以光伏技術發(fā)展為契機推動加油站碳中和“光儲充”一體化運行
許永州，馬倫
（中國石油天然氣股份有限公司安徽銷售公司）
摘要：“光儲充”一體化充電站即為“光伏+儲能+用電+電動汽車充電”，集成光伏發(fā)電、儲能、用電、充電樁等多項技術，在碳中和大目標環(huán)境下既能滿足加油站日常用電，也為電動汽車供給綠色電能，又能實現(xiàn)電力削峰填谷等輔助服務功能?！肮鈨Τ洹币惑w化充電加油站由光伏、儲能、充電樁3個基本模塊組成，實現(xiàn)加油站利用新能源、儲能、充電互相協(xié)調(diào)支撐的一種綠色用電模式，其中光伏負責發(fā)電，充電樁負責充電，儲能是二者之間的橋梁。
關鍵詞：碳中和；光伏；儲能；充電；新能源；交通
引言
近日，某大型國企石化單位宣布大力推進新能源業(yè)務，擬規(guī)劃布局建設7000座分布式光伏發(fā)電站的消息刷引發(fā)關注。其實，早在2018年，某大型國企石化單位就已經(jīng)開始在自家的加油站、輸油站、油田上建光伏電站。而在如今“碳中和”行動的大背景下，類似加油站裝光伏電站的“光伏+交通”模式備受資本青睞，在政策加持下成為爭相布局的“藍?！笔袌?。
2020年8月6日，交通運輸部發(fā)布的《交通運輸部關于推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》中指出，引導在城市群等重點高速公路服務區(qū)建設超快充、大功率電動汽車充電設施。鼓勵在高速公路、國道有序優(yōu)化完善光伏發(fā)電設備，并于國網(wǎng)并網(wǎng)。2020年9月22日，在第75屆聯(lián)合國大會一般性辯論上，習近平總書記公開承諾，力爭二氧化碳排放于2030年前達峰值，爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。
據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年，我國的運營加油站總量達120000余座，其中國石油和中國石化兩家國營加油站的整體數(shù)量約占目前全國運營加油站總數(shù)量的45%左右，民營企業(yè)和第三方加油站約占50%左右，中國中化、中國海油和外資的加油站占據(jù)剩余的5%左右。在碳達峰、碳中和（下稱“雙碳”）目標的大背景下，建設以“零碳”加油站、“零碳”服務區(qū)為主體的新模式已經(jīng)成為了高速公路服務區(qū)、加油站等轉(zhuǎn)型升級的必然路線，以適配新目標下的交通運輸各部門的階段性方向。
2022年開始，某大型石化企業(yè)按照“自用自發(fā)、余電上網(wǎng)”的模式，快速推動光伏發(fā)電站點整體布局，已在安徽、浙江、海南、福建、廣東等多地建成光伏發(fā)電站。其中，安徽六安緯一路加油站和明軒加油站目前已累計發(fā)電量達到4.8×104 kWh，在加油站滿足了自身用電的同時，剩余電量上網(wǎng)2.8×104 kWh，累計減排二氧化碳量達到39 t。全國范圍截至2022年已確定1300余座光伏式發(fā)電加油站點的選址，目前正在重點進行安徽石油安徽銷售六安油庫、華中九江油庫等集中式光伏發(fā)電項目的建設。“十四五”期間將統(tǒng)籌規(guī)劃建設約8500座光伏分布式發(fā)電站點，每年能產(chǎn)生發(fā)電量約4.95×108 kWh，每年可大幅度減少二氧化碳排放約65×104 t。
光伏發(fā)電是將太陽能資源轉(zhuǎn)換為潔凈的可再生電能，能有效減少二氧化碳排放。和傳統(tǒng)能源發(fā)電相比，光伏發(fā)電具有無枯竭危險、安全無噪聲、無污染排放等優(yōu)勢，成為我國推進能源革命、應對氣候變化、實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑之一。
一、光儲能加油站的建設優(yōu)勢
（一）光伏發(fā)電節(jié)約電費，降低站內(nèi)電費支出
通過在加油站屋頂建設分布式光伏，光伏系統(tǒng)可直接自發(fā)自用供給站內(nèi)負荷使用，光伏所發(fā)清潔電力能夠有效降低站內(nèi)負荷并直接從電網(wǎng)獲取電能。例如，加油站每個月用電在5000 Wh左右，通過在建筑物屋頂建設20 kW分布式光伏，日均發(fā)電量70 kWh，月均發(fā)電量2100 kWh。因此，每個月直接減少從電網(wǎng)獲取一半左右的電能，能夠降低一半的電費支出。
（二）儲能系統(tǒng)是將光伏和充電樁協(xié)調(diào)統(tǒng)一的紐帶橋梁
由于光伏發(fā)電的隨機性和不平衡性，其波動性較大；對于站內(nèi)其他負荷還行，但是對于充電樁來說，負荷也不是穩(wěn)定均勻負荷，該負荷會根據(jù)車主的充電用車習慣和出行需求隨時發(fā)生變化，因此需要儲能系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)、充電系統(tǒng)之間起到橋梁紐帶作用。儲能可將消納不掉的光伏進行存儲，并在負荷有需求的情況下進行放電，實現(xiàn)光伏的最大化自發(fā)自用。同時，對于儲能系統(tǒng)來說，當加油站或者服務區(qū)具備峰谷電價時，儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)谷電峰用，降低站內(nèi)的用能成本。
（三）儲能系統(tǒng)可起到臨時增容和備電作用
對于加油站來說，可能會存在配電容量不足但是又需要建設大功率直流充電樁的需求，對此，要滿足大功率充電樁的建設需求，只能通過增容的方式來實現(xiàn)電力增容。目前，電力增容一方面可考慮新增變壓器，一方面可考慮新建儲能系統(tǒng)，通過儲能系統(tǒng)放電來實現(xiàn)增容，但是新建變壓器手續(xù)繁瑣，時間較長、投入較大，因此可通過新增分布式儲能的方式來實現(xiàn)充電樁配電的增容需求。
（四）配置充電樁是加油站轉(zhuǎn)型的必然選擇
目前電動車市場發(fā)展迅猛，市場占有率不斷提升。未來5到10年將是電動車發(fā)展的黃金期。目前新能源汽車的發(fā)展有很明顯的需求，就是對于充電站的建設。當前市場上燃油車存量龐大，短時間內(nèi)依然是無法撼動傳統(tǒng)加油站地位，既然“打不過，就加入他”，不少加油站已經(jīng)為未來做打算，把充電樁融合進去。面對挑戰(zhàn)，加油站必須作出改變，不僅要積極規(guī)劃、升級改造現(xiàn)有的加油站場地和設施，還要在提升公共服務土地、空間的利用效率上多下功夫，特別是在城市中寸土寸金的地方，去做好新能源汽車隨時充電和安全充的便捷服務，不僅要緊抓主業(yè)（即成品油業(yè)務）的經(jīng)營管理，也要根據(jù)情況適當拓展新能源業(yè)務。從產(chǎn)品為導向逐步向以服務為導向轉(zhuǎn)型，還可以生活繳費、休閑、能源補給功能等，打造多元化的一體綜合能源服務站。
二、光儲能加油站的設計依據(jù)與原則
（一）光儲能加油站的設計原則
光儲能加油站的設計主要遵循以下4項原則。
1）符合規(guī)范的原則：本項目設計必須貫徹執(zhí)行國家有關法律、法規(guī)、技術標。
2）協(xié)調(diào)性原則：本項目實施應保證原有的生產(chǎn)經(jīng)營活動不會受項目建設的影響，并注意做好與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
3）供電安全可靠的原則：全面了解分析配電網(wǎng)現(xiàn)狀并結合近遠期規(guī)劃，做到與配電網(wǎng)的供電能力相適應的原則，以滿足供電的可靠性的要求。
4）節(jié)能環(huán)保的原則：項目設計應積極采用節(jié)能、環(huán)保、免維護或少維護的新技術、新設備和新材料。并符合防火、安全、衛(wèi)生、環(huán)保的要求。
（二）光儲能加油站的設計依據(jù)
在加油加氣站中增設電動汽車充電設施，解決安全問題是生產(chǎn)設計的本質(zhì)要求。目前加油站內(nèi)存儲的是易燃易爆原料，歸類于容易引起火災和爆炸的危險場所，一定程度存在爆炸危險區(qū)域，所以能否進行充電站、加油站的合建，如何在安全范圍內(nèi)建設充電設施才能最大程度地滿足安全和充電功能要求等均存在不確定因素。
《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》（GB 50156—2012）第5.0.7款中明確規(guī)定，電動汽車充電設施應布置在輔助服務區(qū)（指加油加氣站用地的紅線范圍內(nèi)除加油加氣作業(yè)區(qū)以外的區(qū)域）內(nèi)。加油加氣作業(yè)區(qū)指的是加油加氣站內(nèi)布置有加油機、加氣機、儲油（儲氣）設施、油（氣）卸車設施、CNG（LPG）壓縮機、可燃液體罐車卸車停車位、加（卸）氣柱、通氣管（放散管）、LPG（LNG）泵、車載儲氣瓶組拖車停車位等區(qū)域設備。通常加油加氣作業(yè)區(qū)的范圍依據(jù)這些設備爆炸危險區(qū)域邊界線加3 m。如果此類設備是柴油設備，則直接按距離設備外緣加3 m的區(qū)域建設實施電動汽車充電設施。根據(jù)《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》，10 kV或20 kV充電箱變要求距離加油加氣站距離不低于25 m，距離儲氣罐不低于32 m，其他充電設備的安放位置需設置在加油加氣站防爆區(qū)域外。
以加油站主要生產(chǎn)設備加油機為例，汽油加油機目前確定的爆炸危險區(qū)域2區(qū)為：以加油機的中心線為核心，通過半徑尺寸為4.5 m的地面區(qū)域作為底面和對加油機頂部朝上0.15 m半徑為3 m的平面為頂面的圓臺形的空間（見圖1），劃線部分的空間和圓臺空間之外的3 m以內(nèi)區(qū)域均視為此加油機所在的加油作業(yè)區(qū)。電動汽車充電設施應布置在加油作業(yè)區(qū)以外的區(qū)域，例如距離該汽油加油機中心7.5 m以外的區(qū)域。
圖1 汽油加油機設定的爆炸危險區(qū)域示意
《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》第11.3節(jié)新增了“電動汽車充電設施”的描述，對電動汽車的充電設施設備的安裝和防護安全進行了明確：1）充電設備戶外安裝的基礎需高于所在地坪200 mm；2）直流充電樁、交流充電樁、直流充電機戶外進行安裝的防護等級應為IP54；3）直流、交流充電樁和直流充電機與站內(nèi)汽車行進通道相鄰一側需設置車擋或防撞（柱）欄，防撞（柱）欄的高度不應小于0.5 m。
三、光儲能加油站案例
（一）建設范圍
加油站：六安明軒加油站。
地址：六安市葉集區(qū)孫崗鄉(xiāng)戶孫路與S310省道交叉口。
光伏：項目采用550 W組件，整個光伏共計容量為299.2 kWp。在項目加油/氣/辦公樓屋頂建設分布式屋頂光伏，總面積約1300 m2，擬建設容量為149.05 kWp。
儲能：本項目布置1套250 kW/1000 kWh的全釩液流戶外儲能系統(tǒng)在對光伏進行消納，同時谷電峰用，降低站內(nèi)用電成本，同時可以通過放電降低部分加油/氣站內(nèi)的配電容量，滿足配電需求，同時也作為加油站的后備電源。
充電：本項目在原充電站北側新布置10×120 kW雙槍直流充電樁。
（二）整體設計方案
1）分布式光伏發(fā)電模塊。在辦公樓屋頂、加油/氣站頂棚、電動汽車車棚上安裝光伏發(fā)電，綠色電能優(yōu)先供給加油站內(nèi)所有用電設備，包括加油機、照明、空調(diào)和電動汽車充電，實現(xiàn)自己發(fā)電自給自足，余電上網(wǎng)獲取額外收益。
2）配置儲能模塊。將光伏所發(fā)的多余電量儲存起來，同時在夜間電價低谷時間段內(nèi)也可將電量進行存儲，在白天用電高峰期釋放電能，實現(xiàn)電價峰平谷差收益。
3）配置能源管理模塊?？蓪崿F(xiàn)光伏、儲能、電動汽車充電、配電的實時監(jiān)控、調(diào)度、負荷約束等功能。
（三）場景應用描述
1）白天光照充足時，光伏對充電樁、場站負載和儲能系統(tǒng)供電，滿足儲能系統(tǒng)的充電需求和負載用電需求。
2）用電高峰階段，儲能系統(tǒng)對場站進行放電,滿足負載的用電需求，實現(xiàn)峰谷差收益。
3）夜間低谷電價時，電網(wǎng)對儲能系統(tǒng)充電，實現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷。儲能系統(tǒng)在第二天高峰時段將電放出，實現(xiàn)電價峰谷差收益。
4）系統(tǒng)根據(jù)電力系統(tǒng)調(diào)度，將光伏、儲能的電能反向輸送電網(wǎng)，將多余電能向電網(wǎng)出售。
（三）優(yōu)化運營效率
光伏發(fā)電節(jié)約電費，降低站內(nèi)電費支出
由于光伏發(fā)電的隨機性和不平衡性，其波動性較大；對于站內(nèi)其他負荷還行，但是對于充電樁來說，負荷也不是穩(wěn)定均勻負荷，該負荷會根據(jù)車主的充電用車習慣和出行需求隨時發(fā)生變化，因此需要儲能系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)、充電系統(tǒng)之間起到橋梁紐帶作用。儲能可將消納不掉的光伏進行存儲，并在負荷有需求的情況下進行放電，實現(xiàn)光伏的最大化自發(fā)自用。同時，對于儲能系統(tǒng)來說，當加油站或者服務區(qū)具備峰谷電價時，儲能系統(tǒng)可實現(xiàn)谷電峰用，降低站內(nèi)的用能成本。
（四）安全保障措施
加油站初始線路連接不平衡，導致三相電流差過大，從加油站負荷狀況能夠看出只有三相電動機才使三相電流相等。而站級電器多數(shù)屬于單相用電設備，要靠設計、施工時合理安排各相上的用電器功率，達到三相負荷基本相等。即使這樣，不同用電設備開啟和工作持續(xù)時間不同，多數(shù)情況下，加油站三相之間電流相差很大。帶來的危害主要有以下幾個方面。
1）因各種原因出現(xiàn)接地電阻變大時容易出現(xiàn)“零點漂移”，用電器外殼莫名帶電，電流小的一相電壓升高燒壞用電設備。
2）電流大的一相容易過載，負載能力降低，中性線上產(chǎn)生過大電流，電路和變壓器損耗和老化加劇。
3）由于交流電中性點接地，因此每一路相線與大地都構成回路，人員一旦觸摸到相線或產(chǎn)生“零點漂移”的中性線即可導致觸電。近年，發(fā)生多次因施工改造打電鉆時碰到埋墻或埋地線路引起的觸電亡人事故。
4）目前國內(nèi)外多起儲能電站（鋰電）火災問題頻發(fā)。項目實施后交流側三相電流數(shù)值基本相等，杜絕了三相不平衡、接地不佳導致的“零點漂移”，直流輸入沒有零線，因此，也就不存在“零地”電壓，無需再費時費力去解決“零地”電壓的問題。同時蓄電池直接并聯(lián)在負載端，當停電時確保供電的不間斷，不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結構簡單很多，可靠性大大提高。直流電源模塊所產(chǎn)生的效率平均在92%以上，就算模塊使用率達到40%，其效率也可達到91%以上。杜絕感應電、雜串電流。高達40 kA輸入端口的防雷設計，大大降低雷擊的是效率；與大地“全隔離”杜絕單項觸電。寬電壓260～530 V的輸入范圍，減少“膚集效應”線路安全系數(shù)提升。采用的釩電池本體安全不可燃，無燃爆風險，被公認為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的首選。
（五）屋頂光伏模塊設計
綜合光伏屋頂電站所在地理位置、后期維護及投資成本考慮，全部組件建議選用固定安裝方式。屋頂光伏預計可安裝271塊550 Wp光伏組件，合計裝機容量為149.05 kWp。光伏陣列實施的傾斜角度最佳受制于諸多因素，例如實施位置、當?shù)靥栞椛淙甑姆植肌⑸⑸漭椛鋵Ρ戎苯虞椛?、特殊的場地要求等。由于目前不清楚屋頂?shù)臓顩r，前期先按照平屋頂進行設計，結合當?shù)亟?jīng)緯度，綜合考慮當時的風力等級，本項目按照最佳發(fā)電量確定光伏組件傾角，根據(jù)軟件模擬確定為15°（見圖2）。
圖2 光伏組建傾角計算示意
本工程屋頂光伏3處位置，裝機容量合計149.05 kW左右，因此選用二個50 kW的組串式逆變器，一個30 kW組串式逆變器。依據(jù)《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》（GB 50797—2012）6.4.2小節(jié)的公式：
按照以上要求完成對光伏組件的接入，具體組件的串并聯(lián)方式以實際情況為準。太陽能電池實施前必須要確認前、后排的陽光遮擋因素，需要計算和確定電池方陣之間的距離或和建筑物之間的距離。一般按所在地光照時間來確認：冬天早晨9:00—15:00（時間為真太陽時）的時間段內(nèi)，太陽能電池陣列不應被遮擋。在具體建設時，應根據(jù)實際屋頂建筑圖和屋頂障礙物信息，分析屋面陰影遮擋情況，盡量避開屋面陰影遮擋部分取鋪設光伏組件，以此提高整個光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。屋頂光伏采用AC 380 V接入，光伏組件經(jīng)過串聯(lián)后，通過逆變器進行逆變，之后直接并網(wǎng)接入戶外配電柜A 380 V交流配電系統(tǒng)。屋頂光伏系統(tǒng)裝機容量為149.05 kWp，傾角按照15°考慮，結合當?shù)靥柲苋照蛰椛淝闆r，年利用小時數(shù)約為1095 h，根據(jù)日照小時數(shù)來計算發(fā)電量，149.05 kWp的屋頂光伏日均發(fā)電量為419 kWh 左右，年均發(fā)電量為15.29×104 kWh左右（見表1）。
表1 站級光伏系統(tǒng)組建年衰減率及發(fā)電量測算表
（六）一體化儲能模塊設計
本項目配置的儲能系統(tǒng)為戶外一體機，戶外儲能柜直接從新增的戶外交流配電柜進行取電。本項目儲能系統(tǒng)省去了儲能集裝箱，可大幅降低儲能系統(tǒng)的整體造價，提高儲能的經(jīng)濟價值。項目單套分布式儲能系統(tǒng)容125 kW/500 kWh。本項目配置2套戶外分布式儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)容量為共計250 kW/1000 kWh。儲能設備采用模塊化設計，儲液罐、電解液、電堆、水冷機組、循環(huán)泵等，層次分明、結構清晰、功能完善，應包含完善的液流儲能模塊、電池管理系統(tǒng)（BMS）、空調(diào)及溫控系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、應急系統(tǒng)、、接地保護裝置、接地故障探測裝置等（見圖3）。
圖3 戶外光儲能模塊設計
本項目選用全釩液流儲能電池，具有高功率密度、高循環(huán)次數(shù)、高放電深度、高安全性、工作溫度范圍廣等優(yōu)點，是目前本質(zhì)安全的儲能載體。本項目儲能結構如圖3所示，由電池箱體電氣柜構成，電池箱體里安裝儲液罐、電解液、電堆、水冷機組、循環(huán)泵等、一套BMS以及1個高壓箱體組成，電池箱體滿足IP54防護等級，電氣柜滿足IP20防護等級。儲能電池在工作的過程中對于環(huán)境有一定的要求，需要保證一下基本條件：電池系統(tǒng)需要安裝在集裝箱體，防止雨淋或暴曬；環(huán)境溫度控制在-10℃～50℃；要保持室內(nèi)干燥及潔凈。儲能系統(tǒng)由儲能電池、儲能ACDC、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）構成。儲能電池通過儲能ACDC完成DC/AC變換后接入交流母線，現(xiàn)能量的存儲和釋放。ACDC儲能控制電池完成充放電動作：在其充電狀態(tài)下，作為整流裝置將其電能從交流變化成直流存到儲能電池中；在放電狀態(tài)下，ACDC作為逆變裝置將其儲能電池中儲存的電力能源又從直流電變?yōu)榻涣麟?，支撐加油站日常負載運行。BMS通過能夠?qū)崟r的監(jiān)控儲能電池的狀態(tài)，例如電壓、電流和溫度等，把主要數(shù)據(jù)傳到EMS，而EMS通過儲能系統(tǒng)中的充放電過程進行有效的協(xié)調(diào)管理，規(guī)避了欠壓和過壓、過流等故障的發(fā)生，與此同時也具備了充放電管理均衡功能。
（七）充電樁系統(tǒng)設計
本項目加油站充電系統(tǒng)整體規(guī)劃，建設10×120 kW雙槍直流充電樁，結合加油站大功率充電需求，現(xiàn)按需配置4臺120 kW雙槍直流大功率快充充電樁（見圖4），滿足加油站現(xiàn)階段及未來發(fā)展新能源汽車的充電需求。
圖4 4臺120 kW雙槍直流大功率快充充電樁安裝示意
四、光儲能加油站的效益分析
1）光伏模塊投資回報。根據(jù)光儲能加油站系統(tǒng)光伏模塊設計，平均單站光伏系統(tǒng)成本為120.67萬元（不包含車棚建設費用），25年平均年實際輸出電量為302000 kWh，所產(chǎn)生電量直接在峰時和平時由站內(nèi)消納，多出電量可以并網(wǎng)。
2）儲能模塊投資回報。儲能模塊整體投資約為335萬，儲量為750 kWh，滿足沖放兩次要求，峰時放電價格為0.956元/kWh，24小時收益582元（見表2）。
表2 加油站儲能模塊投資回報
3）碳中和效益。
碳中和方面，按照年發(fā)電1×104 kWh計算，標準煤、碳粉塵、CO2、SO2等指標總減排量達到12562.49 t,相當于種植了4081棵樹（見表3）。
表3 光儲能加油站碳中和效益
光儲能一體化運行中，涉及光伏、儲能模塊的投資，其中光伏模塊投資成本約為120萬元，儲能模塊投資成本約為335萬元，按照余電上網(wǎng)模式運行每年產(chǎn)生凈收益為40萬元左右，單站11年左右可收回成本。具體計算如下：
總成本：1206700+3350000=4556700元；
年總凈收益：192800+212430=405230元；
投資回報年限：4556700/405230=11.24年。
五、結語
2020年11月，國務院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》明確指出，鼓勵“光儲充放”（分布式光伏發(fā)電—儲能系統(tǒng)—充放電）多功能綜合一體站建設。目前在“雙碳”目標的大背景下，建設以“零碳”加油站、“零碳”服務區(qū)為主體的新模式已經(jīng)成為了高速公路服務區(qū)、加油站等轉(zhuǎn)型升級的必然路線，以適配新目標下的交通運輸各部門的階段性方向?，F(xiàn)階段，主要能源供應企業(yè)都在堅定不移邁向“凈零”排放，加快推進能源轉(zhuǎn)型和產(chǎn)業(yè)升級，爭先全力打造世界領先潔凈能源化工公司，加快向“油氣氫電服”綜合能源服務商轉(zhuǎn)型，鍛造強韌高效的產(chǎn)業(yè)鏈，光儲能技術必將引領產(chǎn)業(yè)整體升級。
