光伏在公路交通基礎設施中的應用效益分析

胡華平 畢雁冰

摘要：當前，采用“光伏+交通”的模式，不僅可優化交通基礎設施的能源結構，還能促進公路交通運輸的節能減排，具有廣闊的應用前景。文章對公路交通基礎設施中光伏技術的應用成本及影響因素進行了分析，并基于工程實例，探討了如何在交通基礎設施中采用光伏技術，從而實現發電效益最大化，以期為推動公路與清潔能源深度融合發展和公路未來多元化能源互聯網建設提供借鑒。

關鍵詞：公路交通；基礎設施；光伏技術；效益分析

中圖分類號：U491.1+1? ?文獻標識碼：A

文意編號：1673-4874（2024）04-0200-03

0 引言

伴隨著廣西公路高質量運營服務和智慧化管控進程的推進，道路全壽命周期監控、車路協同、自動駕駛以及公路智慧化運管等新業態不斷發展，公路全線電氣化已勢在必行，以滿足公路在信息采集、監測、分析與處理、通信傳輸、充電設施以及輔助自動駕駛傳感等需要［1］?？梢灶A見，各等級公路的用電規模和能耗需求在未來幾年將產生幾何級的數量增長［2］。

對能源的依賴與需求的日益增多，使得交通運輸行業的運營成本日益增多。最新數據顯示，廣西交通投資集團在2022年度運營養護費實際執行64 700萬元，其中水電費占比15.64%，實際執行10 120萬元。若以傳統石化燃料對上述能耗進行供給，不僅面臨資源枯竭的隱患，而且還違背了清潔能源優先發展的戰略［3-4］。

應用光伏技術產生的能源替代傳統能源，不僅從源頭消除能源損耗帶來的環境問題［5］，助力國家“雙碳”發展目標，還能加快公路交通系統向采用可再生能源供應的過渡，對智慧公路的建設具有重要意義［6］。從降低企業運營成本角度出發，光伏技術的出現，將公路交通系統由能源的消費者轉換為能源的供應者，極大地降低了企業在公路服役期間的能耗支出［7］。但在不同的應用場景中，或同一場景中采取不同的光伏發電設計方案，所帶來的效益也會呈現出較大的區別。隨著光伏應用的規模不斷擴大，如何以最小成本獲取最大收益，成為光伏技術在公路交通設施應用中需要著重考慮的問題［8-9］。

為此，本文針對公路交通基礎設施中光伏技術的應用成本及影響因素進行了分析，基于工程實例探討了如何在交通基礎設施中采用光伏技術，從而實現發電效益最大化，以期可為推動公路與清潔能源深度融合發展和公路未來多元化能源互聯網建設提供借鑒。

1 光伏發電在公路交通設施中的運維成本

目前，光伏在公路交通設施中的應用在技術層面上已相對成熟。應著重考慮的問題在于，如何在保障穩定供電的前提下，通過行之有效的方式降低光伏設施的建設成本和運營成本，縮短投資回收周期，進而降低企業使用光伏的成本。

1.1 建設成本

1.1.1 成本組成

高速公路分布式光伏系統的初始全投資主要由系統成本與非技術成本組成。系統成本包括組件、逆變器、支架、電纜、并網設備（一次設備、二次設備）、儲能關鍵設備以及管理費、建安費等成本。其中，組件、逆變器等關鍵設備成本投資相對固定，但隨著技術進步和規模化效益，未來仍具有一定下降空間；管理費包括前期管理、勘察、設計以及招投標等費用；建安費用主要為人工費用、土石方工程費用及常規鋼筋水泥費用等，未來下降空間不大。

非技術成本包括接網、土地、項目前期開發費用等，該項費用在不同區域及項目之間差別較大。其中，土地費用包括全生命周期土地租金以及植被恢復費或相關補償費用；電網接入成本僅含送出升壓站的對側改造，小型的分布式光伏電站該部分成本較低。

1.1.2 影響因素

從目前已開展的工作來看，公路交通設施中光伏發電站建設成本的主要影響因素包括儲能成本、用地成本、輸配電距離、自用消納比等。

光伏儲能系統需要額外的成本，該項成本主要涵蓋儲能系統的建設與后期的運維工作。常見的分布式光伏站采用“10%，2 h”的標準配儲能（即2 h系統），按照2023年8月儲能系統中標價統計，2 h系統項目中標均價1.120元/Wh。以銀嶺隧道為例，目前裝機容量505 kWp，可滿足白天12 h用電量，若考慮到夜間12 h用電需求，還需擴容裝機容量至現有的5倍。按照2 h系統配儲能，額外增加的儲能成本高達350余萬元。從長遠來看，儲能系統可以提高公路交通設施中光伏發電的利用率和可靠性，有利于能源配置的優化與轉型。

用地成本方面，目前廣西正處于高速公路建設高峰期，設計階段整體考慮高速公路沿線收費站、服務區、管理區、隧道口的光伏設計，將光伏電站建設與房建、綠化、交安、供配電等專業融合，可以大幅度地分攤光伏電站建設的用地、房屋處置、輸配電成本。為節約用地成本，光伏用地主要以利用閑置場地為主。因此，在高速公路，可重點利用收費站、管理區、服務區、停車區、互通立交等設施的閑置場地資源推進光伏應用；而對于隧道，可充分利用隧道口兩端光照條件好的空地或綠化帶；對于機場，可探索利用機場航站樓屋面、機場工作區辦公樓屋面、機場貨運站屋面、停車場雨棚等機場范圍內露天面積較大的區域布局光伏發電設施；而在鐵路方面，應充分利用候車樓、站房、貨物中轉庫、站臺風雨棚、鐵路沿線等資源。

輸配電距離方面，項目的輸配電距離對光伏電站的建設成本影響很大，高速公路沿線具有大量的高邊坡、互通匝道空地等資源，但這些位置大部分距離用電點較遠，需要的輸配電電纜和施工措施費很高，如果只考慮用地因素，可能會出現輸配電的造價遠超電站建設費用。因此光伏電站建設不是有空地就可以建，而是要以經濟效益為導向，因地制宜地選址。

自用消納比是指光伏發電系統產生的電力中，自行消耗的比例，用以反映光伏電力在多大程度上可以滿足自身的需求。該因素對分布式光伏項目的投資回報周期影響較大：當自用消納比較高時，意味著更多的電力在本地被消耗，減少了電力傳輸所帶來的設備、運維成本，同時可以消除傳輸過程中的能量損耗；而自用消納比較低時，將導致光伏成本的回收周期延長。因此，在公路交通設施中規劃光伏建設時，應充分考慮建設地的能源需求，保持耗能系統與供電系統達到平衡，提高光伏的自用消納比。

1.2 運營成本

廣西目前的電價為0.7～1.5元/度，上網電價（即電網企業采購價）為0.42元/度。如果把光伏發電按照自用和上網分成兩類的話，自用消納部分相當于替換了0.7～1.5元/度的電網用電，而上網部分相當于以0.42元/度的價格出售給電網公司。自用部分占比越大，光伏效益越高；相反，上網部分越大，光伏裝機容量越大，成本越高，投資回收周期越長。

2 光伏發電效益最大化的實現方案

本文以銀嶺隧道為例，探索如何在成本控制與穩定供電之間找到一個最合適的路徑，從而實現光伏發電效益的最大化。

2.1 項目背景

銀嶺隧道位于南寧至平果高速公路，隧道全長1 500 m。設計有照明系統、監控系統。隧道兩端地勢開闊，每個端口設計有250 kVA照明變壓器和400 kVA風機變壓器1臺。南寧端隧道口有效空地面積約3 500 m2，距離配電室位置約217 m。平果端洞口中央分隔帶空地面積約2 500 m2，距離配電室位置約246 m。隧道口兩端均比較適合進行光伏電池板布設。

需要說明的是，為了降低建設成本，銀嶺隧道在施工設計時未考慮儲能系統，因此在分析中不對儲能系統的花銷進行考慮。

2.2 光伏發電方案效益對比

根據銀嶺隧道現場的空地面積大小，按照銀嶺隧道的供配電設計圖，本文提出三個光伏發電設計方案，并依據2022年12月～2023年2月的實際電費單進行對比分析，如表1所示。

由表1可知，在同一個場景下，不同裝機容量、自消納比所帶來的投資回報具有較大差別。高裝機容量帶來高年收益率，但由于建設初期投資較高，使得平均年收益率較低，投資回報周期最長。此外，高裝機容量下光伏所產生的電能遠大于交通基礎設施所需能耗，而由于銀嶺隧道沒有儲能系統，多余的電能必然需要通過電力設備輸送。因此包含輸送設備建設與老損成本的情況下，實際上的投資回收周期將比所計算的13.4年更長。

當采用最高投資回報率設計時，初期光伏站的建設成本較低，僅有滿載裝機容量的50%，而平均年收益率則為后者的62%，相應的投資回收周期只有10.5年。但實際上，片面追求光伏發電的高投資回報率，會使得所產生的電能無法完全覆蓋能耗。此時需要從外部引入其他形式的能源進行補充，將會產生額外的能源消費。

方案三則充分考慮電能產生與能耗的供給關系。使用該方案獲得的投資回報率低于方案二，平均年收益率低于方案一，但卻能較好地實現能耗與供能的出入平衡，既不會產生額外的電力輸送費用，也不需要考慮引入其他能源。同時，使用方案三的投資回收周期也在可接受范圍。

3 光伏技術在公路工程中應用的建議

為了加強光伏技術在廣西高速公路領域的推廣、應用，本文提出以下建議以供參考：

（1）健全商業運營模式。制定高速公路光伏發電項目開發建設運營管理辦法，統籌高速公路光伏項目的開發、建設、運營、產業鏈協調管理，建立以市場化競爭配置為主的項目開發管理機制。支持引入有實力的第三方新能源企業打包式、跨行業承接高速公路領域光伏建設項目，平衡項目收益，確保典型應用場景和示范型項目高起點開發、高標準建成。同時，鼓勵高速公路業主以自建自營模式、合同能源管理模式、專業電站運營商和高速公路運營業主聯合持有+EPC等模式，推動各類投資主體積極參與光伏開發建設運營。

（2）制定建設標準規范。按照“融合發展、宜建盡建”原則，及時修訂完善高速公路相關產品標準和工程建設規范，研究制定高速公路建設工程光伏配建規范，明確高速公路房建、服務區、隧道工程的光伏應用和配建要求。形成統一的標準規范體系，推動光伏應用在高速公路領域的實際操作落地。

（3）強化頂層設計，綜合政策引導，新建高速公路應建盡建。充分發揮廣西高速公路建設高峰期的優勢，按照“同步實施、能建盡建”原則，出臺措施鼓勵新建交通工程項目同步配套光伏發電設施應用，在項目方案設計中明確考慮光伏建設。

（4）加快推進運營高速公路光伏應用的改建。按照“因地制宜、能改盡改”原則，結合運營高速公路設施運營改造專項工程，積極推進在用高速公路樞紐、收費站、服務區、隧道口進行光伏應用改造。鼓勵引進商業運作模式，加快提升高速公路建筑屋頂光伏覆蓋率。

（5）搭建高速公路光伏在線監測平臺。搭建廣西高速公路光伏信息化監測平臺，完善高速公路領域光伏應用統計查詢功能，統籌管理行業內光伏應用項目信息，實現項目運行狀態在線監測，實時掌握高速公路領域光伏應用項目進展情況。落實行業管理部門對光伏運行的監管要求，為制定行業發展規劃、開展綜合評估等提供支撐。

（6）完善考核評估機制。加強對高速公路光伏推廣應用情況跟蹤，建立定期報告制度，全面掌握發展情況。及時開展試點示范項目的總結評估，形成推廣應用經驗和商業推廣模式，吸引市場主體主動參與。夯實各高速公路業主的管理責任，推進廣西落實高速公路光伏建設要求，提高發展光伏在高速公路業主評優推先中的權重。

（7）強化安全管理機制。聚焦高速公路光伏項目開發、建設、運營等不同階段，按照事前風險評估、事中安全管理、事后及時響應的原則，對高速公路不同類別、形態的光伏融合項目進行全生命周期安全管理。充分結合現有分布式光伏電站的運行管理工作實際，各相關管理部門聯合建立規范和有效的管理機制、安全防護機制，保證光伏發電系統安全、經濟、高效運行。

4 結語

太陽能是一種可再生無污染的清潔高效能源，通過光伏的普及，太陽能發電技術將越來越多的應用于交通運輸行業，使得公路交通基礎設施的產能與耗能達到動態平衡，大大降低公路交通行業的用能成本，具備極高的社會效益與環保價值。本文通過對光伏技術在公路交通基礎設施中的應用效益進行分析，獲得了以下結論：

（1）影響公路交通設施中光伏發電站建設成本的因素主要有：儲能成本、用地成本、輸配電距離、自用消納比。在規劃光伏建設時，應充分考慮建設地的能源需求，因地制宜，保持耗能系統與供電系統達到平衡。

（2）采用白天發電總量與隧道全天用電量相等的方式進行公路光伏站設計，能獲得最佳的能源供給平衡，以及較短的投資回收周期。

（3）為營造光伏在高速公路領域發展應用的良好環境，需進一步完善現有政策、機制，研究制定相關標準、規范，探索形成示范推廣的商業模式，激發市場主體活力，推進交通能源清潔低碳轉型。

參考文獻

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作者簡介：胡華平（1975—），博士，高級工程師，主要從事水運規劃、建設管理，水路運輸管理，航道維護與管理、船舶檢驗、北部灣（廣西）經濟區相關管理、西部陸海新通道（平陸運河）建設工作。