高速公路光伏發電

王宏民

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

過去三十年，是我國高速公路建設發展波瀾壯闊的三十年，不僅實現了我國高速公路從無到有的跨越式發展，而且鑄就了四通八達的國省道運輸大動脈，建設成就舉世矚目。山西省高速公路從1995年太舊線開始，至今已通車運營5 000 多公里，公路網絡頗具規模，為經濟社會發展做出了巨大的貢獻，但隨著運營里程的不斷增加，運營成本也在逐年上升，作為固定支出的電費消耗每年約2.7 億元，已經成為企業生存和發展的巨大負擔。

2 產業背景

2.1 高速公路產業背景

a）高速公路主要用電負荷區域分別為隧道、收費站、服務區，其中隧道用電負荷最大，其次為服務區和收費站。山西省高速公路年總用電量約為4.2億 kW·h，電網購電的平均電價為 0.65 元/kW·h，年電費約2.7 億元。

b）高速公路擁有大量的服務區（停車區）、收費站、互通區域、路基邊坡等可利用的土地資源，產權歸屬高速公司，但實際發揮的效能很小，多數處于閑置狀態，可用于開發建設必要的發電設施。

2.2 光伏發電產業背景

a）國家十九大提出要推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、安全高效的能源體系，支撐我國能源產業與生態環境協調可持續發展，大力發展可再生能源，是推動能源結構優化的重要手段，截至2018 年底，中國可再生能源發電裝機達到7.28 億kW，光伏發電裝機1.74 億kW，清潔、循環、綠色、低碳的能源技術體系正在逐漸形成。

2013 年—2018 年5 月國家通過政策扶持和資金補貼的方式大力發展光伏發電產業，特別是2016—2017 兩年更是進入了黃金發展期。2013 年8月，國家發改委發布《關于發揮價格杠桿作用促進光伏產業健康發展的通知》（發改價格〔2013〕1638號），明確分布式光伏發電項目的補貼標準為0.42 元/kW·h（含稅）。

但是隨著光伏技術和產業設備逐漸成熟，生產和安裝成本逐漸降低，國家政策支持和補貼也在逐步弱化。特別是2018 年531 新政后國家對光伏發電的補貼呈下降趨勢，市場進入停滯和觀望期；2019年1 月10 日國家發展改革委、國家能源局就聯合印發《關于積極推進風電、光伏發電無補貼平價上網有關工作的通知》，提出開展平價上網項目和低價上網試點項目建設, 同時完善需國家補貼的項目競爭配置機制，減少行業發展對國家補貼的依賴。根據國家能源局2019 年5 月30 日發布的《2019 年光伏發電項目建設工作方案》，除光伏扶貧、戶用光伏外，其余需要國家補貼的光伏發電項目原則上均須采取招標等競爭性配置方式，業內分析今后發展趨勢是取消補貼，平價上網。

b）交通運輸部發布的交通運輸節能環保“十三五”發展規劃，提出要把綠色發展理念融入交通運輸發展的各方面和全過程，突出理念創新、科技創新、管理創新和體制機制創新，有效發揮政府引導作用，充分發揮企業主體作用，繼續推進交通運輸結構調整，提升交通運輸裝備能效水平，優化交通運輸能源消費結構，深化節能降碳制度創新與技術應用。推進資源節約集約利用，加強資源綜合循環利用，強化行業節能環保管理，加快建成綠色交通運輸體系。

c）山西省作為全國重要的綜合能源基地，在全國能源發展格局中具有重要的戰略地位，被國家定為開展能源革命綜合改革試點區，強調在推動能源生產消費革命保障能源安全、構建清潔低碳用能模式、推進能源科技創新等方面加快改革，優化能源產業布局，開拓產業發展新路徑，打造高比例新能源的綜合能源基地。山西省有著豐富的太陽能資源，“十三五”新能源產業發展規劃明確指出大力發展太陽能光伏發電。

d）2019 年 9 月 19 日，中共中央、國務院印發了《交通強國建設綱要》，要求各地區各部門結合實際認真貫徹落實。建設交通強國是以習近平同志為核心的黨中央立足國情、著眼全局、面向未來作出的重大決策，是新時代做好交通工作的總抓手。《建設綱要》作為建設交通強國的頂層設計和系統謀劃，掀開了新時代交通運輸工作的新篇章。

《建設綱要》中關于交通和能源的論述有如下內容：

（a）推廣新能源、清潔能源、智能化、數字化、輕量化、環保型交通裝備及成套技術裝備。

（b）鼓勵引導綠色公交出行，倡導綠色低碳出行理念。

（c）強化前沿關鍵科技研發。瞄準新一代信息技術、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加強對可能引發交通產業變革的前瞻性、顛覆性技術研究。

（d）強化節能減排和污染防治。優化交通能源結構，推進新能源、清潔能源應用，促進公路貨運節能減排，推動城市公共交通工具和城市物流配送車輛全部實現電動化、新能源化和清潔化。

《交通強國建設綱要》由中共中央和國務院印發，可見重視程度之高，明確指出了要推廣新能源、清潔能源，通過結合光伏發電與交通設施，節能減排，降低成本，在中央領導高層，對新能源、清潔能源的認識是深刻的，對光伏發電充分認可。

e）國內高速公路光伏發電取得的成功經驗。

根據市場調研的情況，國內安徽省、山東省、江蘇省、江西省等都依托高速公路路網資源成立了新能源公司，建設了分布式光伏電站且成功并網發電，如：安徽交控路網新能源有限公司和山東交通新能源科技有限公司，目前運行均比較成功。

3 發展思路

建設光儲充一體化新能源微電網，光伏發電+谷價儲能+充電樁放電，面向未來的能源結構轉型、高速公路電網建設和多樣化負荷需求發展，可實現對新能源的開發、利用、深度消納。分布式儲能系統的廣泛接入，電動汽車的有序智能充放電，是高速公路能源結構的新趨勢。

3.1 建設分布式光伏電站，自發自用，余量上網，降本增效

立足本省高速公路路網資源，充分發揮可利用土地資源，開發太陽能光伏發電，自發自用，余量上網。通過在服務區、收費站、互通匝道圈和隧道進出口隔離帶布設光伏電站，實現以上公路設施白天用電的自給自足，降低公路用電成本，同時多余電量并網售電盈利，達到降本增效的目的。

3.2 儲電系統建設、經營和管理

高速公路服務區、收費站場區等白天用電量小，通過建設儲能電站對光伏發電及谷價電進行存儲，用于夜晚用電高峰期的使用，利用國網電力的峰谷電價差削峰填谷，降低用電成本。

3.3 發展收費站、服務區充電服務，路內路外雙向開發

依托微電網，利用收費站和服務區的車流優勢及多樣化負荷需求，發展充電服務實現電能的消納和盈利。在國家能源政策的引導和推動下，新能源電動汽車越來越多，小客車數量爆發式增長，貨運車數量也在逐年增加，而配套的充電服務卻發展滯后，城市和高速公路的充電樁站點少、樁位少，電動汽車充電基本是排隊狀態，特別是節假日出行高峰期，路網內外充電樁均供不應求，不僅制約了電動汽車的發展，也限制了人們的出行距離，特別是城際出行。

高速公路收費站和服務區基本都建在城鎮周邊，且密度較高，利用收費站和服務區地理位置的優勢，以及互通匝道圈和服務區的空地資源，建設配套的光伏電站、儲能裝置和充電樁，路網內服務于高速路上的車輛，路網外服務于收費站附近的社會車輛，逐漸引導車主形成“有空即充電”的用車習慣，保持車輛經常性處于飽電狀態，提高出行距離，節約充電時間，增加盈利點。

4 高速公路光伏發電運行模式

4.1 分布式光伏電站的建設

光伏電站裝機建設模式可采用招投標方式進行，選擇有實力的企業采購、施工、調試，確保工程質量。國內已有多家專業化光伏技術公司，如陽光電源、華為等公司，產品和技術力量都是有保障的。

光伏發電站的裝機位置在服務區和收費站的屋頂、車棚、場區空地以及收費站匝道圈內，屋頂和車棚采用滿鋪的方式，空地上采用基礎加支架的方式，為避免光伏板相互遮擋，兩組光伏板間距按照1.5倍光伏機組寬度布置。

圖1 光伏并網計量柜

圖2 光伏車棚和逆變器

圖3 服務區空地光伏板

圖4 收費站光伏機組和逆變器

圖5 收費站匝道圈大規模光伏機組（間距：1.5 倍機組寬度）

4.2 分布式光伏電站的運行

光伏電站投產后的日常運行對人員需求很少，主要通過“智慧光伏運營管理中心”的監控系統和手機APP 監控軟件實現，不需要專門人工值守，發現問題手機報警，通過高速路的工作人員和專門的運維部門幫助解決，極大地節省了人力成本。

（2）對河道內設有輸電線路桿塔的州河、武河、北運河和子牙河，建立河道一維恒定非均勻流水文模型，推算河道水面線成果，計算河道水位、流速。分析輸電線路建設先后水位和流速的變化情況及沖刷情況。

電費結算方式：光伏電站通過與用電單位（高速服務區、收費站或隧道）和國網電力簽訂售電合同，在月底時三方根據電表讀數及合同結算電費即可。

圖6 智慧光伏運營管理中心

4.3 分布式光伏電站的維護

日常運營維護通過合同的形式委托給高速公路現有的機電單位進行，充分利用現有公路服務資源，既發揮了高速公路機電單位點多面廣的特點，又極大地節省了人力成本。

5 分布式光伏發電經濟效益分析

利用高速公路綜合服務區（停車區）、收費站、互通匝道圈、路基邊坡及隧道進出口隔離帶等可利用土地資源建立分布式光伏電站，即可實現自發自用，余量上網。鑒于國家光伏發電政策趨勢是推行無補貼平價上網，故以下經濟效益計算不再考慮資金補貼。

5.1 高速公路可利用土地資源

截止2018 年底，山西省高速公路通車總里程5 075 km，其中主線橋梁總長 875 km（4 581 座），隧道 980 km（714 座），路基長度 3 220 km；共設互通365 處，服務區（停車區）124 對，收費站共 310 處。

a）服務區（停車區）共124 對，每對服務區（停車區）平均可利用資源面積12 畝，共可利用1 488 畝。

b）收費站共310 處，每處收費站平均可利用資源面積2 畝，共可利用620 畝。

c）互通匝道圈區域共有互通365 處，每處互通區域平均可利用資源面積20 畝，共可利用7 300 畝。

d）路基邊坡扣除主線橋梁和隧道后，高速公路路基長度3 220 km，按平均填挖高度10 m 考慮，每公里平均可利用資源面積17 畝，共可利用54 740 畝。

e）隧道714 座，每座隧道進出口平均可利用資源面積10 畝，共可利用7 140 畝。

f）綜合服務區（停車區）、收費站、互通區域、路基邊坡及隧道進出口，共有可利用土地資源71 288畝，每公里折合14 畝。

5.2 效益計算

按照目前市場價，光伏發電每瓦裝機費用（含材料、人工等費用，達到發電狀態）為5.0 元，每平米可裝機100 W，山西省光伏電站年有效利用小時數按1 340.83 h 取值，每瓦年發電量為1 W×1340.83 h=1.341 kW·h。

全省高速公路現有可利用土地資源71 288 畝，效益計算按土地面積分以下兩種情況：

表1 光伏電站發電量速查表

a）計入服務區、收費站、互通區域、隧道進出口和路基邊坡的土地總面積共71 288 畝，折合4 748萬km2，光伏機組安裝面積按照1.5 倍間距折算后為4748/2.5=1899 萬 km2。

總裝機容量 1899×10000×100 W=1899 MW，年發電量 1899×0.01×1.341=25.47 億 kW·h。

表2 經濟效益計算

b）受“公路法”規定的限制，以及路基邊坡防護、綠化和排水設施的限制，不計入路基邊坡土地面積，可利用面積為71288-54740=16548 畝，折合1 102萬km2，光伏機組安裝面積按照1.5 倍間距折算后為1102/2.5=441 萬 km2。

總裝機容量 441×10000×100 W=441 MW，年發電量 441×0.01×1.341=5.91 億 kW·h。

表3 經濟效益計算（受“公路法”規定限制）

c）由表2 和表3 可以看出，投資收益率大概是11%（未考慮利息和稅金），大于一般的收益率臨界值8%，是可以盈利的，但投資成本偏大，收益率偏低。優點是光伏發電站屬于重型資產，雖然投資大，但收益期持續時間長，高速公路土地資源也具有長期穩定的特點，高速電能消耗也呈現逐年增長的趨勢，兩者都具有長期性和穩定性，故比較適合疊加發展，互相依存，相互補充，共同發展。

6 高速公路運營新理念

傳統高速公路運營模式一直是建設—收費—維護，除了通行費基本沒有其他收入來源，隨著高速路網規模越來越大，人員工資、電能消耗等固定支出逐年上升，高速公司利潤空間越來越低，受制于路網規劃制約運營收費額基本不可變，那就只能開源增效，節流降本。

公路建設是發展，運營也是發展，而且是可持續發展，在國家倡導節能減排和綠色環保的大背景下，為了適應交通發展新趨勢和解決運營中存在的問題，筆者提出了“能源轉型、降本增效、開放經營”三個運營新理念，促進公路交通事業的轉型升級和可持續發展。

6.1 能源轉型

高速公路通過煤改電、煤改氣等措施用清潔電氣能源代替傳統的重污染煤炭，減少二氧化碳排放，降低對環境的污染，保護了自然環境和生態環境，推動公路運營向資源節約型、環境友好型轉變。

6.2 降本增效

依托高速公路可利用土地資源，建設分布式光伏發電站，自發自用，余量上網，為服務區、收費站提供日常用電，為隧道提供照明用電，通過降低用電單價節約用電成本，余量并網售電盈利，實現高速公路運營的降本增效。

6.3 開放經營

在國家能源政策的引導和推動下，新能源電動汽車越來越多，并且逐漸由輕型客車向重型貨車擴展，通過光伏發電+谷價儲能+充電樁放電的經營模式，利用收費站和服務區的車流優勢，為汽車提供充電服務，實現光伏發電量的利用、消納和盈利。利用收費站在城鎮周邊的地理位置優勢，路網內服務于高速路上的車輛，路網外服務于收費站附近的社會車輛，通過開放經營實現開源增效。

7 結語

綜上所述，依托高速公路可利用土地資源，發展分布式光伏發電產業，不僅可以使高速公路降本增效，而且順應國家能源政策的發展趨勢。依靠能源轉型、降本增效、開放經營三個運營新理念，可有效促進公路交通事業的轉型升級和可持續發展。