太陽能光伏發電在高速公路領域的應用與挑戰

魏鑫 魏來 付婷

收稿日期：2024-01-16

作者簡介：魏鑫（1991—），男，研究生，研究方向： 電力工程及其自動化。

摘要 文章首先介紹了太陽能光伏發電系統的工作原理及我國高速公路光伏發電常采用的三種技術模式；然后，根據歐盟委員會101標準，分析了太陽能光伏發電系統在高速公路路面、高速公路服務區、高速公路隧道進出口及高速公路邊坡中的經濟效益，結果表明一般光伏發電系統在上述應用中一次性建設投資在2～3年即可收回；最后，文章闡述了在高速公路領域推廣太陽能光伏發電面臨的技術、政策以及市場挑戰，并對其挑戰提出了展望和建議。文章可以為高速公路加快實現綠色化和智能化提供理論支撐。

關鍵詞 太陽能光伏發電；高速公路；太陽能技術

中圖分類號 U491文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0189-03

0 引言

近年來，高速公路網中大規模機電設施和智能道路的建設，在提高運行安全水平的同時，也產生了巨大的能源需求，公路運輸業已成為僅次于工業和建筑的重點耗能行業之一。太陽能以其節能、清潔、零排放、用途廣泛、安全等特點，在各種新能源中越來越受到人們的關注。在此背景下，研究太陽能光伏發電技術在高速公路領域的應用與挑戰，對高速公路加快實現綠色化和智能化具有重要意義。

1 太陽能光伏發電系統簡介

1.1 光伏發電系統的原理

光伏發電是利用光伏效應將太陽能轉換成電能的一種發電方式，其核心技術是通過半導體材料的太陽能電池捕獲太陽輻射，并將其轉化為可利用的電能。如圖1所示，到達半導體外層的太陽輻射部分會被反射，而其余部分則會進入半導體內部，被半導體材料吸收和傳輸。在太陽能電池的工作過程中，一部分吸收的太陽能會轉化為熱能，另一部分則會轉化為電子空穴對。在電子空穴對形成后，它們會在半導體PN結的作用下分離，并引導至電池的兩端，從而形成電流，實現電能的收集和輸出。

1.2 光伏發電系統的分類

光伏發電系統的主要組成部分包括太陽能電池、儲能電池、控制器和逆變器等[1-2]，如圖2所示。其中，太陽能電池是光伏發電系統的核心部件，它將太陽光能轉化為電能；儲能電池則用于儲存電能，以便在需要時供應負載使用；控制器則用于控制整個系統的運行，保證系統的穩定性和可靠性；逆變器則將直流電轉換為交流電，以供電網使用。經過幾十年的發展和不斷改進，光伏發電技術已經日漸成熟，其性能和穩定性得到了大幅度提升。目前的光伏發電系統不僅具有高效、環保、可持續等優點，而且還具有很高的安全性，可以在各種惡劣環境下運行。

圖1 光電效應示意圖

2 太陽能光伏發電在高速公路領域的應用

根據太陽能路面建設規劃，我國高速公路光伏發電常采用三種技術模式：管理和服務設施的區域性太陽能利用技術、高速公路隧道出入口能量集中點的太陽能光伏走廊技術和基于光伏發電的太陽能路面技術。

區域性太陽能利用技術作為一種對環境友好、可持續發展的能源解決方案，正逐步在我國高速公路沿線設施中得到廣泛應用。其中包括高速公路服務區、收費站、停車場、管理中心以及大型填方邊坡等關鍵區域，如圖3和圖4所示。通過在這些區域部署太陽能光伏發電系統，不僅可以滿足這些管理和服務設施的能源需求，還能有效減少對傳統化石能源的依賴，降低碳排放，助力我國實現綠色低碳發展戰略。此外，區域性太陽能利用技術還可以與智能電網、儲能系統等先進技術相結合，形成一個高效、穩定、可靠的能源供應體系，在提高能源利用效率的同時，也為高速公路沿線的管理和服務設施提供了更加可靠、經濟的能源保障，可以進一步促進我國高速公路事業的健康發展。

圖3 太陽能光伏停車場

圖4 太陽能光伏斜坡

太陽能光伏走廊技術在我國高速公路隧道出入口的能量集中點得到了廣泛應用。如圖5所示，首先，該技術在為隧道內設備提供清潔能源供電的同時滿足隧道內電力需求，并將多余的電力并入電網，提高了能源利用效率。其次，在隧道出入口設置光伏發電廊道可以有效緩解進出隧道時產生的“黑洞”和“明洞”現象。光伏發電廊道可以充當光線緩沖區域，使得光線變化更加柔和，在滿足人眼暗適應和明適應需求的同時提升了安全性和視覺舒適度，進而改善駕駛員視覺不適和降低交通事故風險。

基于光伏發電的太陽能路面技術是一種具有革命性的創新方法，其通過在路面上鋪設光伏電池板，將太陽能轉換為電能。這種技術不僅能夠滿足傳統的路面功能要求，如承載車輛、保證道路性能和安全行駛，還能夠利用太陽能發電，為城市和鄉村地區的能源供應提供一種可持續的解決方案。相比傳統的路面材料，太陽能路面不僅具有更高的承載能力和更好的耐用性，而且還能夠為周圍的建筑物和設施提供電力，如圖6所示。此外，太陽能路面還可以通過無線充電技術為電動汽車充電，為未來的智能交通系統提供支持。

圖5 太陽能公路隧道廊道口

圖6 太陽能光伏路面

3 太陽能光伏發電的效益分析

根據歐盟委員會定義的101標準，在輻射強度為1 000 W/m、氣團為AM1.5、電池溫度為25 ℃的條件下，采用專業計算軟件計算日均每平方米的發電量（以Ⅲ類地區白天可利用日光為7 h計算），單晶硅成本按2.8元/W計算。建成后太陽能光伏發電成本約為1.74元/千瓦時。2023年全國煤電平均電價為0.38元/千瓦時，考慮環境成本（0.56元/千瓦時），太陽能光伏發電系統成本每千瓦時為1.40元。然而，太陽能光伏系統的建設成本是硬件設施的一次性投資，發電是綠色的，在5～10年的生命周期內無成本投入（部分維護費用除外），一般光伏發電系統建設的一次性投資在2～3年就可以收回。如果上述太陽能公路建設方案能夠在我國的普通公路上實施，那么清潔能源每年能夠產生的電力規模和數量將更加引人注目。

3.1 太陽能光伏路面的經濟效益分析

以高速公路應急車道鋪設太陽能路面為例，保守估計全國共有13.1萬公里的高速公路應急車道，應急車道寬度估計為2.5 m鋪設太陽能路面，那么年平均發電量約為：1.23 kW·h/m/d×13.1×104×103 m×2.5 m（面積）×180 d

（年平均有效光照日）≈7.5×1 010 kW·h。即：每年可產生超過700億千瓦時的太陽能。

3.2 太陽能光伏服務區的經濟效益分析

以高速公路服務區為例（2個服務區可用面積保守估計為600 m/50 km），日均發電量保守估計約為：1.23 kW·h/

m/d×2 720個服務區×600 m/服務區×180（年均有效光照天數）≈3.6×108 kW·h。即：每年可產生3.6億千瓦時的太陽能。

3.3 公路隧道進出口太陽能光伏發電的經濟效益分析

以13.1萬公里高速公路為例，隧道數量保守計算為100座隧道，單向2車道，每座隧道雙向4個出入口，每座單晶硅太陽能光伏走廊建設長度為100 m：1.23 kW·h/m/d×（4×100）m×7.5 m/隧道×100座隧道×180（年平均有效光照日）≈6.6×107 kW·h。即：每年可產生超過6 000萬千瓦時的太陽能。

3.4 公路邊坡太陽能光伏發電的經濟效益分析

公路沿線的路邊低坡假設兩側每公里可利用的較低坡度按100 km2（100 m/km）計算，沿線地區發電量約為：1.225 kW·h/m×100 m/km×13.1×104 km≈1.72億千瓦時。

4 太陽能光伏發電在高速公路領域的挑戰

4.1 技術方面

太陽能光伏發電在高速公路領域的應用需要克服許多技術難題。首先是如何保證光伏組件在高速公路惡劣環境下的穩定性、高效性和耐久性。其次如何實現光伏組件與高速公路設施的完美融合，包括合理、高效地利用土地，“自發自用，余電上網”的并網模式需要與電網進行緊密配合等。此外，太陽能光伏發電系統的維護和檢修也是一個不容忽視的問題，因為高速公路光伏發電系統往往面積廣闊，基礎設施的不足和缺乏熟練工人，使得維護起來十分困難[3]。

4.2 政策方面

盡管我國政府對太陽能光伏發電產業給予了全方位的政策扶持，但在具體實施過程中仍存在政策不完善的地方。首先，太陽能光伏發電在高速公路領域的建設和運營需要大量的資金投入，而且建設和運營的風險也較高。因此，需要有明確的法律和政策支持，以鼓勵更多的企業和投資者參與到這一領域中。其次，需要有明確的法律和政策規定各部門如交通、能源、環保等的職責和義務，以及協調和合作的方式和程序。最后，需要有明確的法律和政策規定相關的環保和安全標準，以確保太陽能光伏發電在高速公路領域的可持續發展[4]。這包括對太陽能光伏發電設備的質量、安裝位置、施工過程等方面的規定，以及對發電過程中可能產生的噪聲、電磁輻射等環境污染的限制和治理。

4.3 市場方面

太陽能光伏發電市場已經涌現出大量的企業和產品，市場競爭異常激烈。在高速公路領域，太陽能光伏發電將與其他能源供應方式展開競爭，例如燃氣發電、火力發電等。這些能源供應方式在某些方面可能更加優越，例如在能源供應的穩定性方面。與此相比，太陽能光伏發電的發電量受天氣和時間等因素的影響較大，因此太陽能光伏發電企業需要積極探索新的市場應用，擴大業務范圍。例如，可以考慮將太陽能光伏發電與其他新能源相結合，構建多元化的能源供應系統；或者將太陽能光伏發電應用于交通、通信等領域，實現多領域的綠色能源應用。通過不斷拓展業務范圍，太陽能光伏發電企業將能夠更好地應對市場競爭，實現可持續發展。

5 結束語

太陽能光伏發電市場已經涌現出大量的企業和產品，市場競爭異常激烈。在高速公路領域，太陽能光伏發電需要與其他能源供應方式競爭，例如燃氣發電、火力發電等。這些能源供應方式在某些方面可能更加優越，例如在能源供應的穩定性方面。與此相比，太陽能光伏發電的發電量受天氣和時間等因素的影響較大，因此太陽能光伏發電企業需要不斷創新和改進技術，探索新的市場應用，擴大業務范圍。

參考文獻

[1]袁元， 張海龍， 葛玉石， 等. 移動光伏系統的設計計算方法[J]. 裝備制造技術， 2020（8）： 82-85+97.

[2]胡俊新. 分布式光伏發電系統安裝過程中對屋面的影響及用電安全分析[J]. 智能城市， 2018（4）： 54-55.

[3]陳善煒， 李曉暾， 王文丹， 等. 太陽能光伏發電系統在高速公路領域的應用探討[J]. 智能建筑與智慧城市， 2023（6）： 190-192.

[4]張夢. 光伏發電系統的運行和維護[J]. 智能城市， 2019

（4）： 50-51.