高速公路工地永临结合分布式光伏供电系统

　　一、总体介绍

　　国家“双碳”政策与《绿色交通“十四五”发展规划》明确提出推动交通基础设施与可再生能源深度融合。在高速公路建设过程中，工地在公路沿线分布数量较多，存在临时用电量大、柴油消耗碳排放高的痛点。面对交通领域低碳转型需求，推进工地施工能耗绿色化、清洁化意义重大。

　　本项目依托董梁高速沈海高速至新泰段工程路桥四合同1#综合场站，基于“永临结合”绿色发展理念，创新分布式光伏与施工工地共建模式，将施工期光伏与运营期清洁能源需求深度融合，实现“一次性建设，两阶段服务”，显著降低全生命周期成本与设备损耗，为高速公路一体化降碳提供新范式。一是采用永临结合模式建设的分布式光伏系统，为工地施工提供充足、稳定的清洁电力供应;二是引入电动化施工机械装备，降低对传统燃油的依赖与消耗，优化工地用能结构;三是配备液冷一体化储能系统，调节能源供需时空错配，优化源荷实时平衡，增强工地对清洁电力的消纳能力;四是建设多元化充电基础设施，为工地全部电动化施工机械补给电力;五是构建智慧能源管控系统，对工地电力生产、存储、消纳全流程实施监测与协同调控，提升清洁电力消纳比例。

　　申报单位立足国家“双碳”战略目标，以高速公路零碳工地建设为载体，推动光伏设施由运营期供电向施工期供电延伸，实现了工地施工生产过程二氧化碳排放等于或小于零的目的，减污降碳协同，是继零碳服务区、零碳收费站之后的又一项重大创新实践，为交通基础设施低碳转型提供了样板案例和技术应用示范。

　　二、主要做法

　　(一)示范工地概况

　　永临结合分布式光伏供电系统在董梁高速沈海高速至新泰段工程路桥四合同1#综合场站示范应用，该工地位于高速公路主线桩号K109+200许家湖互通A匝道圈内，占地面积约150亩，功能区域包括办公区、生活区、试验室、混凝土拌和站、预制梁场及钢筋加工场，承担临近15km路段内箱梁预制、混凝土拌和、钢筋加工等施工任务，具体工程内容见表1。工地共配置各类电气设备230台(套)，总功率2256.7kW，施工周期2年。经测算，工地年用电量为98.22万kWh。

表1 示范工地生产任务

钢筋（t）	现浇混凝土（m³）	预制混凝土（m³）	预制箱梁（片）
25303.8	158542.2	47003.6	765

　　(二)主要技术路线

　　高速公路工地永临结合光伏供电技术路线如图1所示。面向高速公路施工工地能源需求，结合董梁零碳高速公路光伏专项规划，基于“永临结合”的绿色建设理念，在工程建设期间部署分布式光伏系统，应用“光伏-装备-储能-充电-智控”五位一体清洁电力供应技术，实现施工阶段能源的清洁化替代，显著降低工地碳排放。

图1 高速公路工地永临结合光伏供电系统

　　1、永临结合分布式光伏提供清洁电力

　　基于工地光伏资源评估结果，并衔接董梁零碳高速光伏专项规划，本项目以施工期能源100%绿色化供应及“永临结合”为导向，在邻近的许家湖互通区F匝道圈与G匝道圈永久用地范围内，建设装机容量796.5kWp的分布式光伏电站(见图2)。该系统年发电量约102.9万kWh，可在施工阶段为工地提供清洁电力。光伏阵列总铺设面积为9813平方米，选用1350块N型590W单晶双玻半片组件(技术参数见表2)，配套6台110kW组串式逆变器。发电系统经两台400kW并网柜接入变压器低压侧，并配置防逆流保护装置，确保光伏电力就地消纳，避免反送上级电网。

　　分布式光伏系统在施工阶段采用“自发自用、余电储存”模式，为工地提供清洁电力。施工结束后，将永久保留装机容量252KWp的光伏设施(位于F匝道圈，占地面积约3000平方米)，用于满足许家湖收费站运营用电需求。其余光伏设备将依据董梁零碳高速公路光伏专项规划，迁移部署至主线路侧边坡、相邻服务区及收费站场区等适宜场地，继续并网发电，实现光伏资源的全周期持续高效利用。

图2 分布式光伏电站现场影像

表2 单晶双玻半片组件技术参数

项目	单位	数值
电气参数（STC）
最大功率 Pmax	W	590
峰值功率电压 Vmp	V	43.55
峰值功率电流 Imp	A	13.55
开路电压 Voc	V	52.98
短路电流 Isc	A	14.15
组件效率	%	22.8
双面发电参数
功率增益	%	25
最大功率 Pmax	W	737.74
组件效率	%	28.6
峰值功率电压 Vmp	V	43.55
峰值功率电流 Imp	A	16.94
开路电压 Voc	V	52.98
短路电流 Isc	A	17.69
工作参数
最大系统电压	V	1500
工作温度	℃	-40 ~ +85
最大保险丝额定电流	A	30
最大正面静态荷载	Pa	5400
最大背面静态荷载	Pa	2400

　　2、电动化施工装备减少燃油消耗

　　在项目工地内示范应用了一批绿色新能源施工机械装备(见图3)，全面采用电力驱动系统替代传统动力装置，实现施工过程降碳减污协同。具体包括：(1)电动装载机1台,额定功率205kW，配置282kWh磷酸铁锂电池组，支持240kW直流一体式快充，单次充电时间为1–2小时，满电状态下可持续作业4–8小时;(2)电动搅拌运输罐车2台，单台功率60kW，配备282kWh磷酸铁锂电池，适配直流充电桩，充电时长,4–6小时，满电后可连续运行6–8小时;(3)电动雾炮车2台，单台功率1.5kW，搭载2.16kWh锂离子电池，使用直流电桩充电约4–6小时，充电完毕可持续抑尘作业6–8小时。

　　此外，在工地现场集成应用了分布式光伏照明与指示系统：安装光伏路灯14盏(单灯功率16W)、光伏爆闪警示灯2盏(功率范围3–18W)、光伏导视牌1套(功率400W)以及光伏标志牌2套(单牌功率500W)。所有设备均配置高性能胶体电池或磷酸铁锂电池储能系统，可在夜间持续稳定供电，显著降低对传统电网的依赖，有效实现施工期间能源的清洁化与低碳化运行。

电动装载机                                                                     电动水泥罐车

电动雾炮车                                                                   光伏导视牌

光伏标志牌

图3 电动化施工装备现场影像

　　3、液冷一体化储能系统缓解源荷错配

　　在钢筋加工厂与混凝土拌和站区域分别配置一套液冷一体化储能系统(见图4)，其关键技术参数详见表3。该系统总容量为232 kW/466 kWh，可充分覆盖工地夜间作业的电力需求。在日间光伏发电量超出工地实时负荷时，储能系统自动进行充电;而在无光照或光伏供电不足时，则切换为放电模式，为工地持续供电，从而实现光伏电力的高效消纳与优化调度。此外，该储能系统具备不间断电源(UPS)功能，可在市电突发中断时快速响应，保障关键负荷的应急电力供应。

　　储能单元采用磷酸铁锂电池系统，配置容量为116kW/233kWh的液冷一体机。该系统由一台116kW AC/DC变流器、一套233kWh电池组及智能电池管理系统(BMS)构成。电芯采用标准3.2V磷酸铁锂材质，以1P52S方式集成形成一个PACK单元，每个PACK额定电压为166.4V/DC，额定能量46.592kWh，额定容量280Ah。每五个PACK进一步串联构成一个电池簇，即单簇额定电压达832V，额定能量232.96kWh。系统配备一套高效能量管理系统(EMS)，负责全系统数据的实时处理与运行监控，并支持远程云平台运维，可实现故障快速识别、远程操作与及时响应，显著提升系统可靠性和管理效率。

图4 液冷一体化储能系统现场影像

表3 液冷一体化储能系统技术参数
 

项目	单位	数值
额定功率	kW	116
额定电量	kWh	232.96
直流电压范围	Vdc	650~949
电池最大电流	A	180
额定电网电压	Vac	400
允许电网电压	Vac	340~440
额定交流电流	A	167
最大交流电流	A	184
额定电网频率	Hz / Hz	50 / 60
允许电网频率	Hz / Hz	45~55 / 55~65
充放电转换时间	ms	< 20
功率因数	-	> 0.99
功率因数范围	-	-1 ~ 1
循环效率	%	≥ 88
循环寿命	次	6300
日历寿命	年	15

　　为满足电动施工装备多样化充电需求，示范工地集成建设多元化充电基础设施，共部署5台充电终端(见图5)。充电集成设施总容量为334kW，具体配置如下：在工地出口至钢筋加工厂前空地边缘设1台240kW直流一体式双枪充电桩，单枪最大输出功率120kW，专为大功率电动装载机提供快速充电服务;在混凝土拌和站停车区分别布置20kW与60kW移动式充电桩各1台，适配电动混凝土罐车的灵活补电需求;另外在办公区停车场设置7kW直流充电桩2台，用于电动雾炮车及电动通勤车的日常充电。

240kW直流一体式充电桩                                                    60kW移动式充电桩

20kW移动式充电桩                                                                       7kW直流充电桩

图5 多元化充电基础设施现场影像

　　5、智慧管控系统优化能源调度

　　结合智慧工地建设，构建能源智慧管控系统(见图6)。该系统以数字孪生平台为底座，依托物联网感知、大数据分析与可视化技术，建立覆盖光伏发电、储能系统、充电桩及用电负荷的统一数据中台与集中调控模块。通过能源可视化监控与智能调度策略，实现对全域能源流的实时监测、动态分析与智慧控制。系统以提升绿电消纳率与设备自主智能运行为核心目标，全面协调综合场站内光伏、储能等关键设备，最终实现施工工地能源“发-储-用”全环节的智能化监测与精益化管控。

图6 能源智慧管控系统电力监控界面

　　(三)主要问题及解决方案

　　本项目针对传统工地存在的三个主要问题提出了解决方案：

　　1、工地用能绿电偏低，污染集中。

　　本项目集成应用电动搅拌罐车、电动装载机等新能源施工装备，推动施工装备电气化替代，有效降低化石能源消耗。同时，引入光-储-充协同调控技术，通过大容量储能实现电力的动态平衡与智能调度，构建以“源-网-荷-储”协同互动为特征的新型电力系统，最终实现工地用电全部源自光伏清洁电力，大幅降低碳排放，二氧化硫、氮氧化物等污染物排放也显著减少。

　　2、光伏建设用地受限，经济性差。

　　本项目创新性提出“永临结合”一体化技术方案，将施工期光伏设施与运营期收费站用能需求进行协同规划，利用互通区永久建设用地，先行建设光伏发电系统，并在施工结束后将其保留，作为永久供配电设施继续运行，实现了分布式光储资源在时序与空间上的集约化利用。

　　3、工地能耗管理粗放，碳排不明。

　　本项目基于数字孪生技术构建能源智慧管控系统，融合光伏发电、储能系统、充电设施等多源异构数据，实现能源“发-储-用”全链条全景监测与动态追踪，并通过多目标优化算法实现光-储-充协同调度。

　　(四)主要创新点

　　1、创新采用“施工-运营”光伏共建模式，将临时设施与永久清洁能源系统深度融合，实现“一次性建设，两阶段服务”，显著降低全生命周期成本与设备损耗，为高速公路一体化降碳提供新范式。

　　2、首次构建工地“光储充”一体化绿色能源系统，实现施工用电100%光伏供给，实现工地全流程净零碳排放。

　　3、集成打造“发-储-用”闭环运行的智慧微电网系统，依托数字孪生与智能算法实现毫秒级响应与实时优化，突破了工地级绿电100%供应技术瓶颈。

　　(五)技术先行性

　　1、单晶双玻半片光伏组件

　　基于单晶硅与TOPCon电池技术，具有更低衰减、更优温度系数及更高发电效率;通过优化生产工艺与材料管控，显著抑制PID衰减;依托系统端多串联设计，有效降低光伏系统整体成本。

　　2、液冷一体化储能柜

　　融合高安全、高经济与强电网支撑能力于一体。安全方面，采用单簇精细控制与液冷温控，有效抑制短路电流，保障电芯一致性与热安全，可选模组级消防和柜体隔离设计，提升系统本质安全。经济方面，模块化设计提升配置灵活性，无簇间环流降低均衡复杂度，结构紧凑节省占地与线缆，安装便捷且调试成本低。电网支撑方面，具备PQ/构网等多种模式，支持毫秒级响应与IEC61850协议，集成故障录波、一次调频、惯量支撑和动态无功能力，增强电网适应性。

　　三、取得成效

　　1、经济效益

　　本项目基于“永临结合”理念布设分布式光伏，施工结束后根据董梁零碳高速光伏规划转为永久设施，没有新增投资。

　　本项目实施后，共节约电费154.31万元。其中，工地施工用电全部使用分布式光伏发电，减少外购电力196.44万kWh，节约电费：196.44*0.78=153.22万元;工地设置光伏路灯14盏、光伏爆闪灯2盏、光伏导视牌1处、光伏标志牌2处，合计功率约1600W，按每天使用12小时计算，工地施工期2年可节约用电:1.6*12*365*2=1.40万kWh，节约电费：1.4016*0.78=1.09万元。

　　2、环境效益

　　本项目构建高速公路工地“源-网-荷-储”清洁能源系统，应用光伏绿电替代化石能源，实施后可累计减少碳排放1547.71t，减少各类污染物排放2412.29t，成功实现降碳减污协同发展。

　　工地分布式光伏年发电量可达102.9万kWh，超过工地年用电量98.22万kWh，工地施工期2年减少外购电力196.44万kWh，由此减少碳排放：196.44万kwh×0.6410kg/kWh=1259.18t;减少二氧化硫排放163.05kg，减少氮氧化物排放216.85kg，减少烟尘排放36.86kg。

　　工地内投入新能源施工机械装备，将动力系统更换为电力驱动，包括1台电动装载机、2台电动搅拌运输罐车和2台电动雾炮车，相比传统的柴油驱动装备，每天节约柴油约150L，工地施工期2年可节约柴油：150*0.85*365*2=93.075t，由此减少碳排放：93.075*3.10=288.53吨;减少氮氧化物排放839.54kg，减少二氧化硫排放980.08kg，减少烟尘排放175.91kg。

　　3、社会效益

　　本项目通过探索高速公路工地交能融合发展新模式，推动光伏设施由运营期供电向施工期供电延伸，为行业施工期降碳减污提供样板案例和技术应用示范。