高速公路沿線發展分布式光伏發電項目可行性研究

李義，劉志勝

（1.廣州市北二環交通科技有限公司，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）

隨著全球經濟發展、科技進步，世界各國對能源提出了越來越高的要求。傳統火力、水力、風力、核能發電面臨的資源枯竭、環境污染、季節影響、核泄漏等諸多問題日益成為制約社會經濟發展的瓶頸，越來越多的國家和地區開始實施“陽光計劃”，開發利用太陽能資源已成為世界各國領跑能源爭奪賽、尋求經濟發展新動力的重要突破口[1-2]。為支持光伏行業發展，國家發展改革委、財政部、能源局及四川、山東、新疆等地區陸續發布相關支持政策，有序引導光伏發電技術在全國推廣應用。2014 年，國家能源局印發的《關于進一步落實分布式光伏發電有關政策的通知》中明確提出“鼓勵在火車站、高速公路服務區、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推廣光伏發電”[3]。財政部、國家發展改革委、能源局聯合下發的《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》《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模，充分保障政策延續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，用電耗能十分穩定且呈現增長趨勢，據不完全統計，各省份所轄收費站、服務區、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用電大戶。各集團公司所轄的站區屋頂、硬質邊坡、隧道隔離帶、互通樞紐閑置土地等區域均為建設分布式光伏電站的優質資源，大力開發、利用太陽能，既符合國家、地區低碳環保可持續發展戰略要求，又順應綠色公路發展理念，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，拓展以光伏發電應用達到“降本增效”的新模式、新途徑，可為企業實現提升經濟效益和企業形象提供強有力的支撐。

1 光伏發電產業現狀

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%。中國地區寬廣，太陽能資源蘊藏豐富，具有清潔、安全、充裕、經濟性等優點，是真正取之不盡、用之不竭的理想能源。因此，大力發展光伏發電在內的可再生能源已經成為中國保障能源安全、治理環境污染、應對氣候變化的戰略性選擇[4-6]。

1.1 光伏發電技術現狀

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。

光伏發電系統分為獨立光伏發電系統和并網光伏發電系統。獨立光伏發電主要由光伏組件、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。分布式光伏發電系統是并網光伏發電系統的一種，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 光伏發電技術應用現狀

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電技術引入國內，2002 年正式提出“光明工程”[7-8]。

光伏發電屋頂。2018-12，崇明三星田園“互聯網+”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，不僅實現了“源網荷儲”一體化，還實現了并網系統和離網系統的統一管理，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微電網可行性。

圖1 “互聯網+”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%。

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

圖2 光伏發電農業科技大棚

野外光伏發電站。2019-06，由隆基股份與中國三峽新能源聯合建設的銅川光伏技術領跑基地宜君縣峽光250 MW 光伏發電項目宣布并網發電；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，光伏發電已進入農村各戶，有效促進了光伏發電技術的推廣應用。野外光伏發電站如圖3 所示。

圖3 野外光伏發電站

1.3 光伏發電技術在公路工程中示范應用

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

分布式光伏發電高速公路。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，年發電量達1 200 萬kW·h。

圖4 意大利A18 太陽能高速公路

光伏發電服務區供能系統[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、收費站、停車場等），以“自發自用、余電上網”的分布式發電模式投資8.2 億元建設江西高速公路分布式光伏發電工程項目，累積建設站點132 個，裝機總量12.73 MW，覆蓋服務區48 對，收費站（養護中心）等84 個，年發電量達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） 段中館驛服務區利用屋面4 600 m2建設晶體硅太陽能光伏并網發電站作為補充能源，年發電量42 萬kW·h，每年節約用電42 萬元。2016-08，南寧市五塘收費站管理區利用屋面4 626 m2，布設光伏發電裝機300 kW，年發電量約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均有光伏發電示范項目。服務區屋面光伏發電系統如圖5 所示。

圖5 服務區屋面光伏發電系統

光伏發電隧道照明系統。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 分布式光伏發電系統，如圖6 所示，并入隧道配電房電柜，年發電量可達15 萬kW·h，預計每年可以節省用電15 萬元[14]。

圖6 隧道口光伏發電系統

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

2 公路沿線光伏發電產業的可行性分析

2.1 技術可行

分布式光伏發電硬件相對成熟，一般直接采購光伏板，光伏電站的建設與養護相對容易，現有技術足以支撐[15-16]。光伏電站的運營管理是關系項目的發展，目前多依托第三方單位研發綜合管理系統，實現光伏電站的微網管控與運營管控。同時，相關企業已制定《分布式光伏電站運維技術規范》，基本實現了高速公路分布式光伏電站的專業化運維。為進一步推廣分布式光伏發電項目，“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”“多回路子系統組成的并網發電系統的優化設計研究”等系列科技研發工作已陸續開展，將逐步形成適用于高速公路分布式發電項目的成套技術。

2.2 節能環保效益顯著

山西省某公司統計2019年某一分布式光伏電站上半年發電量數據，發電量共計約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。山東省某公司統計2020 年近30 個分布式光伏電站的發電量，總裝機容量約3 000 kW，年發電量約400 萬kW·h，總電費收益約232 萬元，運營單位每年節約電費支付約24.3萬元。保守折算，每年可為國家節約標準煤約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至少一處服務區的設置規范，可以估計中國高速公路服務區大致在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、硬質邊坡等數量難以統計。各站區屋頂、隧道出入口隔離帶、互通樞紐、硬質邊坡陽面等均為光伏發電的絕佳可利用資源，開展光伏發電項目，不僅可滿足站區照明、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測、智能網聯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、技術驅動光伏發電不斷升級，晶體硅電池的效率提高1%，發電成本可下降6%，單晶硅315 W（320 W）主流光伏組件、逆變器等主要部件持續降價，大幅降低了投資成本。按照現有技術，光伏發電項目建設成本攤銷為5.3 元/W，依據現階段裝機容量、發電效率與利用率，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改委和能源局出臺的關于新能源產業相關優惠政策，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，預測某地區高速公路具備分布式光伏發電開發潛能的總裝機容量，可階段實施，逐步推廣應用。選取代表性收費站、服務區進行區域示范應用，初步形成規模優勢。繼續挖掘優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、風力發電、空氣源熱泵、相變儲熱、電儲能等新能源系統，建設多種分布式能源互補的小型發配電系統示范項目。

高速公路分布式光伏發電項目推行能源托管運營新模式。構建統一的智能能源管理平臺，通過對用能設備設施的動態監測、集中分析、調控運行參數，引導電能消納與負載就地平衡，實現“提質增效，降本增效”的目標，最終將消耗性用能資產轉變為盈利性良性資產。

3 發展前景

能源可持續發展需求。中國人口數量較多，傳統能源應用技術落后，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電產業快速發展的重要機遇。光伏發電項目作為清潔能源，符合國家能源轉型和綠色發展政策導向，所轄高速公路具有優質的區域資源，行業前景光明。

獨立性能源供給。在高速公路站區改造升級過程中，部署光伏發電項目，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。建立與城市工業供電、市政用電等相對獨立的供電系統。

節省空間，經濟性高。光伏發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，節能環保。光伏發電項目，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展需求。

政策支持，保障行業發展。國家層面“打贏藍天保衛戰”相關系列政策陸續出臺，將促進光伏發電相關產業健康發展。

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通過設計優化，提高電量自用比例，提高電站投產收益；②持續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加強光伏發電資產巡視、維護，解決分布式光伏發電站點多、維護難的問題，確保在有限的人力、物力條件，實現資源利用的最大化；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電站，“自發自用，余量上網”，資源暫不對外開放，消除行業惡性競爭。