公路隧道入口段光伏供電照明的投資與降碳效益分析

摘要：投資效益決定了公路隧道太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性，也影響著建設(shè)單位的投資積極性。本文以一級(jí)公路隧道洞口段照明系統(tǒng)利用光伏供電模式為例，介紹了其投資成本構(gòu)成，包括太陽(yáng)能光伏組件成本、蓄電池采購(gòu)和更新成本等，根據(jù)投資回收期分析，光伏供電模式的投資回收期約為10年；然后介紹了蓄電池容量和并聯(lián)數(shù)、太陽(yáng)能組件串聯(lián)數(shù)、日發(fā)電量、并聯(lián)數(shù)和方陣功率計(jì)算方法；最后得出結(jié)論，光伏供電模式體現(xiàn)了良好的降碳和環(huán)保效益。1工程概況某一級(jí)公路隧道位于浙江省紹興市，設(shè)計(jì)速度為80km/h，左線里程為K11+329～K11+987，長(zhǎng)658m，右線里程為K11+363～K11+866，長(zhǎng)503m。以該隧道右洞作為研究對(duì)象，其燈具在入口段和出口段采用兩側(cè)對(duì)稱布設(shè)方式，燈具安裝在兩側(cè)電纜橋架上，加強(qiáng)段燈采用功率為150W、80W、40W的LED燈，設(shè)置4個(gè)回路，分別為基本照明回路ZA、YA以及加強(qiáng)照明回路C、D。入口段燈具平面布置圖如圖1，出口段燈具平面布置圖如圖2所示。圖1入口段燈具平面布置圖圖2出口段燈具平面布置圖根據(jù)入口段及出口段的燈具布置圖統(tǒng)計(jì)得到各照明回路對(duì)應(yīng)的燈具數(shù)量和功率，見(jiàn)表1。表1出入口段各回路的燈具數(shù)量和功率設(shè)定光伏發(fā)電系統(tǒng)僅為出入口段的加強(qiáng)照明回路C和D供電，先分別計(jì)算出兩個(gè)回路上所有加強(qiáng)燈的功率，再根據(jù)照明回路開(kāi)通時(shí)間，得到兩個(gè)回路的用電量，最后得到日用電量123.2kW·h，見(jiàn)表2。表2洞口段加強(qiáng)照明日用電量2工程投資分析基于光伏供電模式的公路隧道洞口段照明系統(tǒng)包含太陽(yáng)能光伏組件、太陽(yáng)能充放電控制器、蓄電池、功率表、加強(qiáng)照明回路燈具等（圖3）。其中太陽(yáng)能充放電控制器對(duì)蓄電池的充、放電進(jìn)行控制，并按照負(fù)載的電源要求，控制蓄電池對(duì)負(fù)載輸出電能，充電控制通常采用PWM控制方式，即脈寬調(diào)制技術(shù)，放電控制主要是指當(dāng)蓄電池過(guò)度放電或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)切斷開(kāi)關(guān)；蓄電池的作用是將光伏電池所獲得的電能以化學(xué)能的方式儲(chǔ)存，在需要的時(shí)候?qū)⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，起到穩(wěn)定電源的作用，采用閥控密封式鉛酸蓄電池。圖3基于光伏供電模式的公路隧道洞口段照明系統(tǒng)圖為了準(zhǔn)確測(cè)算光伏發(fā)電投資效益和回收期，需要對(duì)其各項(xiàng)組成進(jìn)行詳細(xì)的分析，包括太陽(yáng)能組件和蓄電池成本、日照條件即年滿負(fù)荷發(fā)電時(shí)間、資金成本（資本金比例和貸款利息等）、日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用等。2.1太陽(yáng)能組件成本（1）串聯(lián)數(shù)一定數(shù)目的太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)起來(lái)，便可以獲得所需要的工作電壓。若串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓會(huì)低于蓄電池浮充電壓，光伏板方陣就無(wú)法對(duì)蓄電池充電。相反，如果串聯(lián)數(shù)太多使得輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓，而充電電流也不會(huì)有明顯的增加。因此，只有太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)合適，太陽(yáng)能電池組件的串聯(lián)電壓與蓄電池的浮充電壓匹配時(shí)，才能達(dá)到最優(yōu)的充電狀態(tài)。太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)數(shù)的計(jì)算公式如下：式中，??R為系統(tǒng)工作電壓（V），??oc為組件峰值工作電壓（V）。（2）平均日輻射時(shí)數(shù)??將太陽(yáng)能光伏板方陣安裝地點(diǎn)的太陽(yáng)能日輻射量??t，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)（1000W/m2）下的平均日輻射時(shí)長(zhǎng)??：式中，2.778/10000（h·m2/kJ）為將日輻射量換算為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的平均日輻射時(shí)數(shù)的系數(shù)。（3）太陽(yáng)能光伏組件日發(fā)電量??p式中，??oc為太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流；??op為斜面修正系數(shù)；??z為修正系數(shù)，主要為組合、灰塵、衰減、充電效率等的損失，一般取0.8。（4）冗余的蓄電池容量??cb取紹興地區(qū)連續(xù)陰雨天之間的最長(zhǎng)間隔天數(shù)??w為3d，為了在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來(lái)，需要蓄電池的冗余容量??cb為：（5）并聯(lián)數(shù)??p并聯(lián)的太陽(yáng)能光伏板組數(shù)在兩組連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)內(nèi)所發(fā)電量，不僅供加強(qiáng)照明使用，還需要補(bǔ)充蓄電池在最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天內(nèi)虧損的電量。（6）太陽(yáng)能光伏方陣功率計(jì)算得到太陽(yáng)能光伏組件的串并聯(lián)數(shù)后，便可算得太陽(yáng)能電池方陣的功率??：式中，??o為太陽(yáng)能電池組件的額定功率。2.2蓄電池成本蓄電池容量對(duì)保證連續(xù)供電非常重要。在一年中，方形陣列的發(fā)電量每月變化很大。在方陣發(fā)電不能滿足用電需求的月份，需要補(bǔ)充電池電量；在用電量超過(guò)需求的月份，多余的電能由電池儲(chǔ)存。因此，方陣的發(fā)電不足和過(guò)剩是確定電池容量的基礎(chǔ)之一。同樣，連續(xù)下雨天的負(fù)載功率也必須從蓄電池獲得。因此，在此期間的功耗也是決定電池容量的因素之一。蓄電池的容量??c為：式中，??為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間；??L為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)；??L為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)；??0為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，?10℃以上取1.1，?10℃以下取1.2；????為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。為了達(dá)到系統(tǒng)的工作電壓，電池應(yīng)串聯(lián)連接；為了達(dá)到系統(tǒng)容量，需要并聯(lián)蓄電池。串聯(lián)電池?cái)?shù)量是系統(tǒng)工作電壓與電池標(biāo)稱電壓之比，并聯(lián)電池?cái)?shù)量是電池總?cè)萘颗c電池標(biāo)稱容量之比。光伏系統(tǒng)工作電壓設(shè)定為48V，電池標(biāo)稱電壓為12V，因此串聯(lián)電池?cái)?shù)量為4個(gè)，電池標(biāo)稱容量為200Ah，因此并聯(lián)電池?cái)?shù)量為11293/(200×4)≈15（個(gè)）2.3總成本計(jì)算除了蓄電池和光伏板組件外，系統(tǒng)還需要一個(gè)匯流箱來(lái)確保光伏組件的有序連接，以及一個(gè)光伏控制器來(lái)控制多通道太陽(yáng)能電池陣列來(lái)為蓄電池充電并向負(fù)載供電。成本中需要考慮這些因素，包括安裝人工成本。結(jié)合以上獲得的部分部件數(shù)量和市場(chǎng)價(jià)格信息，計(jì)算出系統(tǒng)的初始建設(shè)成本為210021.9元，見(jiàn)表3。表3初期建設(shè)成本計(jì)算表3投資回收期分析光伏照明系統(tǒng)初期建設(shè)成本約21萬(wàn)元，維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本約每年5000元。此外，保守認(rèn)為電池每三年更換一次，即每三年花費(fèi)5.4萬(wàn)元。光伏系統(tǒng)自用，完全可以滿足負(fù)荷所需的日用電量，相當(dāng)于每天有效節(jié)電123.2kW·h。按工業(yè)用電量1元每千瓦時(shí)計(jì)算，日節(jié)約電費(fèi)