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高速公路光伏发电摘要以高速公路土地为依托，以光伏发电产业为背景，结合当前高速公路的运营现状和能源消耗，阐述了分布式光伏发电技术在高速公路上的应用，分析了路网发电的经济效益和存在的问题，在节能减排和绿色环保的新趋势下，提出了 “能源转型、降本增效、开放经营 ”三个运营新理念，促进公路交通事业的转型升级和可持续发展。关键词高速公路；光伏发电；能源转型；新理念中图分类号 U412.366 文献标识码 A 文章编号 1006-3528（2020）01-0016-05 王宏民（山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032）山西交通科技山。交通科技收稿日期 2019－08－28；修回日期 2019－11－02 作者简介王宏民（ 1982 ），男，山西广灵人，高级工程师， 2002 年毕业于山西交通技术学院道桥专业， 2008 年毕业于北京交通大学土木工程专业第 1 期总第 262 期山西交通科技 No．1 2020 年 2 月 SHANXI SCIENCE ＆ TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS Feb. 1 概述过去三十年，是我国高速公路建设发展波澜壮阔的三十年，不仅实现了我国高速公路从无到有的跨越式发展，而且铸就了四通八达的国省道运输大动脉，建设成就举世瞩目。山西省高速公路从 1995 年太旧线开始，至今已通车运营 5 000 多公里，公路网络颇具规模，为经济社会发展做出了巨大的贡献，但随着运营里程的不断增加，运营成本也在逐年上升，作为固定支出的电费消耗每年约 2.7 亿元，已经成为企业生存和发展的巨大负担。 2 产业背景 2.1 高速公路产业背景 a）高速公路主要用电负荷区域分别为隧道、收费站、服务区，其中隧道用电负荷最大，其次为服务区和收费站。山西省高速公路年总用电量约为 4.2 亿 kW·h，电网购电的平均电价为 0.65 元 /kW·h，年电费约 2.7 亿元。 b）高速公路拥有大量的服务区（停车区）、收费站、互通区域、路基边坡等可利用的土地资源，产权归属高速公司，但实际发挥的效能很小，多数处于闲置状态，可用于开发建设必要的发电设施。 2.2 光伏发电产业背景 a）国家十九大提出要推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，支撑我国能源产业与生态环境协调可持续发展，大力发展可再生能源，是推动能源结构优化的重要手段，截至 2018年底，中国可再生能源发电装机达到 7.28亿 kW，光伏发电装机 1.74 亿 kW，清洁、循环、绿色、低碳的能源技术体系正在逐渐形成。 2013 年 2018 年 5 月国家通过政策扶持和资金补贴的方式大力发展光伏发电产业，特别是 20162017 两年更是进入了黄金发展期。2013 年 8 月，国家发改委发布关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展的通知（发改价格〔2013〕1638号），明确分布式光伏发电项目的补贴标准为 0.42 元 /kW·h（含税）。但是随着光伏技术和产业设备逐渐成熟，生产和安装成本逐渐降低，国家政策支持和补贴也在逐步弱化。特别是 2018 年 531 新政后国家对光伏发电的补贴呈下降趋势，市场进入停滞和观望期； 2019 年 1 月 10 日国家发展改革委、国家能源局就联合印发关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知，提出开展平价上网项目和低价上网试点项目建设 , 同时完善需国家补贴的项目竞争配置机制，减少行业发展对国家补贴的依赖。根据国家能源局 2019 年 5 月 30 日发布的 2019 年光伏发电项目建设工作方案，除光伏扶贫、户用光伏外，其余需要国家补贴的光伏发电项目原则上均须采取招标等竞争性配置方式，业内分析今后发展趋势是取消补贴，平价上网。 b）交通运输部发布的交通运输节能环保 “十三 2020 年第 1 期王宏民高速公路光伏发电五 ”发展规划，提出要把绿色发展理念融入交通运输发展的各方面和全过程，突出理念创新、科技创新、管理创新和体制机制创新，有效发挥政府引导作用，充分发挥企业主体作用，继续推进交通运输结构调整，提升交通运输装备能效水平，优化交通运输能源消费结构，深化节能降碳制度创新与技术应用。推进资源节约集约利用，加强资源综合循环利用，强化行业节能环保管理，加快建成绿色交通运输体系。 c）山西省作为全国重要的综合能源基地，在全国能源发展格局中具有重要的战略地位，被国家定为开展能源革命综合改革试点区，强调在推动能源生产消费革命保障能源安全、构建清洁低碳用能模式、推进能源科技创新等方面加快改革，优化能源产业布局，开拓产业发展新路径，打造高比例新能源的综合能源基地。山西省有着丰富的太阳能资源， “十三五 ”新能源产业发展规划明确指出大力发展太阳能光伏发电。 d） 2019 年 9 月 19 日，中共中央、国务院印发了交通强国建设纲要，要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。建设交通强国是以习近平同志为核心的党中央立足国情、着眼全局、面向未来作出的重大决策，是新时代做好交通工作的总抓手。建设纲要作为建设交通强国的顶层设计和系统谋划，掀开了新时代交通运输工作的新篇章。建设纲要中关于交通和能源的论述有如下内容（ a）推广新能源、清洁能源、智能化、数字化、轻量化、环保型交通装备及成套技术装备。（ b）鼓励引导绿色公交出行，倡导绿色低碳出行理念。（ c）强化前沿关键科技研发。瞄准新一代信息技术、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加强对可能引发交通产业变革的前瞻性、颠覆性技术研究。（ d）强化节能减排和污染防治。优化交通能源结构，推进新能源、清洁能源应用，促进公路货运节能减排，推动城市公共交通工具和城市物流配送车辆全部实现电动化、新能源化和清洁化。交通强国建设纲要由中共中央和国务院印发，可见重视程度之高，明确指出了要推广新能源、清洁能源，通过结合光伏发电与交通设施，节能减排，降低成本，在中央领导高层，对新能源、清洁能源的认识是深刻的，对光伏发电充分认可。 e）国内高速公路光伏发电取得的成功经验。根据市场调研的情况，国内安徽省、山东省、江苏省江西省等都依托高速公路路网资源成立了新能源公司，建设了分布式光伏电站且成功并网发电，如安徽交控路网新能源有限公司和山东交通新能源科技有限公司，目前运行均比较成功。 3 发展思路基于对省内服务区、收费站、隧道管理站等高速公路设施新能源现状的调查研究和国家对未来能源的供应规划，可以发现高速公路在新能源领域（如光伏发电、储电和充电桩等）有着广阔的市场前景，并迫切需要改革创新。建设光储充一体化新能源微电网，光伏发电谷价储能充电桩放电，面向未来的能源结构转型、高速公路电网建设和多样化负荷需求发展，可实现对新能源的开发、利用、深度消纳。分布式储能系统的广泛接入，电动汽车的有序智能充放电，是高速公路能源结构的新趋势。 3.1 建设分布式光伏电站，自发自用，余量上网，降本增效立足本省高速公路路网资源，充分发挥可利用土地资源，开发太阳能光伏发电，自发自用，余量上网。通过在服务区、收费站、互通匝道圈和隧道进出口隔离带布设光伏电站，实现以上公路设施白天用电的自给自足，降低公路用电成本，同时多余电量并网售电盈利，达到降本增效的目的。 3.2 储电系统建设、经营和管理高速公路服务区、收费站场区等白天用电量小，通过建设储能电站对光伏发电及谷价电进行存储，用于夜晚用电高峰期的使用，利用国网电力的峰谷电价差削峰填谷，降低用电成本。 3.3 发展收费站、服务区充电服务，路内路外双向开发依托微电网，利用收费站和服务区的车流优势及多样化负荷需求，发展充电服务实现电能的消纳和盈利。在国家能源政策的引导和推动下，新能源电动汽车越来越多，小客车数量爆发式增长，货运车数量也在逐年增加，而配套的充电服务却发展滞后，城市和高速公路的充电桩站点少、桩位少，电动汽车充电基本是排队状态，特别是节假日出行高峰期，路网内外充电桩均供不应求，不仅制约了电动汽车的发展，也限制了人们的出行距离，特别是城际出行。高速公路收费站和服务区基本都建在城镇周边，且密度较高，利用收费站和服务区地理位置的优势，以及互通匝道圈和服务区的空地资源，建设配套的光伏电站、储能装置和充电桩，路网内服务于高速路上的车辆，路网外服务于收费站附近的社会车辆，逐渐引导车主形成 “有空即充电 ”的用车习惯，保持 ·17· 山西交通科技 2020 年第 1 期车辆经常性处于饱电状态，提高出行距离，节约充电时间，增加盈利点。 4 高速公路光伏发电运行模式 4.1 分布式光伏电站的建设光伏电站装机建设模式可采用招投标方式进行，选择有实力的企业采购、施工、调试，确保工程质量。国内已有多家专业化光伏技术公司，如阳光电源、华为等公司，产品和技术力量都是有保障的。光伏发电站的装机位置在服务区和收费站的屋顶、车棚、场区空地以及收费站匝道圈内，屋顶和车棚采用满铺的方式，空地上采用基础加支架的方式，为避免光伏板相互遮挡，两组光伏板间距按照 1.5 倍光伏机组宽度布置。图 1 光伏并网计量柜图 2 光伏车棚和逆变器图 3 服务区空地光伏板图 4 收费站光伏机组和逆变器图 5 收费站匝道圈大规模光伏机组（间距 1.5 倍机组宽度） 4.2 分布式光伏电站的运行光伏电站投产后的日常运行对人员需求很少，主要通过 “智慧光伏运营管理中心 ”的监控系统和手机 APP 监控软件实现，不需要专门人工值守，发现问题手机报警，通过高速路的工作人员和专门的运维部门帮助解决，极大地节省了人力成本。电费结算方式光伏电站通过与用电单位（高速服务区、收费站或隧道）和国网电力签订售电合同，在月底时三方根据电表读数及合同结算电费即可。图 6 智慧光伏运营管理中心 4.3 分布式光伏电站的维护日常运营维护通过合同的形式委托给高速公路现有的机电单位进行，充分利用现有公路服务资源，既发挥了高速公路机电单位点多面广的特点，又极大地节省了人力成本。 5 分布式光伏发电经济效益分析利用高速公路综合服务区（停车区）、收费站、互通匝道圈、路基边坡及隧道进出口隔离带等可利用土地资源建立分布式光伏电站，即可实现自发自用，余量上网。鉴于国家光伏发电政策趋势是推行无补贴平价上网，故以下经济效益计算不再考虑资金补贴。 5.1 高速公路可利用土地资源截止 2018 年底，山西省高速公路通车总里程 5 075 km，其中主线桥梁总长 875 km（ 4 581 座），隧道 980 km（ 714 座），路基长度 3 220 km；共设互通 365 处，服务区（停车区） 124 对，收费站共 310 处。 a）服务区（停车区）共 124 对，每对服务区（停车区）平均可利用资源面积 12 亩，共可利用 1 488 亩。 b）收费站共 310 处，每处收费站平均可利用资 ·18· 2020 年第 1 期源面积 2 亩，共可利用 620 亩。 c）互通匝道圈区域共有互通 365 处，每处互通区域平均可利用资源面积 20 亩，共可利用 7 300 亩。 d）路基边坡扣除主线桥梁和隧道后，高速公路路基长度 3 220 km，按平均填挖高度 10 m 考虑，每公里平均可利用资源面积 17 亩，共可利用 54 740 亩。 e）隧道 714 座，每座隧道进出口平均可利用资源面积 10 亩，共可利用 7 140 亩。 f）综合服务区（停车区）、收费站、互通区域、路基边坡及隧道进出口，共有可利用土地资源 71 288 亩，每公里折合 14 亩。 5.2 效益计算按照目前市场价，光伏发电每瓦装机费用（含材料、人工等费用，达到发电状态）为 5.0 元，每平米可装机 100 W，山西省光伏电站年有效利用小时数按 1 340.83 h 取值，每瓦年发电量为 1 W1340.83 h 1.341 kW·h。全省高速公路现有可利用土地资源 71 288 亩，效益计算按土地面积分以下两种情况 a）计入服务区、收费站、互通区域、隧道进出口和路基边坡的土地总面积共 71 288 亩，折合 4 748 万 km 2 ，光伏机组安装面积按照 1.5 倍间距折算后为 4748/2.51899 万 km 2 。总装机容量 189910000100 W1899 MW，年发电量 18990.011.34125.47 亿 kW·h。编号项目单价 /元金额 /万元备注 1 总投资建设费 5.0/W 51899100949500 一次性 2 成本运维费 0.05/W 0.0518991009495 年 3 人工费 15 万 /人 /年 1530450 30 人 4 收益国家补贴 0 0 按无补贴计 5 自发自用 0.650.850.5525 kW·h 0.552525.470.651000091469 65自用，国网平均电价（ 0.65 元）的 85 6 并网收购 0.332 kW·h 0.33225.470.351000029596 35并网 7 年利润 456-23 9146929596-9495-450111120 万元不含税 8 9 投资回收期投资收益率 1/7 （ 7/1） 100 949500/1111208.54 年 111120/94950010011.7 不含税不含税表 2 经济效益计算 b）受 “公路法 ”规定的限制，以及路基边坡防护、绿化和排水设施的限制，不计入路基边坡土地面积，可利用面积为 71288-5474016548 亩，折合 1 102 万 km 2 ，光伏机组安装面积按照 1.5 倍间距折算后为 1102/2.5441 万 km 2 。总装机容量 44110000100 W441 MW，年发电量 4410.011.3415.91 亿 kW·h。区域类别城市安装角度（ °）峰值日照时数 h/d 每瓦首年发电量 kW·h/W 年有效利用小时数 h 华北地区山西省太原 33 4.65 1.341 1 340.83 大同 36 5.11 1.474 1 473.47 朔州 36 5.16 1.489 1 487.89 阳泉 33 4.67 1.348 1 346.59 长治 28 4.04 1.165 1 164.93 晋城 29 4.28 1.234 1 234.14 忻州 34 4.78 1.378 1 378.31 晋中 33 4.65 1.342 1 340.83 临汾 30 4.27 1.231 1 231.25 运城 26 4.13 1.193 1 190.89 吕梁 32 4.65 1.341 1 340.83 表 1 光伏电站发电量速查表编号项目单价 /元金额 /万元备注 1 总投资建设费 5.0/W 5441100220500 一次性 2 成本运维费 0.05/W 0.054411002205 年 3 人工费 15 万 /人 /年 1530450 30 人 4 收益国家补贴 0 0 按无补贴计 5 自发自用 0.650.850.5525 kW·h 0.55255.910.651000021224 65自用，国网平均电价（ 0.65 元）的 85 6 并网收购 0.332 kW·h 0.3325.910.35100006867 35并网 7 年利润 456-23 212246867-2205-45025436 万元不含税 8 9 投资回收期投资收益率 1/7 （ 7/1） 100 220500/254368.67 年 25436/22050010011.5 不含税不含税表 3 经济效益计算（受 “公路法 ”规定限制）王宏民高速公路光伏发电 ·19· 山西交通科技 2020 年第 1 期 Highway Photovoltaic Power Generation WANG Hong-min Shanxi Transportation Technology Research photovoltaic power generation; energy transformation; new conception c）由表 2 和表 3 可以看出，投资收益率大概是 11（未考虑利息和税金），大于一般的收益率临界值 8，是可以盈利的，但投资成本偏大，收益率偏低。优点是光伏发电站属于重型资产，虽然投资大，但收益期持续时间长，高速公路土地资源也具有长期稳定的特点，高速电能消耗也呈现逐年增长的趋势，两者都具有长期性和稳定性，故比较适合叠加发展，互相依存，相互补充，共同发展。 6 高速公路运营新理念传统高速公路运营模式一直是建设收费维护，除了通行费基本没有其他收入来源，随着高速路网规模越来越大，人员工资、电能消耗等固定支出逐年上升，高速公司利润空间越来越低，受制于路网规划制约运营收费额基本不可变，那就只能开源增效，节流降本。公路建设是发展，运营也是发展，而且是可持续发展，在国家倡导节能减排和绿色环保的大背景下，为了适应交通发展新趋势和解决运营中存在的问题，笔者提出了 “能源转型、降本增效、开放经营 ”三个运营新理念，促进公路交通事业的转型升级和可持续发展。 6.1 能源转型高速公路通过煤改电、煤改气等措施用清洁电气能源代替传统的重污染煤炭，减少二氧化碳排放，降低对环境的污染，保护了自然环境和生态环境，推动公路运营向资源节约型、环境友好型转变。 6.2 降本增效依托高速公路可利用土地资源，建设分布式光伏发电站，自发自用，余量上网，为服务区、收费站提供日常用电，为隧道提供照明用电，通过降低用电单价节约用电成本，余量并网售电盈利，实现高速公路运营的降本增效。 6.3 开放经营在国家能源政策的引导和推动下，新能源电动汽车越来越多，并且逐渐由轻型客车向重型货车扩展，通过光伏发电谷价储能充电桩放电的经营模式，利用收费站和服务区的车流优势，为汽车提供充电服务，实现光伏发电量的利用、消纳和盈利。利用收费站在城镇周边的地理位置优势，路网内服务于高速路上的车辆，路网外服务于收费站附近的社会车辆，通过开放经营实现开源增效。 7 结语综上所述，依托高速公路可利用土地资源，发展分布式光伏发电产业，不仅可以使高速公路降本增效，而且顺应国家能源政策的发展趋势。依靠能源转型、降本增效、开放经营三个运营新理念，可有效促进公路交通事业的转型升级和可持续发展。欢迎订阅 2020 年度山西交通科技选 ·20·