光伏在公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用效益分析

胡華平 畢雁冰

摘要：當(dāng)前，采用“光伏+交通”的模式，不僅可優(yōu)化交通基礎(chǔ)設(shè)施的能源結(jié)構(gòu)，還能促進(jìn)公路交通運(yùn)輸?shù)墓?jié)能減排，具有廣闊的應(yīng)用前景。文章對公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中光伏技術(shù)的應(yīng)用成本及影響因素進(jìn)行了分析，并基于工程實(shí)例，探討了如何在交通基礎(chǔ)設(shè)施中采用光伏技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化，以期為推動(dòng)公路與清潔能源深度融合發(fā)展和公路未來多元化能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：公路交通；基礎(chǔ)設(shè)施；光伏技術(shù)；效益分析

中圖分類號：U491.1+1? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)量運(yùn)營服務(wù)和智慧化管控進(jìn)程的推進(jìn)，道路全壽命周期監(jiān)控、車路協(xié)同、自動(dòng)駕駛以及公路智慧化運(yùn)管等新業(yè)態(tài)不斷發(fā)展，公路全線電氣化已勢在必行，以滿足公路在信息采集、監(jiān)測、分析與處理、通信傳輸、充電設(shè)施以及輔助自動(dòng)駕駛傳感等需要［1］。可以預(yù)見，各等級公路的用電規(guī)模和能耗需求在未來幾年將產(chǎn)生幾何級的數(shù)量增長［2］。

對能源的依賴與需求的日益增多，使得交通運(yùn)輸行業(yè)的運(yùn)營成本日益增多。最新數(shù)據(jù)顯示，廣西交通投資集團(tuán)在2022年度運(yùn)營養(yǎng)護(hù)費(fèi)實(shí)際執(zhí)行64 700萬元，其中水電費(fèi)占比15.64%，實(shí)際執(zhí)行10 120萬元。若以傳統(tǒng)石化燃料對上述能耗進(jìn)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(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略［3-4］。

應(yīng)用光伏技術(shù)產(chǎn)生的能源替代傳統(tǒng)能源，不僅從源頭消除能源損耗帶來的環(huán)境問題［5］，助力國家“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，還能加快公路交通系統(tǒng)向采用可再生能源供應(yīng)的過渡，對智慧公路的建設(shè)具有重要意義［6］。從降低企業(yè)運(yùn)營成本角度出發(fā)，光伏技術(shù)的出現(xiàn)，將公路交通系統(tǒng)由能源的消費(fèi)者轉(zhuǎn)換為能源的供應(yīng)者，極大地降低了企業(yè)在公路服役期間的能耗支出［7］。但在不同的應(yīng)用場景中，或同一場景中采取不同的光伏發(fā)電設(shè)計(jì)方案，所帶來的效益也會(huì)呈現(xiàn)出較大的區(qū)別。隨著光伏應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)大，如何以最小成本獲取最大收益，成為光伏技術(shù)在公路交通設(shè)施應(yīng)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(chǔ)設(shè)施中光伏技術(shù)的應(yīng)用成本及影響因素進(jìn)行了分析，基于工程實(shí)例探討了如何在交通基礎(chǔ)設(shè)施中采用光伏技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電效益最大化，以期可為推動(dòng)公路與清潔能源深度融合發(fā)展和公路未來多元化能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供借鑒。

1 光伏發(fā)電在公路交通設(shè)施中的運(yùn)維成本

目前，光伏在公路交通設(shè)施中的應(yīng)用在技術(shù)層面上已相對成熟。應(yīng)著重考慮的問題在于，如何在保障穩(wěn)定供電的前提下，通過行之有效的方式降低光伏設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)營成本，縮短投資回收周期，進(jìn)而降低企業(yè)使用光伏的成本。

1.1 建設(shè)成本

1.1.1 成本組成

高速公路分布式光伏系統(tǒng)的初始全投資主要由系統(tǒng)成本與非技術(shù)成本組成。系統(tǒng)成本包括組件、逆變器、支架、電纜、并網(wǎng)設(shè)備（一次設(shè)備、二次設(shè)備）、儲(chǔ)能關(guān)鍵設(shè)備以及管理費(fèi)、建安費(fèi)等成本。其中，組件、逆變器等關(guān)鍵設(shè)備成本投資相對固定，但隨著技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模化效益，未來仍具有一定下降空間；管理費(fèi)包括前期管理、勘察、設(shè)計(jì)以及招投標(biāo)等費(fèi)用；建安費(fèi)用主要為人工費(fèi)用、土石方工程費(fèi)用及常規(guī)鋼筋水泥費(fèi)用等，未來下降空間不大。

非技術(shù)成本包括接網(wǎng)、土地、項(xiàng)目前期開發(fā)費(fèi)用等，該項(xiàng)費(fèi)用在不同區(qū)域及項(xiàng)目之間差別較大。其中，土地費(fèi)用包括全生命周期土地租金以及植被恢復(fù)費(fèi)或相關(guān)補(bǔ)償費(fèi)用；電網(wǎng)接入成本僅含送出升壓站的對側(cè)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(shè)施中光伏發(fā)電站建設(shè)成本的主要影響因素包括儲(chǔ)能成本、用地成本、輸配電距離、自用消納比等。

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)需要額外的成本，該項(xiàng)成本主要涵蓋儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)與后期的運(yùn)維工作。常見的分布式光伏站采用“10%，2 h”的標(biāo)準(zhǔn)配儲(chǔ)能（即2 h系統(tǒng)），按照2023年8月儲(chǔ)能系統(tǒng)中標(biāo)價(jià)統(tǒng)計(jì)，2 h系統(tǒng)項(xiàng)目中標(biāo)均價(jià)1.120元/Wh。以銀嶺隧道為例，目前裝機(jī)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(kuò)容裝機(jī)容量至現(xiàn)有的5倍。按照2 h系統(tǒng)配儲(chǔ)能，額外增加的儲(chǔ)能成本高達(dá)350余萬元。從長遠(yuǎn)來看，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以提高公路交通設(shè)施中光伏發(fā)電的利用率和可靠性，有利于能源配置的優(yōu)化與轉(zhuǎn)型。

用地成本方面，目前廣西正處于高速公路建設(shè)高峰期，設(shè)計(jì)階段整體考慮高速公路沿線收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、管理區(qū)、隧道口的光伏設(shè)計(jì)，將光伏電站建設(shè)與房建、綠化、交安、供配電等專業(yè)融合，可以大幅度地分?jǐn)偣夥娬窘ㄔO(shè)的用地、房屋處置、輸配電成本。為節(jié)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(diǎn)利用收費(fèi)站、管理區(qū)、服務(wù)區(qū)、停車區(qū)、互通立交等設(shè)施的閑置場地資源推進(jìn)光伏應(yīng)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(jī)場，可探索利用機(jī)場航站樓屋面、機(jī)場工作區(qū)辦公樓屋面、機(jī)場貨運(yùn)站屋面、停車場雨棚等機(jī)場范圍內(nèi)露天面積較大的區(qū)域布局光伏發(fā)電設(shè)施；而在鐵路方面，應(yīng)充分利用候車樓、站房、貨物中轉(zhuǎn)庫、站臺(tái)風(fēng)雨棚、鐵路沿線等資源。

輸配電距離方面，項(xiàng)目的輸配電距離對光伏電站的建設(shè)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(diǎn)較遠(yuǎn)，需要的輸配電電纜和施工措施費(fèi)很高，如果只考慮用地因素，可能會(huì)出現(xiàn)輸配電的造價(jià)遠(yuǎn)超電站建設(shè)費(fèi)用。因此光伏電站建設(shè)不是有空地就可以建，而是要以經(jīng)濟(jì)效益為導(dǎo)向，因地制宜地選址。

自用消納比是指光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)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(xiàng)目的投資回報(bào)周期影響較大：當(dāng)自用消納比較高時(shí)，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(shè)備、運(yùn)維成本，同時(shí)可以消除傳輸過程中的能量損耗；而自用消納比較低時(shí)，將導(dǎo)致光伏成本的回收周期延長。因此，在公路交通設(shè)施中規(guī)劃光伏建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮建設(shè)地的能源需求，保持耗能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)達(dá)到平衡，提高光伏的自用消納比。

1.2 運(yùn)營成本

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

2 光伏發(fā)電效益最大化的實(shí)現(xiàn)方案

本文以銀嶺隧道為例，探索如何在成本控制與穩(wěn)定供電之間找到一個(gè)最合適的路徑，從而實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電效益的最大化。

2.1 項(xiàng)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(shè)計(jì)有照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)。隧道兩端地勢開闊，每個(gè)端口設(shè)計(jì)有250 kVA照明變壓器和400 kVA風(fēng)機(jī)變壓器1臺(tái)。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(jìn)行光伏電池板布設(shè)。

需要說明的是，為了降低建設(shè)成本，銀嶺隧道在施工設(shè)計(jì)時(shí)未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)，因此在分析中不對儲(chǔ)能系統(tǒng)的花銷進(jìn)行考慮。

2.2 光伏發(fā)電方案效益對比

根據(jù)銀嶺隧道現(xiàn)場的空地面積大小，按照銀嶺隧道的供配電設(shè)計(jì)圖，本文提出三個(gè)光伏發(fā)電設(shè)計(jì)方案，并依據(jù)2022年12月～2023年2月的實(shí)際電費(fèi)單進(jìn)行對比分析，如表1所示。

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

當(dāng)采用最高投資回報(bào)率設(shè)計(jì)時(shí)，初期光伏站的建設(shè)成本較低，僅有滿載裝機(jī)容量的50%，而平均年收益率則為后者的62%，相應(yīng)的投資回收周期只有10.5年。但實(shí)際上，片面追求光伏發(fā)電的高投資回報(bào)率，會(huì)使得所產(chǎn)生的電能無法完全覆蓋能耗。此時(shí)需要從外部引入其他形式的能源進(jìn)行補(bǔ)充，將會(huì)產(chǎn)生額外的能源消費(fèi)。

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

3 光伏技術(shù)在公路工程中應(yīng)用的建議

為了加強(qiáng)光伏技術(shù)在廣西高速公路領(lǐng)域的推廣、應(yīng)用，本文提出以下建議以供參考：

（1）健全商業(yè)運(yùn)營模式。制定高速公路光伏發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)建設(shè)運(yùn)營管理辦法，統(tǒng)籌高速公路光伏項(xiàng)目的開發(fā)、建設(shè)、運(yùn)營、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)管理，建立以市場化競爭配置為主的項(xiàng)目開發(fā)管理機(jī)制。支持引入有實(shí)力的第三方新能源企業(yè)打包式、跨行業(yè)承接高速公路領(lǐng)域光伏建設(shè)項(xiàng)目，平衡項(xiàng)目收益，確保典型應(yīng)用場景和示范型項(xiàng)目高起點(diǎn)開發(fā)、高標(biāo)準(zhǔn)建成。同時(shí)，鼓勵(lì)高速公路業(yè)主以自建自營模式、合同能源管理模式、專業(yè)電站運(yùn)營商和高速公路運(yùn)營業(yè)主聯(lián)合持有+EPC等模式，推動(dòng)各類投資主體積極參與光伏開發(fā)建設(shè)運(yùn)營。

（2）制定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。按照“融合發(fā)展、宜建盡建”原則，及時(shí)修訂完善高速公路相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和工程建設(shè)規(guī)范，研究制定高速公路建設(shè)工程光伏配建規(guī)范，明確高速公路房建、服務(wù)區(qū)、隧道工程的光伏應(yīng)用和配建要求。形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，推動(dòng)光伏應(yīng)用在高速公路領(lǐng)域的實(shí)際操作落地。

（3）強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)，綜合政策引導(dǎo)，新建高速公路應(yīng)建盡建。充分發(fā)揮廣西高速公路建設(shè)高峰期的優(yōu)勢，按照“同步實(shí)施、能建盡建”原則，出臺(tái)措施鼓勵(lì)新建交通工程項(xiàng)目同步配套光伏發(fā)電設(shè)施應(yīng)用，在項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)中明確考慮光伏建設(shè)。

（4）加快推進(jìn)運(yùn)營高速公路光伏應(yīng)用的改建。按照“因地制宜、能改盡改”原則，結(jié)合運(yùn)營高速公路設(shè)施運(yùn)營改造專項(xiàng)工程，積極推進(jìn)在用高速公路樞紐、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)、隧道口進(jìn)行光伏應(yīng)用改造。鼓勵(lì)引進(jìn)商業(yè)運(yùn)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(jiān)測平臺(tái)。搭建廣西高速公路光伏信息化監(jiān)測平臺(tái)，完善高速公路領(lǐng)域光伏應(yīng)用統(tǒng)計(jì)查詢功能，統(tǒng)籌管理行業(yè)內(nèi)光伏應(yīng)用項(xiàng)目信息，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握高速公路領(lǐng)域光伏應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)展情況。落實(shí)行業(yè)管理部門對光伏運(yùn)行的監(jiān)管要求，為制定行業(yè)發(fā)展規(guī)劃、開展綜合評估等提供支撐。

（6）完善考核評估機(jī)制。加強(qiáng)對高速公路光伏推廣應(yīng)用情況跟蹤，建立定期報(bào)告制度，全面掌握發(fā)展情況。及時(shí)開展試點(diǎn)示范項(xiàng)目的總結(jié)評估，形成推廣應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和商業(yè)推廣模式，吸引市場主體主動(dòng)參與。夯實(shí)各高速公路業(yè)主的管理責(zé)任，推進(jìn)廣西落實(shí)高速公路光伏建設(shè)要求，提高發(fā)展光伏在高速公路業(yè)主評優(yōu)推先中的權(quán)重。

（7）強(qiáng)化安全管理機(jī)制。聚焦高速公路光伏項(xiàng)目開發(fā)、建設(shè)、運(yùn)營等不同階段，按照事前風(fēng)險(xiǎn)評估、事中安全管理、事后及時(shí)響應(yīng)的原則，對高速公路不同類別、形態(tài)的光伏融合項(xiàng)目進(jìn)行全生命周期安全管理。充分結(jié)合現(xiàn)有分布式光伏電站的運(yùn)行管理工作實(shí)際，各相關(guān)管理部門聯(lián)合建立規(guī)范和有效的管理機(jī)制、安全防護(hù)機(jī)制，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

4 結(jié)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(fā)電技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于交通運(yùn)輸行業(yè)，使得公路交通基礎(chǔ)設(shè)施的產(chǎn)能與耗能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，大大降低公路交通行業(yè)的用能成本，具備極高的社會(huì)效益與環(huán)保價(jià)值。本文通過對光伏技術(shù)在公路交通基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用效益進(jìn)行分析，獲得了以下結(jié)論：

（1）影響公路交通設(shè)施中光伏發(fā)電站建設(shè)成本的因素主要有：儲(chǔ)能成本、用地成本、輸配電距離、自用消納比。在規(guī)劃光伏建設(shè)時(shí)，應(yīng)充分考慮建設(shè)地的能源需求，因地制宜，保持耗能系統(tǒng)與供電系統(tǒng)達(dá)到平衡。

（2）采用白天發(fā)電總量與隧道全天用電量相等的方式進(jìn)行公路光伏站設(shè)計(jì)，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(lǐng)域發(fā)展應(yīng)用的良好環(huán)境，需進(jìn)一步完善現(xiàn)有政策、機(jī)制，研究制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，探索形成示范推廣的商業(yè)模式，激發(fā)市場主體活力，推進(jìn)交通能源清潔低碳轉(zhuǎn)型。

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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(yùn)規(guī)劃、建設(shè)管理，水路運(yùn)輸管理，航道維護(hù)與管理、船舶檢驗(yàn)、北部灣（廣西）經(jīng)濟(jì)區(qū)相關(guān)管理、西部陸海新通道（平陸運(yùn)河）建設(shè)工作。