分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路中的應用

摘要：分布式光伏發(fā)電技術具有清潔、高效和靈活部署的特點，能夠充分利用電氣化鐵路沿線的閑置土地和車站屋頂，實現(xiàn)清潔能源的本地化生產(chǎn)與消納，降低鐵路運輸?shù)奶甲阚E。目前，分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路中的應用主要有3種模式，即“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式、全額上網(wǎng)模式和“高鐵+光伏”模式。結合分布式光伏發(fā)電技術在鐵路行業(yè)的應用現(xiàn)狀，分析分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路中的應用模式，指出每種模式在實施過程中面臨的挑戰(zhàn)并提出相應對策，以更好地將分布式光伏發(fā)電技術應用于電氣化鐵路沿線，助力碳達峰碳中和。

關鍵詞：分布式光伏發(fā)電；電氣化鐵路；綠色低碳轉型；能源管理

中圖分類號：U223；TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0085-03

Application of Distributed Photovoltaic Power Generation Technology in Electrified Railways

CHU Yanting

（Hunan Vocational College of Railway Technology， Zhuzhou 412000， China）

Abstract： Distributed photovoltaic power generation technology has the characteristics of cleanliness， efficiency， and flexible deployment， which can fully utilize idle land and station roofs along electrified railways， achieve localized production and consumption of clean energy， and reduce the carbon footprint of railway transportation. At present， there are three main modes of application of distributed photovoltaic power generation technology in electrified railways， namely the “self use， surplus electricity grid connection” mode， the full grid connection mode， and the “high-speed rail + photovoltaic” mode. Based on the current application status of distributed photovoltaic power generation technology in the railway industry， the application modes of distributed photovoltaic power generation technology are analyzed in electrified railways， the challenges faced by each mode are pointed out in the implementation process， and the corresponding countermeasures are proposed to better apply distributed photovoltaic power generation technology along electrified railways and help achieve carbon peak and carbon neutrality.

Keywords： distributed photovoltaic power generation; electrified railway; green and low-carbon transformation; energy management

隨著全球氣候變化問題的日益加劇，資源與環(huán)境壓力逐漸成為全球共同面對的挑戰(zhàn)之一。中國經(jīng)濟的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)高耗能、高排放的增長模式難以為繼，為應對這一嚴峻形勢，中國于2020年9月22日提出碳達峰碳中和目標，明確二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，并努力在2060年前實現(xiàn)碳中和。鐵路運輸行業(yè)作為中國交通運輸體系的重要組成部分，以其低碳高效的特點在節(jié)能減排中發(fā)揮重要作用。然而，隨著鐵路系統(tǒng)的持續(xù)擴張，其碳排放量逐年上升，從2015年的38 510萬t增加至2022年的40 434萬t，如果不采取積極的減碳措施，預計到2037年鐵路行業(yè)的碳排放量將高達193 737萬t[1]。分布式光伏發(fā)電技術是一種清潔、高效的能源利用方式，在此背景下，分析分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路中的不同應用模式，充分利用沿線土地和車站屋頂?shù)乳e置資源，實現(xiàn)光伏發(fā)電的本地化應用，降低鐵路運輸?shù)奶甲阚E，為推動鐵路行業(yè)綠色轉型和實現(xiàn)碳達峰碳中和提供有力支持[2]。

1 分布式光伏發(fā)電技術在鐵路行業(yè)的應用現(xiàn)狀

近年來，隨著我國碳達峰碳中和的推進，分布式光伏發(fā)電技術在多個領域得到廣泛應用，作為能源消耗大戶，鐵路行業(yè)也不例外。分布式光伏發(fā)電技術具有綠色環(huán)保、靈活部署的特點，能夠利用鐵路沿線的閑置土地、站房屋頂?shù)瓤臻g，通過多種模式為鐵路系統(tǒng)提供清潔能源支持。我國多個高鐵站房已應用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，如武漢站、雄安站等。這些項目主要采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式。這種模式對鐵路站房電網(wǎng)的穩(wěn)定性和消納能力提出較高要求，但鐵路用電價格高于光伏發(fā)電的標桿電價，因而能夠實現(xiàn)較好的經(jīng)濟效益。除此之外，大規(guī)模的光伏發(fā)電設施可以沿鐵路線路部署，通過全額上網(wǎng)方式進一步提升發(fā)電收益。

濟青高速鐵路是我國首個采用“高鐵+光伏”模式的項目，結合站房和沿線的光伏發(fā)電設施，不僅滿足鐵路運營過程的部分能源需求，還實現(xiàn)顯著的碳減排和經(jīng)濟效益。類似的光伏項目還在雄安站等地實施，為鐵路行業(yè)的低碳轉型提供新的發(fā)展路徑。此外，隨著我國碳市場的不斷發(fā)展，鐵路光伏發(fā)電項目通過碳減排量交易，有望帶來潛在的經(jīng)濟回報。結合綠色電力證書制度，鐵路沿線光伏發(fā)電項目可以選擇通過出售綠電或碳資產(chǎn)獲利。

2 分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路中的應用模式

2.1 “自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式

在“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式下，光伏優(yōu)先將產(chǎn)生的電力用于滿足鐵路相關設施的用電需求。當光伏發(fā)電量超過實際需求時，剩余電力將接入公共電網(wǎng)并出售，實現(xiàn)多余電能的有效利用。大型高鐵車站用電需求較大，如北京南站、徐州東站、南京南站和上海虹橋站等，“自發(fā)自用”部分的效益顯著。這些車站通過光伏發(fā)電減少大規(guī)模的購電支出。

京滬高鐵沿線車站的光伏發(fā)電項目在25年內累計減少購電成本約18.97億元，展現(xiàn)巨大的經(jīng)濟效益。德州東站的光伏發(fā)電項目25年內上網(wǎng)售電收入超過2 000萬元，天津南站和滁州站的售電收入也超過1 500萬元。京滬高鐵沿線24個高鐵車站的光伏發(fā)電項目在25年內共獲得1.76億元的上網(wǎng)售電收入。此模式帶來顯著的碳減排效果，25年內實現(xiàn)167萬t的碳減排，總收入為0.4億元[3]。

2.2 全額上網(wǎng)模式

在全額上網(wǎng)模式下，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能全部接入公共電網(wǎng)，不直接供給鐵路系統(tǒng)自用。該模式適用于鐵路沿線具有充足光照、發(fā)電量較大但自用電需求不足的區(qū)域，如站房、站臺雨棚、鐵路停車場、路基邊坡、場坪邊坡和橋梁下方等。全額上網(wǎng)模式在這些區(qū)域的應用能夠盤活鐵路沿線土地資源，大規(guī)模利用清潔能源，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與社會效益的雙贏。以萊榮高速鐵路、濰煙高速鐵路和濟鄭高速鐵路為例，百千米鐵路可建設約裝機規(guī)模17.0 MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，年發(fā)電量可達1 996萬kW·h[4]。如果全部接入公共電網(wǎng)，百千米每年可減少碳排放量1.9萬t，為地方電網(wǎng)提供大量清潔電力。

2.3 “高鐵+光伏”模式

“高鐵+光伏”模式是將分布式光伏發(fā)電技術與高速鐵路的基礎設施和土地資源相結合的一種創(chuàng)新型發(fā)電模式。該模式充分利用高鐵站房雨棚、沿線護坡和預留地等閑置空間，安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)，提供清潔能源供電[5]。濟青高速鐵路作為我國第一條地方為主投資的高速鐵路，全長為307.9 km，在建設過程中，創(chuàng)造性地提出“高鐵+光伏”模式。一是站房雨棚光伏發(fā)電項目，主要在車站的雨棚上安裝，總裝機容量為10 MW；二是沿線線下光伏發(fā)電項目，充分利用護坡和閑置空間，裝機容量達到34 MW。整個項目建成后，年均發(fā)電量可達4 500萬kW·h，可為8.8萬人全年提供清潔能源，顯著減少碳排放。

3 不同應用模式面臨的挑戰(zhàn)與對策

3.1 “自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式

在“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式下，最大挑戰(zhàn)在于光伏發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性。這種波動性可能導致鐵路站房電網(wǎng)的負荷不平衡，影響供電的穩(wěn)定性。此外，鐵路站房的用電需求與光伏發(fā)電的供給可能存在時間錯配，尤其在夜間或陰雨天，光伏發(fā)電無法滿足需求，需要依賴外部電網(wǎng)供電。同時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資較高，包括設備采購、安裝和調試等費用，回收周期較長，可能影響投資者的積極性。

針對上述挑戰(zhàn)，首先可以引入智能能源管理系統(tǒng)，實時監(jiān)控和預測光伏發(fā)電量和用電需求，優(yōu)化用電策略，平衡供需關系。其次，配置儲能設備，如電池儲能系統(tǒng)，將多余的光伏電能存儲起來，在用電高峰或光照不足時釋放，提升供電的穩(wěn)定性。再次，爭取政策支持，如補貼和稅收優(yōu)惠，降低初始投資成本，縮短回收周期。最后，在技術方面，可以采用高效的光伏組件和逆變器，提高發(fā)電效率，降低單位成本。

3.2 全額上網(wǎng)模式

在全額上網(wǎng)模式下，光伏發(fā)電全部接入公共電網(wǎng)而不直接供電給鐵路系統(tǒng)，這面臨上網(wǎng)電價的不確定性和政策風險。隨著光伏上網(wǎng)電價逐步降低，投資回報率可能受到影響。同時，大規(guī)模光伏發(fā)電接入電網(wǎng)可能導致電網(wǎng)消納能力不足，出現(xiàn)“棄光”現(xiàn)象，進而影響發(fā)電收益。土地資源獲取也面臨挑戰(zhàn)，鐵路沿線適合建設光伏電站的土地可能有限，或者受到土地使用權和環(huán)保法規(guī)的限制。

首先，要與電網(wǎng)企業(yè)簽訂長期電力購銷協(xié)議，鎖定上網(wǎng)電價，減少市場波動的風險。其次，參與綠色電力證書交易和碳交易市場，增加額外收益。再次，采用分布式布局，避免集中并網(wǎng)，減輕電網(wǎng)消納壓力。政策層面，獲得土地使用優(yōu)惠和環(huán)保審批便利。最后，探索“光伏+農(nóng)業(yè)”或“光伏+生態(tài)修復”等綜合利用模式，提高土地綜合效益，滿足環(huán)保要求。

3.3 “高鐵+光伏”模式

“高鐵+光伏”模式在實施過程中面臨高安全性要求和技術標準缺失的挑戰(zhàn)。高鐵運行速度快，對沿線設施的安全性要求極高，光伏組件的安裝必須確保不影響高鐵的運營安全。目前缺乏針對高鐵與光伏系統(tǒng)結合的技術規(guī)范和標準，增加設計和施工的難度。施工和維護也面臨困難，高鐵沿線環(huán)境復雜，施工需要避免干擾高鐵運行，維護需要考慮安全和效率。投資巨大，回收周期長，資金壓力較大，多方協(xié)調和利益分配也較為復雜。

需要制定專門的技術標準和規(guī)范，明確光伏系統(tǒng)在高鐵環(huán)境中的設計、施工和維護要求，確保項目安全可靠。施工方面，采用預制化、裝配式技術，減少現(xiàn)場作業(yè)時間，降低對高鐵運營的影響。維護方面，可引入智能監(jiān)測和無人機巡檢技術，提升效率和安全性。資金方面，爭取政策支持與補貼，并通過多元化融資方式引入社會資本，緩解資金壓力。

4 結論

分布式光伏發(fā)電技術在電氣化鐵路沿線的應用，既是響應國家碳達峰碳中和的迫切要求，也是推動鐵路行業(yè)綠色低碳轉型的有效途徑。目前，在電氣化鐵路中，分布式光伏發(fā)電技術主要有3種應用模式。光伏發(fā)電具有間歇性和不穩(wěn)定性，“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式初始投資成本高，并網(wǎng)難。可引入智能能源管理系統(tǒng)，配置儲能設備，爭取政策支持。全額上網(wǎng)模式下，電價存在不確定性，電網(wǎng)消納能力受到限制，土地資源利用問題突出。可簽訂長期購電協(xié)議，參與綠色電力證書交易，合理布局光伏電站。“高鐵+光伏”模式安全性要求高，技術標準缺失，資金壓力大。可制定專門的技術標準，采用裝配式施工技術，引入多元化融資方式。總體來說，要因地制宜，科學施策，合理地將分布式光伏發(fā)電技術應用在電氣化鐵路沿線，促進鐵路行業(yè)綠色低碳轉型，為碳達峰碳中和貢獻力量。

參考文獻

1 陶 然，高子淇，龍非凡，等.“雙碳”背景下鐵路行業(yè)碳排放量預測與交易研究[J].鐵道經(jīng)濟研究，2024（4）：46-54.

2 楊弘毅.鐵路行業(yè)參與碳市場的潛力分析[J].鐵道建筑，2024（9）：1-8.

3 張 蜇，閆姝蓉，賈利民.考慮碳交易的高鐵車站光伏發(fā)電潛力分析[J].太陽能，2023（8）：20-28.

4 鮑英豪.鐵路沿線建設分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可行性研究[J].太陽能，2024（3）：5-13.

5 艾國樂，郝小禮，劉仙萍，等.高速鐵路上空安裝光伏系統(tǒng)的節(jié)能潛力研究[J].太陽能學報，2023（2）：409-417.