视，通过建设光伏发电工程项目，能够有效利用丰富的太阳能资源，实现更好的综合效益。文章研究了基于太阳能资源利用公路边坡匝道光储一体电站建设，在明确项目概况的基础上，从光伏组件、电池安装、逆变器、方阵设计、总平面、发电量等方面出发，分析了项目总体建设方案，强调了电气系统和土建工程的建设要点，以实现规划、设计、施工的协调统一，保证太阳能资源利用效率。

关键词：太阳能资源利用，公路边坡匝道，光储一体电站，发电工程建设

1　引言

光伏发电行业是国家战略性新兴产业之一，对于调整能源结构、保护生态环境具有重要意义，在市场和政策的驱动下，我国的光伏发电装机规模已经跃居世界第一。甘肃省太阳能资源丰富，可开发利用量较大，有利于推动碳达峰、碳中和目标的实现，促进经济效益、生态效益的协调统一。

2　项目概况

北仙公路项目位于甘肃省武威市，现有5个收费站，电费支出在运营成本中占比较高，由于武威地区属于太阳能辐射资源丰富区，根据省交通运输厅发布的绿色能源开发方案，通过建设光伏发电项目，能够实现自发自用、余电上网的建设效果。以北仙公路武威东收费站光储一体电站建设项目为试点，利用屋面及收费站两侧公路沿线边坡匝道，规划设计分布式光伏电站，满足收费站供电需求的同时，将余电输送上网。该项目总装机容量约1912.45kWp，屋面采用平铺安装方式，边坡采用倾斜安装方式。项目整体采用一体化设计思路，配备储能充电系统，实现光伏发电和储能充电的有机互补，有利于改善电力供应，提高电力系统的稳定性和可靠性，减少停电、缺电等问题。

3　基于太阳能资源利用公路边坡匝道光储一体电站建设研究

3.1　总体方案

3.1.1　光伏组件

电池是光伏发电系统中最重要的部件，大量的电池合成到一起构成光伏组件，电池的选择直接影响太阳能的利用效率。常见的电池类型有晶体硅电池、薄膜电池等，晶体硅电池占据绝对市场比重，单晶硅片市场占有率达到90%以上，而且仍处于上升趋势，所以晶体硅光伏电池依然是主流选择。与多晶硅相比，单晶硅在品质、性能、市场占有率方面都有显著优势，不过也存在生产工艺复杂，成本相对较高等缺陷。经过综合评估，本项目选用单晶硅电池组件，目前市场上P型单晶硅电池占比较高，体现出优良的低衰减特性和发电性能，但N型双面电池同样体现出较强的应用优势，在具体选型上，采用了N型575WP规格^[1]。

3.1.2　电池安装

光伏电池的支撑方式可以分为固定式、单轴跟踪、双轴跟踪等，固定式结构相对简单，大大减少了维护管理工作，跟踪式主要通过自动跟踪系统工作，随着太阳入射角调整电池板朝向，能够最大程度地接收太阳能资源，有效提升电池板利用率，从而增加发电量，但建设投资更高，而且可能会出现跟踪故障，需要配备相应的维护管理资源。本项目规模较大，需要采用的电池组件较多，在场地有限的情况下，不能提供有效跟踪活动空间，而且不利于集中控制，结合技术、成本、管理等综合因素，确定采用固定倾角安装方式。至于安装倾角的设计，需要通过科学计算获得，采用光伏软件进行模拟分析，得到电池采光面安装倾角为36度，倾斜面年平均太阳能辐射量为每平方米7264.8MJ，日照小时数为2018h。

3.1.3　逆变器

并网逆变器同样是光伏发电系统的关键设备，涉及系统可靠性和转换效率问题，所以要从多方面着手，选择合适的逆变器。第一：要具备良好的性能和较高的效率，逆变器自身能源消耗量不能太多，需要根据太阳能电池组件运行状态输出最大功率；第二：逆变器直流输入电压应该具有较宽的适应范围，能够适应日照强度和负载的变化，保证输出电压稳定；第三：应该具备保护功能，在过压、欠压、欠频、超频、高温等情况下，都能提供相应保护；第四：并网逆变器必须支持监控和数据采集功能，将采集到的数据发送到远程监控室，便于电站数据分析处理工作。33kW、55kW组串式逆变器，屋面部分采用SG33CX组串式逆变器，坡面部分采用SG50CX组串逆变器，最大效率98.7%，中国效率98.3%，具有重量轻、体积小、安装便捷等优势，不需要设置专门的逆变器室。

3.1.4　方阵设计

太阳能电池组件串联成组串，输出电压的变化范围需要控制在逆变器正常工作允许输入电压范围内，逆变器直流输入侧连接的太阳能电池组件总功率不能超过逆变器额定输入功率，优化设计逆变器与电池组件之间的电缆路径，防止线路过长产生较多损耗。太阳能电池组件串联数量由电池组件允许的最大系统电压和逆变器工作电压范围决定，并联数量则由逆变器额定容量决定。同一组串光伏组件的电阻性能参数应该保持一致，根据逆变器和光伏组件参数，运用相关计算公式，考虑光伏电池组件工作温度修正系数影响，采用575WP组件的矩阵组件双排布置的串联数为18块，能够满足相关设计要求；在边坡匝道，太阳能电池采用2横18列的方式组串安装。

3.1.5　总平面与发电量

项目总平面布置遵循节约集约用地的基本原则，符合绿色、节能、环保理念，从功能、管理、环境等方面出发，优化平面布局设计，在考虑经济性的同时，保持与周边环境的协调一致，减少对公路边坡、植被覆盖的破坏，防止出现水土流失和生态退化问题。明确组件覆盖率指标，尽可能均匀分布，避免应力集中，走线、消防、检修等通道规划合理，减少阴影遮挡，提高太阳能利用效率。北仙公路武威东收费站光储一体电站建设项目：边坡布置N型单晶双面575组件2559块，设计装机量为1471.42kWP；屋顶布置单面组件767块，设计装机量为441.03kWP；按照理论发电量计算公式，得出理论发电量为371.08万kW·h。同时，考虑光伏方阵效率、电气设备及输电线路效率，综合各种损失，系统效率约为83.3%；结合组件衰减问题，第一年年上网发电量约为306.64万kW·h，有效利用小时数为1940.35h，按规划设计的25年考虑，总发电量约为7313.60万kW·h，年均发电量为292.54万kW·h。在配套建设150kw/300kW·h储能系统时，总发电量的28.8%可以由收费站自主消纳，其余则可以由电网消纳，如果不配套建设储能系统，那么收费站利用的发电量只能占14.85%。

3.2　电气系统

3.2.1　系统运行

武威东收费站配电室内设置交流并网柜，屋面光伏发电系统选用两台组串式逆变器，边坡光伏发电系统采用六台组串式逆变器，逆变器出线电缆汇入交流并网柜，其出线并入总配电箱低压母线上。同时，配电室内配置磷酸铁锂储能充电系统，在光伏发电无法就地消纳时储电，在光伏系统出力不足时放电。放电完毕后，夜间以市电供电为主，出线并入送配电箱低压母线上。储能系统自带后台控制系统，可以根据实际需求设置充放电模式，实现全程智能化运行管理，不需要人工干预，可以将光伏运行数据纳入到监控范围内。在微电网内设置与电能质量相关的设备，可以通过能量管理系统，监视电能质量指标，结合各项技术数据，形成自动控制命令，优化电网系统运行效果。

3.2.2　其他方面

组串式逆变器与电池组串之间的电缆选用光伏专用直流电缆，沿电池板下支架敷设，经线管或桥架实现可靠的连接。同样，箱变与组串式逆变器、配电柜与交流并网柜之间的电缆也要采用合适的型号规格和敷设方式。在防雷接地方面，光伏方阵组件利用金属边框作为接闪器、金属支架作为接地线，通过绝缘铜缆可靠连接，形成完整的多网格式接地网，并与主接地网连接，集中进行接地处理。光伏方阵区域保护接地、过压保护接地、工作接地使用一个联合接地系统，防止出现混接问题。逆变器以壳体作为接闪器，壳体与主接地网可靠连接^[2]。项目实时采集并网运行数据，包括并网点电流、电压、开关状态以及系统有功功率、无功功率等，当发生短路时能够快速响应，及时跳开相应断路器，为解决故障提供可靠条件。逆变器具备监测孤岛功能，当监测到孤岛后，能够立刻断开与电网连接；另外，并网点设置并网电能表，能够在电能计量、计费补偿等方面发挥关键作用。

3.3　土建工程

按照规范要求进行光伏支架基础承载力和抗倾覆验算，由于支架的地基基础设计等级为丙级，所以可不进行支架地基变形计算。本项目主要在匝道边坡设置光伏发电系统，在进行边坡支架布置时，电池板竖向设置，支架倾角设置为36°，优化支架整体结构，主要由立柱、斜梁、斜撑等部分组成，并按照电池组件安装宽度，在支架之间设置檩条，通过螺栓可靠固定在支架斜梁上，组件每条长边上设置两个连接点与檩条固定，一块电池组件共设有4个固定点，同样采用螺栓连接方式，有效承载电池组件重量，支架基础采用混凝土灌注桩，为上部结构提供有力支撑，严格控制主要材料质量，所有钢结构均采用热镀锌防腐处理。在屋面光伏系统部分，同样要进行支架受力验算，混凝土屋面光伏支架采用混凝土墩作为基础，支架由立柱、斜梁组成，立柱与基础的连接方式非常重要，常见的有焊接和螺栓连接，前者现场施焊作业量大，难以控制焊接质量，而且供电距离较长，用钢量较大，采用预埋螺栓连接则更为便利，在基础混凝土浇筑时安装，能够有效适应场地地形变化，但施工后无法更改位置，从现场施工、造价控制、技术应用等方面考虑，采用预埋螺栓连接方式更为合适，支架之间同样要按照一定宽度布置檩条，檩条与斜梁、电池组件可靠连接，保证整体受力良好，立柱与横梁、横梁与檩条之间采用铰接方式，支架杆件通过螺栓连接，不但便于施工安装，而且通过有效变形能够释放应力。

4　结语

综上所述，作为重要的清洁能源，太阳能资源开发利用的历史已经相当久远，在国家政策的大力支持下，光伏发电产业得以迅猛发展，符合健康可持续发展要求，有利于改善生态环境、提高经济效益。高速公路收费站运营离不开电能支持，建设光储一体电站项目，能够解决自身运营需求，同时实现余电上网，需要做好总体方案设计，加强太阳能资源分析，通过合理规划、巧妙设计，提高项目的可实施性，提升太阳能资源综合利用效果。

参考文献：

[1]葛同磊，孙佳，罗哓军.光储充一体化综合智慧能源项目开发[J].能源与环境，2023（2）：53-55.

[2]杨金东.光储一体机并网点电压控制策略研究[J].中南民族大学学报：自然科学版，2023，42（4）：558-563.