高速公路光伏發(fā)電

王宏民

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

過(guò)去三十年，是我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展波瀾壯闊的三十年，不僅實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高速公路從無(wú)到有的跨越式發(fā)展，而且鑄就了四通八達(dá)的國(guó)省道運(yùn)輸大動(dòng)脈，建設(shè)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(yùn)營(yíng)5 000 多公里，公路網(wǎng)絡(luò)頗具規(guī)模，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，但隨著運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，運(yùn)營(yíng)成本也在逐年上升，作為固定支出的電費(fèi)消耗每年約2.7 億元，已經(jīng)成為企業(yè)生存和發(fā)展的巨大負(fù)擔(dān)。

2 產(chǎn)業(yè)背景

2.1 高速公路產(chǎn)業(yè)背景

a）高速公路主要用電負(fù)荷區(qū)域分別為隧道、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)，其中隧道用電負(fù)荷最大，其次為服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站。山西省高速公路年總用電量約為4.2億 kW·h，電網(wǎng)購(gòu)電的平均電價(jià)為 0.65 元/kW·h，年電費(fèi)約2.7 億元。

b）高速公路擁有大量的服務(wù)區(qū)（停車區(qū)）、收費(fèi)站、互通區(qū)域、路基邊坡等可利用的土地資源，產(chǎn)權(quán)歸屬高速公司，但實(shí)際發(fā)揮的效能很小，多數(shù)處于閑置狀態(tài)，可用于開發(fā)建設(shè)必要的發(fā)電設(shè)施。

2.2 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)背景

a）國(guó)家十九大提出要推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，支撐我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，大力發(fā)展可再生能源，是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段，截至2018 年底，中國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到7.28 億kW，光伏發(fā)電裝機(jī)1.74 億kW，清潔、循環(huán)、綠色、低碳的能源技術(shù)體系正在逐漸形成。

2013 年—2018 年5 月國(guó)家通過(guò)政策扶持和資金補(bǔ)貼的方式大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，特別是2016—2017 兩年更是進(jìn)入了黃金發(fā)展期。2013 年8月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于發(fā)揮價(jià)格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》（發(fā)改價(jià)格〔2013〕1638號(hào)），明確分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目的補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42 元/kW·h（含稅）。

但是隨著光伏技術(shù)和產(chǎn)業(yè)設(shè)備逐漸成熟，生產(chǎn)和安裝成本逐漸降低，國(guó)家政策支持和補(bǔ)貼也在逐步弱化。特別是2018 年531 新政后國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電的補(bǔ)貼呈下降趨勢(shì)，市場(chǎng)進(jìn)入停滯和觀望期；2019年1 月10 日國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局就聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)風(fēng)電、光伏發(fā)電無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》，提出開展平價(jià)上網(wǎng)項(xiàng)目和低價(jià)上網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè), 同時(shí)完善需國(guó)家補(bǔ)貼的項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)配置機(jī)制，減少行業(yè)發(fā)展對(duì)國(guó)家補(bǔ)貼的依賴。根據(jù)國(guó)家能源局2019 年5 月30 日發(fā)布的《2019 年光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)工作方案》，除光伏扶貧、戶用光伏外，其余需要國(guó)家補(bǔ)貼的光伏發(fā)電項(xiàng)目原則上均須采取招標(biāo)等競(jìng)爭(zhēng)性配置方式，業(yè)內(nèi)分析今后發(fā)展趨勢(shì)是取消補(bǔ)貼，平價(jià)上網(wǎng)。

b）交通運(yùn)輸部發(fā)布的交通運(yùn)輸節(jié)能環(huán)保“十三五”發(fā)展規(guī)劃，提出要把綠色發(fā)展理念融入交通運(yùn)輸發(fā)展的各方面和全過(guò)程，突出理念創(chuàng)新、科技創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和體制機(jī)制創(chuàng)新，有效發(fā)揮政府引導(dǎo)作用，充分發(fā)揮企業(yè)主體作用，繼續(xù)推進(jìn)交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升交通運(yùn)輸裝備能效水平，優(yōu)化交通運(yùn)輸能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，深化節(jié)能降碳制度創(chuàng)新與技術(shù)應(yīng)用。推進(jìn)資源節(jié)約集約利用，加強(qiáng)資源綜合循環(huán)利用，強(qiáng)化行業(yè)節(jié)能環(huán)保管理，加快建成綠色交通運(yùn)輸體系。

c）山西省作為全國(guó)重要的綜合能源基地，在全國(guó)能源發(fā)展格局中具有重要的戰(zhàn)略地位，被國(guó)家定為開展能源革命綜合改革試點(diǎn)區(qū)，強(qiáng)調(diào)在推動(dòng)能源生產(chǎn)消費(fèi)革命保障能源安全、構(gòu)建清潔低碳用能模式、推進(jìn)能源科技創(chuàng)新等方面加快改革，優(yōu)化能源產(chǎn)業(yè)布局，開拓產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yáng)能資源，“十三五”新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確指出大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電。

d）2019 年 9 月 19 日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，要求各地區(qū)各部門結(jié)合實(shí)際認(rèn)真貫徹落實(shí)。建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)是以習(xí)近平同志為核心的黨中央立足國(guó)情、著眼全局、面向未來(lái)作出的重大決策，是新時(shí)代做好交通工作的總抓手?！督ㄔO(shè)綱要》作為建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)的頂層設(shè)計(jì)和系統(tǒng)謀劃，掀開了新時(shí)代交通運(yùn)輸工作的新篇章。

《建設(shè)綱要》中關(guān)于交通和能源的論述有如下內(nèi)容：

（a）推廣新能源、清潔能源、智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備。

（b）鼓勵(lì)引導(dǎo)綠色公交出行，倡導(dǎo)綠色低碳出行理念。

（c）強(qiáng)化前沿關(guān)鍵科技研發(fā)。瞄準(zhǔn)新一代信息技術(shù)、人工智能、智能制造、新材料、新能源等世界科技前沿，加強(qiáng)對(duì)可能引發(fā)交通產(chǎn)業(yè)變革的前瞻性、顛覆性技術(shù)研究。

（d）強(qiáng)化節(jié)能減排和污染防治。優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)，推進(jìn)新能源、清潔能源應(yīng)用，促進(jìn)公路貨運(yùn)節(jié)能減排，推動(dòng)城市公共交通工具和城市物流配送車輛全部實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化、新能源化和清潔化。

《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》由中共中央和國(guó)務(wù)院印發(fā)，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(guò)結(jié)合光伏發(fā)電與交通設(shè)施，節(jié)能減排，降低成本，在中央領(lǐng)導(dǎo)高層，對(duì)新能源、清潔能源的認(rèn)識(shí)是深刻的，對(duì)光伏發(fā)電充分認(rèn)可。

e）國(guó)內(nèi)高速公路光伏發(fā)電取得的成功經(jīng)驗(yàn)。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研的情況，國(guó)內(nèi)安徽省、山東省、江蘇省、江西省等都依托高速公路路網(wǎng)資源成立了新能源公司，建設(shè)了分布式光伏電站且成功并網(wǎng)發(fā)電，如：安徽交控路網(wǎng)新能源有限公司和山東交通新能源科技有限公司，目前運(yùn)行均比較成功。

3 發(fā)展思路

建設(shè)光儲(chǔ)充一體化新能源微電網(wǎng)，光伏發(fā)電+谷價(jià)儲(chǔ)能+充電樁放電，面向未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、高速公路電網(wǎng)建設(shè)和多樣化負(fù)荷需求發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源的開發(fā)、利用、深度消納。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的廣泛接入，電動(dòng)汽車的有序智能充放電，是高速公路能源結(jié)構(gòu)的新趨勢(shì)。

3.1 建設(shè)分布式光伏電站，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，降本增效

立足本省高速公路路網(wǎng)資源，充分發(fā)揮可利用土地資源，開發(fā)太陽(yáng)能光伏發(fā)電，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)。通過(guò)在服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、互通匝道圈和隧道進(jìn)出口隔離帶布設(shè)光伏電站，實(shí)現(xiàn)以上公路設(shè)施白天用電的自給自足，降低公路用電成本，同時(shí)多余電量并網(wǎng)售電盈利，達(dá)到降本增效的目的。

3.2 儲(chǔ)電系統(tǒng)建設(shè)、經(jīng)營(yíng)和管理

高速公路服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站場(chǎng)區(qū)等白天用電量小，通過(guò)建設(shè)儲(chǔ)能電站對(duì)光伏發(fā)電及谷價(jià)電進(jìn)行存儲(chǔ)，用于夜晚用電高峰期的使用，利用國(guó)網(wǎng)電力的峰谷電價(jià)差削峰填谷，降低用電成本。

3.3 發(fā)展收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)充電服務(wù)，路內(nèi)路外雙向開發(fā)

依托微電網(wǎng)，利用收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)的車流優(yōu)勢(shì)及多樣化負(fù)荷需求，發(fā)展充電服務(wù)實(shí)現(xiàn)電能的消納和盈利。在國(guó)家能源政策的引導(dǎo)和推動(dòng)下，新能源電動(dòng)汽車越來(lái)越多，小客車數(shù)量爆發(fā)式增長(zhǎng)，貨運(yùn)車數(shù)量也在逐年增加，而配套的充電服務(wù)卻發(fā)展滯后，城市和高速公路的充電樁站點(diǎn)少、樁位少，電動(dòng)汽車充電基本是排隊(duì)狀態(tài)，特別是節(jié)假日出行高峰期，路網(wǎng)內(nèi)外充電樁均供不應(yīng)求，不僅制約了電動(dòng)汽車的發(fā)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(fèi)站和服務(wù)區(qū)基本都建在城鎮(zhèn)周邊，且密度較高，利用收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)地理位置的優(yōu)勢(shì)，以及互通匝道圈和服務(wù)區(qū)的空地資源，建設(shè)配套的光伏電站、儲(chǔ)能裝置和充電樁，路網(wǎng)內(nèi)服務(wù)于高速路上的車輛，路網(wǎng)外服務(wù)于收費(fèi)站附近的社會(huì)車輛，逐漸引導(dǎo)車主形成“有空即充電”的用車習(xí)慣，保持車輛經(jīng)常性處于飽電狀態(tài)，提高出行距離，節(jié)約充電時(shí)間，增加盈利點(diǎn)。

4 高速公路光伏發(fā)電運(yùn)行模式

4.1 分布式光伏電站的建設(shè)

光伏電站裝機(jī)建設(shè)模式可采用招投標(biāo)方式進(jìn)行，選擇有實(shí)力的企業(yè)采購(gòu)、施工、調(diào)試，確保工程質(zhì)量。國(guó)內(nèi)已有多家專業(yè)化光伏技術(shù)公司，如陽(yáng)光電源、華為等公司，產(chǎn)品和技術(shù)力量都是有保障的。

光伏發(fā)電站的裝機(jī)位置在服務(wù)區(qū)和收費(fèi)站的屋頂、車棚、場(chǎng)區(qū)空地以及收費(fèi)站匝道圈內(nèi)，屋頂和車棚采用滿鋪的方式，空地上采用基礎(chǔ)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(jī)組寬度布置。

圖1 光伏并網(wǎng)計(jì)量柜

圖2 光伏車棚和逆變器

圖3 服務(wù)區(qū)空地光伏板

圖4 收費(fèi)站光伏機(jī)組和逆變器

圖5 收費(fèi)站匝道圈大規(guī)模光伏機(jī)組（間距：1.5 倍機(jī)組寬度）

4.2 分布式光伏電站的運(yùn)行

光伏電站投產(chǎn)后的日常運(yùn)行對(duì)人員需求很少，主要通過(guò)“智慧光伏運(yùn)營(yíng)管理中心”的監(jiān)控系統(tǒng)和手機(jī)APP 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)，不需要專門人工值守，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題手機(jī)報(bào)警，通過(guò)高速路的工作人員和專門的運(yùn)維部門幫助解決，極大地節(jié)省了人力成本。

（2）對(duì)河道內(nèi)設(shè)有輸電線路桿塔的州河、武河、北運(yùn)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(jì)算河道水位、流速。分析輸電線路建設(shè)先后水位和流速的變化情況及沖刷情況。

電費(fèi)結(jié)算方式：光伏電站通過(guò)與用電單位（高速服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站或隧道）和國(guó)網(wǎng)電力簽訂售電合同，在月底時(shí)三方根據(jù)電表讀數(shù)及合同結(jié)算電費(fèi)即可。

圖6 智慧光伏運(yùn)營(yíng)管理中心

4.3 分布式光伏電站的維護(hù)

日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)通過(guò)合同的形式委托給高速公路現(xiàn)有的機(jī)電單位進(jìn)行，充分利用現(xiàn)有公路服務(wù)資源，既發(fā)揮了高速公路機(jī)電單位點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，又極大地節(jié)省了人力成本。

5 分布式光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益分析

利用高速公路綜合服務(wù)區(qū)（停車區(qū)）、收費(fèi)站、互通匝道圈、路基邊坡及隧道進(jìn)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(shí)現(xiàn)自發(fā)自用，余量上網(wǎng)。鑒于國(guó)家光伏發(fā)電政策趨勢(shì)是推行無(wú)補(bǔ)貼平價(jià)上網(wǎng)，故以下經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算不再考慮資金補(bǔ)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(zhǎng) 875 km（4 581 座），隧道 980 km（714 座），路基長(zhǎng)度 3 220 km；共設(shè)互通365 處，服務(wù)區(qū)（停車區(qū)）124 對(duì)，收費(fèi)站共 310 處。

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

b）收費(fèi)站共310 處，每處收費(fèi)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(qū)域共有互通365 處，每處互通區(qū)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(zhǎng)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(jìn)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(wù)區(qū)（停車區(qū)）、收費(fèi)站、互通區(qū)域、路基邊坡及隧道進(jìn)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(jì)算

按照目前市場(chǎng)價(jià)，光伏發(fā)電每瓦裝機(jī)費(fèi)用（含材料、人工等費(fèi)用，達(dá)到發(fā)電狀態(tài)）為5.0 元，每平米可裝機(jī)100 W，山西省光伏電站年有效利用小時(shí)數(shù)按1 340.83 h 取值，每瓦年發(fā)電量為1 W×1340.83 h=1.341 kW·h。

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

表1 光伏電站發(fā)電量速查表

a）計(jì)入服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站、互通區(qū)域、隧道進(jìn)出口和路基邊坡的土地總面積共71 288 畝，折合4 748萬(wàn)km2，光伏機(jī)組安裝面積按照1.5 倍間距折算后為4748/2.5=1899 萬(wàn) km2。

總裝機(jī)容量 1899×10000×100 W=1899 MW，年發(fā)電量 1899×0.01×1.341=25.47 億 kW·h。

表2 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

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

總裝機(jī)容量 441×10000×100 W=441 MW，年發(fā)電量 441×0.01×1.341=5.91 億 kW·h。

表3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算（受“公路法”規(guī)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(yōu)點(diǎn)是光伏發(fā)電站屬于重型資產(chǎn)，雖然投資大，但收益期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，高速公路土地資源也具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的特點(diǎn)，高速電能消耗也呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，兩者都具有長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性，故比較適合疊加發(fā)展，互相依存，相互補(bǔ)充，共同發(fā)展。

6 高速公路運(yùn)營(yíng)新理念

傳統(tǒng)高速公路運(yùn)營(yíng)模式一直是建設(shè)—收費(fèi)—維護(hù)，除了通行費(fèi)基本沒(méi)有其他收入來(lái)源，隨著高速路網(wǎng)規(guī)模越來(lái)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(rùn)空間越來(lái)越低，受制于路網(wǎng)規(guī)劃制約運(yùn)營(yíng)收費(fèi)額基本不可變，那就只能開源增效，節(jié)流降本。

公路建設(shè)是發(fā)展，運(yùn)營(yíng)也是發(fā)展，而且是可持續(xù)發(fā)展，在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排和綠色環(huán)保的大背景下，為了適應(yīng)交通發(fā)展新趨勢(shì)和解決運(yùn)營(yíng)中存在的問(wèn)題，筆者提出了“能源轉(zhuǎn)型、降本增效、開放經(jīng)營(yíng)”三個(gè)運(yùn)營(yíng)新理念，促進(jìn)公路交通事業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。

6.1 能源轉(zhuǎn)型

高速公路通過(guò)煤改電、煤改氣等措施用清潔電氣能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重污染煤炭，減少二氧化碳排放，降低對(duì)環(huán)境的污染，保護(hù)了自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)公路運(yùn)營(yíng)向資源節(jié)約型、環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變。

6.2 降本增效

依托高速公路可利用土地資源，建設(shè)分布式光伏發(fā)電站，自發(fā)自用，余量上網(wǎng)，為服務(wù)區(qū)、收費(fèi)站提供日常用電，為隧道提供照明用電，通過(guò)降低用電單價(jià)節(jié)約用電成本，余量并網(wǎng)售電盈利，實(shí)現(xiàn)高速公路運(yùn)營(yíng)的降本增效。

6.3 開放經(jīng)營(yíng)

在國(guó)家能源政策的引導(dǎo)和推動(dòng)下，新能源電動(dòng)汽車越來(lái)越多，并且逐漸由輕型客車向重型貨車擴(kuò)展，通過(guò)光伏發(fā)電+谷價(jià)儲(chǔ)能+充電樁放電的經(jīng)營(yíng)模式，利用收費(fèi)站和服務(wù)區(qū)的車流優(yōu)勢(shì)，為汽車提供充電服務(wù)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電量的利用、消納和盈利。利用收費(fèi)站在城鎮(zhèn)周邊的地理位置優(yōu)勢(shì)，路網(wǎng)內(nèi)服務(wù)于高速路上的車輛，路網(wǎng)外服務(wù)于收費(fèi)站附近的社會(huì)車輛，通過(guò)開放經(jīng)營(yíng)實(shí)現(xiàn)開源增效。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，依托高速公路可利用土地資源，發(fā)展分布式光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，不僅可以使高速公路降本增效，而且順應(yīng)國(guó)家能源政策的發(fā)展趨勢(shì)。依靠能源轉(zhuǎn)型、降本增效、開放經(jīng)營(yíng)三個(gè)運(yùn)營(yíng)新理念，可有效促進(jìn)公路交通事業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。