李義，劉志勝

（1.廣州市北二環(huán)交通科技有限公司，廣東 廣州 510030；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；3.山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030002）

隨著全球經濟發(fā)展、科技進步，世界各國對能源提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)火力、水力、風力、核能發(fā)電面臨的資源枯竭、環(huán)境污染、季節(jié)影響、核泄漏等諸多問題日益成為制約社會經濟發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家和地區(qū)開始實施“陽光計劃”，開發(fā)利用太陽能資源已成為世界各國領跑能源爭奪賽、尋求經濟發(fā)展新動力的重要突破口[1-2]。為支持光伏行業(yè)發(fā)展，國家發(fā)展改革委、財政部、能源局及四川、山東、新疆等地區(qū)陸續(xù)發(fā)布相關支持政策，有序引導光伏發(fā)電技術在全國推廣應用。2014 年，國家能源局印發(fā)的《關于進一步落實分布式光伏發(fā)電有關政策的通知》中明確提出“鼓勵在火車站、高速公路服務區(qū)、機場航站樓、大型綜合交通樞紐、大型體育場館和停車場等公共設施系統(tǒng)推廣光伏發(fā)電”[3]。財政部、國家發(fā)展改革委、能源局聯(lián)合下發(fā)的《關于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》《可再生能源電價附加資金管理辦法》合理確定新增補貼項目規(guī)模，充分保障政策延續(xù)性和存量項目合理收益，完善市場配置資源和補貼退坡機制。云南省發(fā)布光伏扶貧項目信息的公示，包含已納入和審批通過待納入國家財補目錄光伏扶貧項目；福建出臺了電力調頻輔助服務市場交易規(guī)則，積極推進福建省電力輔助服務市場試點工作。

高速公路沿線作為長期運營的封閉性交通基礎設施，用電耗能十分穩(wěn)定且呈現(xiàn)增長趨勢，據不完全統(tǒng)計，各省份所轄收費站、服務區(qū)、隧道等用電耗能每年電費支出在3～10 億元范圍，各省高速公路管理集團均屬于工商業(yè)用電大戶。各集團公司所轄的站區(qū)屋頂、硬質邊坡、隧道隔離帶、互通樞紐閑置土地等區(qū)域均為建設分布式光伏電站的優(yōu)質資源，大力開發(fā)、利用太陽能，既符合國家、地區(qū)低碳環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，又順應綠色公路發(fā)展理念，還能盤活高速公路閑置資產、培育管理公司新的利潤增長點，拓展以光伏發(fā)電應用達到“降本增效”的新模式、新途徑，可為企業(yè)實現(xiàn)提升經濟效益和企業(yè)形象提供強有力的支撐。

1 光伏發(fā)電產業(yè)現(xiàn)狀

中國作為一個能源消耗大國，一次能源儲量遠低于世界平均水平，大約只占世界儲量的10%。中國地區(qū)寬廣，太陽能資源蘊藏豐富，具有清潔、安全、充裕、經濟性等優(yōu)點，是真正取之不盡、用之不竭的理想能源。因此，大力發(fā)展光伏發(fā)電在內的可再生能源已經成為中國保障能源安全、治理環(huán)境污染、應對氣候變化的戰(zhàn)略性選擇[4-6]。

1.1 光伏發(fā)電技術現(xiàn)狀

1954 年，美國貝爾研究所成功研制單晶硅太陽能電池，標志著光伏發(fā)電技術正式誕生。太陽能電池主要分為硅基太陽能電池、多源化合物半導體電池等，單晶硅光伏電池具有轉換效率高、穩(wěn)定性好等特點，已成為市場上最主要的光伏太陽能電池。隨著晶硅原材料制備技術取得巨大突破，在實驗室單晶硅電池的光電轉化效率已經從20 世紀50 年代的6%提高到目前的25%，量產單晶體硅電池的效率已達到23%左右，使用壽命可達25 年以上。

光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏發(fā)電主要由光伏組件、控制器、蓄電池組成，若要為交流負載供電，還需要配置交流逆變器。并網光伏發(fā)電，光伏組件產生的直流電經過并網逆變器轉換成符合市電電網要求的交流電后，直接接入公共電網。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是并網光伏發(fā)電系統(tǒng)的一種，因其具有負荷距離近、就近消納等特點，近幾年得到了廣泛應用。

1.2 光伏發(fā)電技術應用現(xiàn)狀

1974 年，日本率先啟動國家“Sunshine 計劃”；隨后，德國、美國等先后提出“十萬屋頂計劃”“百萬太陽能屋頂計劃”；在20 世紀80 年代后期，中國開始將太陽能發(fā)電技術引入國內，2002 年正式提出“光明工程”[7-8]。

光伏發(fā)電屋頂。2018-12，崇明三星田園“互聯(lián)網+”智慧能源示范項目屋竣工，如圖1 所示，緊貼屋頂安置太陽能光伏組件，不僅實現(xiàn)了“源網荷儲”一體化，還實現(xiàn)了并網系統(tǒng)和離網系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，充分證明了基于綠色能源靈活交易的智慧分布式低碳園區(qū)微電網可行性。

圖1 “互聯(lián)網+”智慧能源示范項目

2019-02，百度公司、北京海納川汽車部件股份有限公司、北京匯寶興達商貿有限公司等入選北京市分布式光伏能源資助項目名錄，用戶光伏發(fā)電示范項目累計53 MW 獲得政府獎勵，1 萬m3以上具備條件的屋頂覆蓋率超過80%。

光伏發(fā)電頂棚。2013-08，潞安集團太陽能公司和中節(jié)能集團太陽能公司共同投資建設50 MW 光伏農業(yè)科技大棚，如圖2 所示，采用光伏電池組件替代傳統(tǒng)農業(yè)大棚頂棚材料，實現(xiàn)了“棚頂發(fā)電、棚下種植”，解決了農業(yè)大棚照明、通風、供暖等用電問題，在同等面積的土地上實現(xiàn)了立體生產。隨后，山西壽陽農業(yè)科技大棚等項目陸續(xù)建成，并順利并網運行。

圖2 光伏發(fā)電農業(yè)科技大棚

野外光伏發(fā)電站。2019-06，由隆基股份與中國三峽新能源聯(lián)合建設的銅川光伏技術領跑基地宜君縣峽光250 MW 光伏發(fā)電項目宣布并網發(fā)電；航天機電與科左城合作投資光伏電站項目等標志著光伏發(fā)電已正式進入市場競爭階段。此外，山西、內蒙等省份光伏扶貧電站工程的實施，光伏發(fā)電已進入農村各戶，有效促進了光伏發(fā)電技術的推廣應用。野外光伏發(fā)電站如圖3 所示。

圖3 野外光伏發(fā)電站

1.3 光伏發(fā)電技術在公路工程中示范應用

現(xiàn)階段，光伏發(fā)電在公路工程及相關行業(yè)主要集中以太陽能路燈、機場跑道照明系統(tǒng)、隧道照明系統(tǒng)、光伏聲屏障等單獨方式應用。

分布式光伏發(fā)電高速公路。2011-01，意大利建成世界上第一條太陽能高速公路，如圖4 所示，卡塔尼亞—錫拉庫薩A18 高速公路（西西里島600 km 高速公路網絡中新增的一段30 km）所需電力（包括路面照明、隧道通風、應急電話等）全部由沿路安裝的8 萬個太陽能電池板提供，年發(fā)電量達1 200 萬kW·h。

圖4 意大利A18 太陽能高速公路

光伏發(fā)電服務區(qū)供能系統(tǒng)[9-12]。2016-08，江西高速電建公司依托江西省高速公路路域場地資源（服務區(qū)、收費站、停車場等），以“自發(fā)自用、余電上網”的分布式發(fā)電模式投資8.2 億元建設江西高速公路分布式光伏發(fā)電工程項目，累積建設站點132 個，裝機總量12.73 MW，覆蓋服務區(qū)48 對，收費站（養(yǎng)護中心）等84 個，年發(fā)電量達1 600 萬kW·h，項目投資回收期預計9.5 年[13]。

滬蓉高速麻武（麻城—武漢） 段中館驛服務區(qū)利用屋面4 600 m2建設晶體硅太陽能光伏并網發(fā)電站作為補充能源，年發(fā)電量42 萬kW·h，每年節(jié)約用電42 萬元。2016-08，南寧市五塘收費站管理區(qū)利用屋面4 626 m2，布設光伏發(fā)電裝機300 kW，年發(fā)電量約39.3 萬kW·h，預估項目投資回收期為7.87 年。廣東、安徽、河北、內蒙古等省份在高速公路服務區(qū)均有光伏發(fā)電示范項目。服務區(qū)屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 服務區(qū)屋面光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電隧道照明系統(tǒng)。2014-01，陜西高速集團在十天高速漢中東段茶條嶺隧道口建設了110 kW 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，如圖6 所示，并入隧道配電房電柜，年發(fā)電量可達15 萬kW·h，預計每年可以節(jié)省用電15 萬元[14]。

圖6 隧道口光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電聲屏障。2015 年蘇州市在環(huán)路高架以市政聲屏障為載體，實施雙面光伏發(fā)電聲屏障項目，1 km光伏聲屏障每年發(fā)電96 000 kW·h，可供監(jiān)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等基礎設施使用，剩余電量可并入國家電網系統(tǒng)，實現(xiàn)了廣泛發(fā)電輸出。

2 公路沿線光伏發(fā)電產業(yè)的可行性分析

2.1 技術可行

分布式光伏發(fā)電硬件相對成熟，一般直接采購光伏板，光伏電站的建設與養(yǎng)護相對容易，現(xiàn)有技術足以支撐[15-16]。光伏電站的運營管理是關系項目的發(fā)展，目前多依托第三方單位研發(fā)綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏電站的微網管控與運營管控。同時，相關企業(yè)已制定《分布式光伏電站運維技術規(guī)范》，基本實現(xiàn)了高速公路分布式光伏電站的專業(yè)化運維。為進一步推廣分布式光伏發(fā)電項目，“太陽能薄膜電池與建筑物、構筑物一體化景觀設計的研究”“光伏電站的遠程控制及自動巡檢技術的研究”“多回路子系統(tǒng)組成的并網發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設計研究”等系列科技研發(fā)工作已陸續(xù)開展，將逐步形成適用于高速公路分布式發(fā)電項目的成套技術。

2.2 節(jié)能環(huán)保效益顯著

山西省某公司統(tǒng)計2019年某一分布式光伏電站上半年發(fā)電量數(shù)據，發(fā)電量共計約200 萬kW·h，自用電量約175 萬kW·h，其余電量上網，自用比例近90%，較預期數(shù)值提升約12%；總電費收益約110 萬元，自用電量收益100 萬元，年等效利用1 335 h。山東省某公司統(tǒng)計2020 年近30 個分布式光伏電站的發(fā)電量，總裝機容量約3 000 kW，年發(fā)電量約400 萬kW·h，總電費收益約232 萬元，運營單位每年節(jié)約電費支付約24.3萬元。保守折算，每年可為國家節(jié)約標準煤約1 700 t，減少污染排放碳粉塵約1 200 t、CO2約2 000 t、SO2約123 t、NOx（氮氧化物）約62 t。

2.3 市場需求廣泛

全國通車高速公路16 萬km，按照沿途每隔50 km至少一處服務區(qū)的設置規(guī)范，可以估計中國高速公路服務區(qū)大致在3 200 對左右；按照30～40 km 設一個收費站，可以估算收費站4 000 個；互通樞紐、隧道、硬質邊坡等數(shù)量難以統(tǒng)計。各站區(qū)屋頂、隧道出入口隔離帶、互通樞紐、硬質邊坡陽面等均為光伏發(fā)電的絕佳可利用資源，開展光伏發(fā)電項目，不僅可滿足站區(qū)照明、供熱、取暖等用電需求，還能有效緩解隧道照明、應急救援用電問題，更是將來特殊路段基礎設施病害監(jiān)測、智能網聯(lián)高速公路能源供給的有效途徑。

2.4 經濟效益可觀

政策引導、技術驅動光伏發(fā)電不斷升級，晶體硅電池的效率提高1%，發(fā)電成本可下降6%，單晶硅315 W（320 W）主流光伏組件、逆變器等主要部件持續(xù)降價，大幅降低了投資成本。按照現(xiàn)有技術，光伏發(fā)電項目建設成本攤銷為5.3 元/W，依據現(xiàn)階段裝機容量、發(fā)電效率與利用率，投資回收期約7 年。此外，項目實施單位積極對接國家及地方發(fā)改委和能源局出臺的關于新能源產業(yè)相關優(yōu)惠政策，爭取獲得補貼指標，進一步提高項目的盈利能力[17]。

2.5 按需施策，分步實施

通過前期調研，預測某地區(qū)高速公路具備分布式光伏發(fā)電開發(fā)潛能的總裝機容量，可階段實施，逐步推廣應用。選取代表性收費站、服務區(qū)進行區(qū)域示范應用，初步形成規(guī)模優(yōu)勢。繼續(xù)挖掘優(yōu)質潛在裝機容量資源，著手隧道口、互通、高陡邊坡等地面分布式電站建設，啟動區(qū)域智能微電網建設工作。根據科學配建的思路，整合利用光伏、風力發(fā)電、空氣源熱泵、相變儲熱、電儲能等新能源系統(tǒng)，建設多種分布式能源互補的小型發(fā)配電系統(tǒng)示范項目。

高速公路分布式光伏發(fā)電項目推行能源托管運營新模式。構建統(tǒng)一的智能能源管理平臺，通過對用能設備設施的動態(tài)監(jiān)測、集中分析、調控運行參數(shù)，引導電能消納與負載就地平衡，實現(xiàn)“提質增效，降本增效”的目標，最終將消耗性用能資產轉變?yōu)橛粤夹再Y產。

3 發(fā)展前景

能源可持續(xù)發(fā)展需求。中國人口數(shù)量較多，傳統(tǒng)能源應用技術落后，效率較低，能源稀缺的威脅會提前到來。能源供需缺口將成為光伏發(fā)電產業(yè)快速發(fā)展的重要機遇。光伏發(fā)電項目作為清潔能源，符合國家能源轉型和綠色發(fā)展政策導向，所轄高速公路具有優(yōu)質的區(qū)域資源，行業(yè)前景光明。

獨立性能源供給。在高速公路站區(qū)改造升級過程中，部署光伏發(fā)電項目，有效利用屋頂、互通等既有資源，以配備新能源汽車充電樁的太陽能停車棚等形式，打造特色站區(qū)。建立與城市工業(yè)供電、市政用電等相對獨立的供電系統(tǒng)。

節(jié)省空間，經濟性高。光伏發(fā)電設備一般都是安裝在建筑物的屋頂、外墻以及采光比較好的位置，充分利用立體空間資源，節(jié)能環(huán)保。光伏發(fā)電項目，為高速公路基礎設施搭建能源供給平臺，服務智慧高速公路發(fā)展需求。

政策支持，保障行業(yè)發(fā)展。國家層面“打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”相關系列政策陸續(xù)出臺，將促進光伏發(fā)電相關產業(yè)健康發(fā)展。

4 風險分析及應對措施

國家政策和建設成本浮動變化是“分布式光伏發(fā)電項目”經濟收益的主要影響因素。綜合分析國情及交通基礎設施建設現(xiàn)狀，可采用以下應對措施，確保該項目的順利開展及今后的良好收益：①通過設計優(yōu)化，提高電量自用比例，提高電站投產收益；②持續(xù)加強光伏項目設備采購及項目建設的管控，有效應對市場變化，控制投資成本；③嚴控施工過程，嚴把工程質量，使日后電站故障率最低化，降低后期運維成本；④加強光伏發(fā)電資產巡視、維護，解決分布式光伏發(fā)電站點多、維護難的問題，確保在有限的人力、物力條件，實現(xiàn)資源利用的最大化；⑤山西省即將建立“碳交易”相關的機制體系，面臨新一輪環(huán)保政策出臺，提前布局能源供給體系，開辟新的經濟收益點；⑥利用高速公路閑置資源建設光伏發(fā)電站，“自發(fā)自用，余量上網”，資源暫不對外開放，消除行業(yè)惡性競爭。