高速公路沿线发展分布式光伏发电项目可行性研究

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Science and Technology Innovation┃ 科技与创新2022 年第 04 期 173 文章编号 2095－ 6835（ 2022） 04－ 0173－ 04高速公路沿线发展分布式光伏发电项目可行性研究李义 1，刘志胜 2， 3（ 1.广州市北二环交通科技有限公司，广东广州 510030； 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；3.山西交通控股集团有限公司，山西太原 030002）摘要为分析光伏发电技术在公路工程领域推广应用的可行性，系统梳理了光伏发电技术研究与应用现状以及光伏发电技术在公路工程中的应用情况，从分布式光伏发电的技术、节能、经济及市场需求等方面分析了高速公路沿线发展分布式光伏发电项目可行性，并针对可能遇到的风险提出应对措施。研究结果表明，分布式光伏发电技术成熟、节能环保效益显著、经济效益可观、市场需求广泛，按需求分步实施，具有较好的推广应用前景。关键词交通工程；公路沿线；光伏发电；可行性中图分类号 U414 文献标志码 A DOI 10.15913/j.cnki.kjycx.2022.04.053随着全球经济发展、科技进步，世界各国对能源提出了越来越高的要求。传统火力、水力、风力、核能发电面临的资源枯竭、环境污染、季节影响、核泄漏等诸多问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家和地区开始实施 “ 阳光计划 ” ，开发利用太阳能资源已成为世界各国领跑能源争夺赛、寻求经济发展新动力的重要突破口 [1-2]。为支持光伏行业发展，国家发展改革委、财政部、能源局及四川、山东、新疆等地区陆续发布相关支持政策，有序引导光伏发电技术在全国推广应用。 2014年，国家能源局印发的关于进一步落实分布式光伏发电有关政策的通知中明确提出 “ 鼓励在火车站、高速公路服务区、机场航站楼、大型综合交通枢纽、大型体育场馆和停车场等公共设施系统推广光伏发电 ” [3]。财政部、国家发展改革委、能源局联合下发的关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见可再生能源电价附加资金管理办法合理确定新增补贴项目规模，充分保障政策延续性和存量项目合理收益，完善市场配置资源和补贴退坡机制。云南省发布光伏扶贫项目信息的公示，包含已纳入和审批通过待纳入国家财补目录光伏扶贫项目；福建出台了电力调频辅助服务市场交易规则，积极推进福建省电力辅助服务市场试点工作。高速公路沿线作为长期运营的封闭性交通基础设施，用电耗能十分稳定且呈现增长趋势，据不完全统计，各省份所辖收费站、服务区、隧道等用电耗能每年电费支出在 3～ 10 亿元范围，各省高速公路管理集团均属于工商业用电大户。各集团公司所辖的站区屋顶、硬质边坡、隧道隔离带、互通枢纽闲置土地等区域均为建设分布式光伏电站的优质资源，大力开发、利用太阳能，既符合国家、地区低碳环保可持续发展战略要求，又顺应绿色公路发展理念，还能盘活高速公路闲置资产、培育管理公司新的利润增长点，拓展以光伏发电应用达到 “ 降本增效 ” 的新模式、新途径，可为企业实现提升经济效益和企业形象提供强有力的支撑。1 光伏发电产业现状中国作为一个能源消耗大国，一次能源储量远低于世界平均水平，大约只占世界储量的 10。中国地区宽广，太阳能资源蕴藏丰富，具有清洁、安全、充裕、经济性等优点，是真正取之不尽、用之不竭的理想能源。因此，大力发展光伏发电在内的可再生能源已经成为中国保障能源安全、治理环境污染、应对气候变化的战略性选择 [4-6]。1.1 光伏发电技术现状1954年，美国贝尔研究所成功研制单晶硅太阳能电池，标志着光伏发电技术正式诞生。太阳能电池主要分为硅基太阳能电池、多源化合物半导体电池等，单晶硅光伏电池具有转换效率高、稳定性好等特点，已成为市场上最主要的光伏太阳能电池。随着晶硅原材料制备技术取得巨大突破，在实验室单晶硅电池的光电转化效率已经从 20世纪 50年代的 6提高到目前的 25，量产单晶体硅电池的效率已达到 23左右，使用寿命可达 25 年以上。光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独立光伏发电主要由光伏组件、控制器、科技与创新 ┃ Science and Technology Innovation 174 2022 年第 04 期蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。并网光伏发电，光伏组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后，直接接入公共电网。分布式光伏发电系统是并网光伏发电系统的一种，因其具有负荷距离近、就近消纳等特点，近几年得到了广泛应用。1.2 光伏发电技术应用现状1974 年，日本率先启动国家 “ Sunshine 计划 ” ；随后，德国、美国等先后提出 “ 十万屋顶计划 ” “ 百万太阳能屋顶计划 ” ；在 20 世纪 80 年代后期，中国开始将太阳能发电技术引入国内， 2002 年正式提出 “ 光明工程 ” [7-8]。光伏发电屋顶。 2018-12，崇明三星田园 “ 互联网” 智慧能源示范项目屋竣工，如图 1 所示，紧贴屋顶安置太阳能光伏组件，不仅实现了 “ 源网荷储 ” 一体化，还实现了并网系统和离网系统的统一管理，充分证明了基于绿色能源灵活交易的智慧分布式低碳园区微电网可行性。图 1 “ 互联网 ” 智慧能源示范项目2019-02，百度公司、北京海纳川汽车部件股份有限公司、北京汇宝兴达商贸有限公司等入选北京市分布式光伏能源资助项目名录，用户光伏发电示范项目累计 53MW 获得政府奖励， 1 万 m3以上具备条件的屋顶覆盖率超过 80。光伏发电顶棚。 2013-08，潞安集团太阳能公司和中节能集团太阳能公司共同投资建设 50MW 光伏农业科技大棚，如图 2 所示，采用光伏电池组件替代传统农业大棚顶棚材料，实现了 “ 棚顶发电、棚下种植 ” ，解决了农业大棚照明、通风、供暖等用电问题，在同等面积的土地上实现了立体生产。随后，山西寿阳农业科技大棚等项目陆续建成，并顺利并网运行。图 2 光伏发电农业科技大棚野外光伏发电站。 2019-06，由隆基股份与中国三峡新能源联合建设的铜川光伏技术领跑基地宜君县峡光 250MW 光伏发电项目宣布并网发电；航天机电与科左城合作投资光伏电站项目等标志着光伏发电已正式进入市场竞争阶段。此外，山西、内蒙等省份光伏扶贫电站工程的实施，光伏发电已进入农村各户，有效促进了光伏发电技术的推广应用。野外光伏发电站如图 3 所示。图 3 野外光伏发电站1.3 光伏发电技术在公路工程中示范应用现阶段，光伏发电在公路工程及相关行业主要集中以太阳能路灯、机场跑道照明系统、隧道照明系统、光伏声屏障等单独方式应用。分布式光伏发电高速公路。 2011-01，意大利建成世界上第一条太阳能高速公路，如图 4 所示，卡塔尼亚锡拉库萨 A18 高速公路（西西里岛 600km 高速公路网络中新增的一段 30km）所需电力（包括路面照明、隧道通风、应急电话等）全部由沿路安装的 8 万个太阳能电池板提供，年发电量达 1200万 kW·h。图 4 意大利 A18太阳能高速公路光伏发电服务区供能系统 [9-12]。 2016-08，江西高速电建公司依托江西省高速公路路域场地资源（服务区、收费站、停车场等），以 “ 自发自用、余电上网 ”的分布式发电模式投资 8.2 亿元建设江西高速公路分布式光伏发电工程项目，累积建设站点 132 个，装机总量 12.73MW，覆盖服务区 48 对，收费站（养护中心）等 84个，年发电量达 1600万 kW·h，项目投资回收期预计 9.5 年 [13]。沪蓉高速麻武（麻城武汉）段中馆驿服务区利用屋面 4600m2建设晶体硅太阳能光伏并网发电站作为 Science and Technology Innovation┃ 科技与创新2022 年第 04 期 175 补充能源，年发电量 42万 kW·h，每年节约用电 42万元。2016-08，南宁市五塘收费站管理区利用屋面 4626m2，布设光伏发电装机 300kW，年发电量约 39.3万 kW·h，预估项目投资回收期为 7.87年。广东、安徽、河北、内蒙古等省份在高速公路服务区均有光伏发电示范项目。服务区屋面光伏发电系统如图 5 所示。图 5 服务区屋面光伏发电系统光伏发电隧道照明系统。 2014-01，陕西高速集团在十天高速汉中东段茶条岭隧道口建设了 110kW 分布式光伏发电系统，如图 6 所示，并入隧道配电房电柜，年发电量可达 15万 kW·h，预计每年可以节省用电15万元 [14]。图 6 隧道口光伏发电系统光伏发电声屏障。 2015年苏州市在环路高架以市政声屏障为载体，实施双面光伏发电声屏障项目， 1km光伏声屏障每年发电 96000kW·h，可供监控系统、照明系统等基础设施使用，剩余电量可并入国家电网系统，实现了广泛发电输出。2 公路沿线光伏发电产业的可行性分析2.1 技术可行分布式光伏发电硬件相对成熟，一般直接采购光伏板，光伏电站的建设与养护相对容易，现有技术足以支撑 [15-16]。光伏电站的运营管理是关系项目的发展，目前多依托第三方单位研发综合管理系统，实现光伏电站的微网管控与运营管控。同时，相关企业已制定分布式光伏电站运维技术规范，基本实现了高速公路分布式光伏电站的专业化运维。为进一步推广分布式光伏发电项目， “ 太阳能薄膜电池与建筑物、构筑物一体化景观设计的研究 ” “ 光伏电站的远程控制及自动巡检技术的研究 ” “ 多回路子系统组成的并网发电系统的优化设计研究 ” 等系列科技研发工作已陆续开展，将逐步形成适用于高速公路分布式发电项目的成套技术。2.2 节能环保效益显著山西省某公司统计 2019年某一分布式光伏电站上半年发电量数据，发电量共计约 200 万 kW·h，自用电量约 175万 kW·h，其余电量上网，自用比例近 90，较预期数值提升约 12；总电费收益约 110 万元，自用电量收益 100万元，年等效利用 1335h。山东省某公司统计 2020 年近 30 个分布式光伏电站的发电量，总装机容量约 3000kW，年发电量约 400万 kW·h，总电费收益约 232万元，运营单位每年节约电费支付约 24.3万元。保守折算，每年可为国家节约标准煤约 1700t，减少污染排放碳粉尘约 1200t、 CO2约 2000t、 SO2约123t、 NO x（氮氧化物）约 62t。2.3 市场需求广泛全国通车高速公路 16万 km，按照沿途每隔 50km至少一处服务区的设置规范，可以估计中国高速公路服务区大致在 3200对左右；按照 30～ 40km 设一个收费站，可以估算收费站 4000 个；互通枢纽、隧道、硬质边坡等数量难以统计。各站区屋顶、隧道出入口隔离带、互通枢纽、硬质边坡阳面等均为光伏发电的绝佳可利用资源，开展光伏发电项目，不仅可满足站区照明、供热、取暖等用电需求，还能有效缓解隧道照明、应急救援用电问题，更是将来特殊路段基础设施病害监测、智能网联高速公路能源供给的有效途径。 2.4 经济效益可观政策引导、技术驱动光伏发电不断升级，晶体硅电池的效率提高 1，发电成本可下降 6，单晶硅315W（ 320W）主流光伏组件、逆变器等主要部件持续降价，大幅降低了投资成本。按照现有技术，光伏发电项目建设成本摊销为 5.3 元 /W，依据现阶段装机容量、发电效率与利用率，投资回收期约 7年。此外，项目实施单位积极对接国家及地方发改委和能源局出台的关于新能源产业相关优惠政策，争取获得补贴指标，进一步提高项目的盈利能力 [17]。2.5 按需施策，分步实施通过前期调研，预测某地区高速公路具备分布式科技与创新 ┃ Science and Technology Innovation 176 2022 年第 04 期光伏发电开发潜能的总装机容量，可阶段实施，逐步推广应用。选取代表性收费站、服务区进行区域示范应用，初步形成规模优势。继续挖掘优质潜在装机容量资源，着手隧道口、互通、高陡边坡等地面分布式电站建设，启动区域智能微电网建设工作。根据科学配建的思路，整合利用光伏、风力发电、空气源热泵、相变储热、电储能等新能源系统，建设多种分布式能源互补的小型发配电系统示范项目。高速公路分布式光伏发电项目推行能源托管运营新模式。构建统一的智能能源管理平台，通过对用能设备设施的动态监测、集中分析、调控运行参数，引导电能消纳与负载就地平衡，实现 “ 提质增效，降本增效 ” 的目标，最终将消耗性用能资产转变为盈利性良性资产。3 发展前景能源可持续发展需求。中国人口数量较多，传统能源应用技术落后，效率较低，能源稀缺的威胁会提前到来。能源供需缺口将成为光伏发电产业快速发展的重要机遇。光伏发电项目作为清洁能源，符合国家能源转型和绿色发展政策导向，所辖高速公路具有优质的区域资源，行业前景光明。独立性能源供给。在高速公路站区改造升级过程中，部署光伏发电项目，有效利用屋顶、互通等既有资源，以配备新能源汽车充电桩的太阳能停车棚等形式，打造特色站区。建立与城市工业供电、市政用电等相对独立的供电系统。节省空间，经济性高。光伏发电设备一般都是安装在建筑物的屋顶、外墙以及采光比较好的位置，充分利用立体空间资源，节能环保。光伏发电项目，为高速公路基础设施搭建能源供给平台，服务智慧高速公路发展需求。政策支持，保障行业发展。国家层面 “ 打赢蓝天保卫战 ” 相关系列政策陆续出台，将促进光伏发电相关产业健康发展。4 风险分析及应对措施国家政策和建设成本浮动变化是 “ 分布式光伏发电项目 ” 经济收益的主要影响因素。综合分析国情及交通基础设施建设现状，可采用以下应对措施，确保该项目的顺利开展及今后的良好收益 ① 通过设计优化，提高电量自用比例，提高电站投产收益； ② 持续加强光伏项目设备采购及项目建设的管控，有效应对市场变化，控制投资成本； ③ 严控施工过程，严把工程质量，使日后电站故障率最低化，降低后期运维成本； ④ 加强光伏发电资产巡视、维护，解决分布式光伏发电站点多、维护难的问题，确保在有限的人力、物力条件，实现资源利用的最大化； ⑤ 山西省即将建立 “ 碳交易 ” 相关的机制体系，面临新一轮环保政策出台，提前布局能源供给体系，开辟新的经济收益点；⑥ 利用高速公路闲置资源建设光伏发电站， “ 自发自用，余量上网 ” ，资源暂不对外开放，消除行业恶性竞争。参考文献［ 1］于爽 .中国绿色能源行业现状与发展前景分析［ J］ .中外企业家， 2018（ 31） 196-197.［ 2］李博，李净净，张兰 .浅谈分布式光伏发电的现状与前景［ J］ .科技创新导报， 2017， 14（ 36） 66-67.［ 3］王晶晶 .加快分布式光伏发电发展利用高速公路建设太阳能光伏电站［ N］ .中国经济时报，2014-03-12（ 012） .［ 4］许大维 .光伏发电技术的研究现状和应用前景探讨［ J］ .中国市场， 2019（ 15） 69-70.［ 5］洪胜伟 .太阳能道路在智慧交通中的应用前景分析［ J］ .交通节能与环保， 2018， 14（ 4） 39-41.［ 6］江道康，杨占刚 .徐官屯服务区光储充电站实践及推广应用前景分析［ J］ .中国能源， 2018， 40（ 5） 44-47.［ 7］苏涛 .分布式光伏发电在高速公路收费站的应用［ J］ .西部交通科技， 2018（ 2） 168-171.［ 8］樊红涛，邵文彬，丁巍 .库房屋顶分布式光伏发电工程应用前景的探讨与思考［ J］ .上海铁道科技，2017（ 4） 157-159.［ 9］周同文，杨欣，韩浩 .浅谈分布式太阳能光伏发电在高速公路服务区中的应用［ J］ .公路交通科技（应用技术版）， 2015， 11（ 1） 211-213.［ 10］雷仕欢 .分布式太阳能光伏发电在高速公路服务区中的应用［ J］ .低碳世界， 2017（ 8） 17-18.［ 11］简丽，杨艳刚，李振洋 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