太陽能光伏發(fā)電在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

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(fā)電系統(tǒng)的工作原理及我國高速公路光伏發(fā)電常采用的三種技術(shù)模式；然后，根據(jù)歐盟委員會101標(biāo)準(zhǔn)，分析了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在高速公路路面、高速公路服務(wù)區(qū)、高速公路隧道進(jìn)出口及高速公路邊坡中的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)果表明一般光伏發(fā)電系統(tǒng)在上述應(yīng)用中一次性建設(shè)投資在2～3年即可收回；最后，文章闡述了在高速公路領(lǐng)域推廣太陽能光伏發(fā)電面臨的技術(shù)、政策以及市場挑戰(zhàn)，并對其挑戰(zhàn)提出了展望和建議。文章可以為高速公路加快實現(xiàn)綠色化和智能化提供理論支撐。

關(guān)鍵詞 太陽能光伏發(fā)電；高速公路；太陽能技術(shù)

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

0 引言

近年來，高速公路網(wǎng)中大規(guī)模機電設(shè)施和智能道路的建設(shè)，在提高運行安全水平的同時，也產(chǎn)生了巨大的能源需求，公路運輸業(yè)已成為僅次于工業(yè)和建筑的重點耗能行業(yè)之一。太陽能以其節(jié)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(guān)注。在此背景下，研究太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用與挑戰(zhàn)，對高速公路加快實現(xiàn)綠色化和智能化具有重要意義。

1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的原理

光伏發(fā)電是利用光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電方式，其核心技術(shù)是通過半導(dǎo)體材料的太陽能電池捕獲太陽輻射，并將其轉(zhuǎn)化為可利用的電能。如圖1所示，到達(dá)半導(dǎo)體外層的太陽輻射部分會被反射，而其余部分則會進(jìn)入半導(dǎo)體內(nèi)部，被半導(dǎo)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(zhuǎn)化為熱能，另一部分則會轉(zhuǎn)化為電子空穴對。在電子空穴對形成后，它們會在半導(dǎo)體PN結(jié)的作用下分離，并引導(dǎo)至電池的兩端，從而形成電流，實現(xiàn)電能的收集和輸出。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)的核心部件，它將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能；儲能電池則用于儲存電能，以便在需要時供應(yīng)負(fù)載使用；控制器則用于控制整個系統(tǒng)的運行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；逆變器則將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以供電網(wǎng)使用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和不斷改進(jìn)，光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，其性能和穩(wěn)定性得到了大幅度提升。目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅具有高效、環(huán)保、可持續(xù)等優(yōu)點，而且還具有很高的安全性，可以在各種惡劣環(huán)境下運行。

圖1 光電效應(yīng)示意圖

2 太陽能光伏發(fā)電在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用

根據(jù)太陽能路面建設(shè)規(guī)劃，我國高速公路光伏發(fā)電常采用三種技術(shù)模式：管理和服務(wù)設(shè)施的區(qū)域性太陽能利用技術(shù)、高速公路隧道出入口能量集中點的太陽能光伏走廊技術(shù)和基于光伏發(fā)電的太陽能路面技術(shù)。

區(qū)域性太陽能利用技術(shù)作為一種對環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的能源解決方案，正逐步在我國高速公路沿線設(shè)施中得到廣泛應(yīng)用。其中包括高速公路服務(wù)區(qū)、收費站、停車場、管理中心以及大型填方邊坡等關(guān)鍵區(qū)域，如圖3和圖4所示。通過在這些區(qū)域部署太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以滿足這些管理和服務(wù)設(shè)施的能源需求，還能有效減少對傳統(tǒng)化石能源的依賴，降低碳排放，助力我國實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略。此外，區(qū)域性太陽能利用技術(shù)還可以與智能電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，形成一個高效、穩(wěn)定、可靠的能源供應(yīng)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(wù)設(shè)施提供了更加可靠、經(jīng)濟(jì)的能源保障，可以進(jìn)一步促進(jìn)我國高速公路事業(yè)的健康發(fā)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(shù)在我國高速公路隧道出入口的能量集中點得到了廣泛應(yīng)用。如圖5所示，首先，該技術(shù)在為隧道內(nèi)設(shè)備提供清潔能源供電的同時滿足隧道內(nèi)電力需求，并將多余的電力并入電網(wǎng)，提高了能源利用效率。其次，在隧道出入口設(shè)置光伏發(fā)電廊道可以有效緩解進(jìn)出隧道時產(chǎn)生的“黑洞”和“明洞”現(xiàn)象。光伏發(fā)電廊道可以充當(dāng)光線緩沖區(qū)域，使得光線變化更加柔和，在滿足人眼暗適應(yīng)和明適應(yīng)需求的同時提升了安全性和視覺舒適度，進(jìn)而改善駕駛員視覺不適和降低交通事故風(fēng)險。

基于光伏發(fā)電的太陽能路面技術(shù)是一種具有革命性的創(chuàng)新方法，其通過在路面上鋪設(shè)光伏電池板，將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。這種技術(shù)不僅能夠滿足傳統(tǒng)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(fā)電，為城市和鄉(xiāng)村地區(qū)的能源供應(yīng)提供一種可持續(xù)的解決方案。相比傳統(tǒng)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(shè)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(shù)為電動汽車充電，為未來的智能交通系統(tǒng)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(fā)電的效益分析

根據(jù)歐盟委員會定義的101標(biāo)準(zhǔn)，在輻射強度為1 000 W/m、氣團(tuán)為AM1.5、電池溫度為25 ℃的條件下，采用專業(yè)計算軟件計算日均每平方米的發(fā)電量（以Ⅲ類地區(qū)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(fā)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(huán)境成本（0.56元/千瓦時），太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)成本每千瓦時為1.40元。然而，太陽能光伏系統(tǒng)的建設(shè)成本是硬件設(shè)施的一次性投資，發(fā)電是綠色的，在5～10年的生命周期內(nèi)無成本投入（部分維護(hù)費用除外），一般光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)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(shè)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(chǎn)生的電力規(guī)模和數(shù)量將更加引人注目。

3.1 太陽能光伏路面的經(jīng)濟(jì)效益分析

以高速公路應(yīng)急車道鋪設(shè)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(yīng)急車道，應(yīng)急車道寬度估計為2.5 m鋪設(shè)太陽能路面，那么年平均發(fā)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(chǎn)生超過700億千瓦時的太陽能。

3.2 太陽能光伏服務(wù)區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益分析

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

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

3.3 公路隧道進(jìn)出口太陽能光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益分析

以13.1萬公里高速公路為例，隧道數(shù)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(shè)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(chǎn)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(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益分析

公路沿線的路邊低坡假設(shè)兩側(cè)每公里可利用的較低坡度按100 km2（100 m/km）計算，沿線地區(qū)發(fā)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(fā)電在高速公路領(lǐng)域的挑戰(zhàn)

4.1 技術(shù)方面

太陽能光伏發(fā)電在高速公路領(lǐng)域的應(yīng)用需要克服許多技術(shù)難題。首先是如何保證光伏組件在高速公路惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性、高效性和耐久性。其次如何實現(xiàn)光伏組件與高速公路設(shè)施的完美融合，包括合理、高效地利用土地，“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)模式需要與電網(wǎng)進(jìn)行緊密配合等。此外，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的維護(hù)和檢修也是一個不容忽視的問題，因為高速公路光伏發(fā)電系統(tǒng)往往面積廣闊，基礎(chǔ)設(shè)施的不足和缺乏熟練工人，使得維護(hù)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(fā)電產(chǎn)業(yè)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(fā)電在高速公路領(lǐng)域的建設(shè)和運營需要大量的資金投入，而且建設(shè)和運營的風(fēng)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(yè)和投資者參與到這一領(lǐng)域中。其次，需要有明確的法律和政策規(guī)定各部門如交通、能源、環(huán)保等的職責(zé)和義務(wù)，以及協(xié)調(diào)和合作的方式和程序。最后，需要有明確的法律和政策規(guī)定相關(guān)的環(huán)保和安全標(biāo)準(zhǔn)，以確保太陽能光伏發(fā)電在高速公路領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展[4]。這包括對太陽能光伏發(fā)電設(shè)備的質(zhì)量、安裝位置、施工過程等方面的規(guī)定，以及對發(fā)電過程中可能產(chǎn)生的噪聲、電磁輻射等環(huán)境污染的限制和治理。

4.3 市場方面

太陽能光伏發(fā)電市場已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的企業(yè)和產(chǎn)品，市場競爭異常激烈。在高速公路領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電將與其他能源供應(yīng)方式展開競爭，例如燃?xì)獍l(fā)電、火力發(fā)電等。這些能源供應(yīng)方式在某些方面可能更加優(yōu)越，例如在能源供應(yīng)的穩(wěn)定性方面。與此相比，太陽能光伏發(fā)電的發(fā)電量受天氣和時間等因素的影響較大，因此太陽能光伏發(fā)電企業(yè)需要積極探索新的市場應(yīng)用，擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍。例如，可以考慮將太陽能光伏發(fā)電與其他新能源相結(jié)合，構(gòu)建多元化的能源供應(yīng)系統(tǒng)；或者將太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用于交通、通信等領(lǐng)域，實現(xiàn)多領(lǐng)域的綠色能源應(yīng)用。通過不斷拓展業(yè)務(wù)范圍，太陽能光伏發(fā)電企業(yè)將能夠更好地應(yīng)對市場競爭，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)束語

太陽能光伏發(fā)電市場已經(jīng)涌現(xiàn)出大量的企業(yè)和產(chǎn)品，市場競爭異常激烈。在高速公路領(lǐng)域，太陽能光伏發(fā)電需要與其他能源供應(yīng)方式競爭，例如燃?xì)獍l(fā)電、火力發(fā)電等。這些能源供應(yīng)方式在某些方面可能更加優(yōu)越，例如在能源供應(yīng)的穩(wěn)定性方面。與此相比，太陽能光伏發(fā)電的發(fā)電量受天氣和時間等因素的影響較大，因此太陽能光伏發(fā)電企業(yè)需要不斷創(chuàng)新和改進(jìn)技術(shù)，探索新的市場應(yīng)用，擴(kuò)大業(yè)務(wù)范圍。

參考文獻(xiàn)

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