分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)用

摘要：分布式光伏發(fā)電技術(shù)具有清潔、高效和靈活部署的特點(diǎn)，能夠充分利用電氣化鐵路沿線的閑置土地和車站屋頂，實(shí)現(xiàn)清潔能源的本地化生產(chǎn)與消納，降低鐵路運(yùn)輸?shù)奶甲阚E。目前，分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)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(jié)合分布式光伏發(fā)電技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)用模式，指出每種模式在實(shí)施過程中面臨的挑戰(zhàn)并提出相應(yīng)對(duì)策，以更好地將分布式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于電氣化鐵路沿線，助力碳達(dá)峰碳中和。

關(guān)鍵詞：分布式光伏發(fā)電；電氣化鐵路；綠色低碳轉(zhuǎn)型；能源管理

中圖分類號(hào)：U223；TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(duì)的挑戰(zhàn)之一。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得傳統(tǒng)高耗能、高排放的增長(zhǎng)模式難以為繼，為應(yīng)對(duì)這一嚴(yán)峻形勢(shì)，中國(guó)于2020年9月22日提出碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)，明確二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，并努力在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。鐵路運(yùn)輸行業(yè)作為中國(guó)交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，以其低碳高效的特點(diǎn)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(kuò)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(yù)計(jì)到2037年鐵路行業(yè)的碳排放量將高達(dá)193 737萬t[1]。分布式光伏發(fā)電技術(shù)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(shù)在電氣化鐵路中的不同應(yīng)用模式，充分利用沿線土地和車站屋頂?shù)乳e置資源，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的本地化應(yīng)用，降低鐵路運(yùn)輸?shù)奶甲阚E，為推動(dòng)鐵路行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和提供有力支持[2]。

1 分布式光伏發(fā)電技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著我國(guó)碳達(dá)峰碳中和的推進(jìn)，分布式光伏發(fā)電技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(shù)具有綠色環(huán)保、靈活部署的特點(diǎn)，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(guó)多個(gè)高鐵站房已應(yīng)用分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，如武漢站、雄安站等。這些項(xiàng)目主要采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”模式。這種模式對(duì)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(jià)格高于光伏發(fā)電的標(biāo)桿電價(jià)，因而能夠?qū)崿F(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，大規(guī)模的光伏發(fā)電設(shè)施可以沿鐵路線路部署，通過全額上網(wǎng)方式進(jìn)一步提升發(fā)電收益。

濟(jì)青高速鐵路是我國(guó)首個(gè)采用“高鐵+光伏”模式的項(xiàng)目，結(jié)合站房和沿線的光伏發(fā)電設(shè)施，不僅滿足鐵路運(yùn)營(yíng)過程的部分能源需求，還實(shí)現(xiàn)顯著的碳減排和經(jīng)濟(jì)效益。類似的光伏項(xiàng)目還在雄安站等地實(shí)施，為鐵路行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型提供新的發(fā)展路徑。此外，隨著我國(guó)碳市場(chǎng)的不斷發(fā)展，鐵路光伏發(fā)電項(xiàng)目通過碳減排量交易，有望帶來潛在的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。結(jié)合綠色電力證書制度，鐵路沿線光伏發(fā)電項(xiàng)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(shù)在電氣化鐵路中的應(yīng)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(guān)設(shè)施的用電需求。當(dāng)光伏發(fā)電量超過實(shí)際需求時(shí)，剩余電力將接入公共電網(wǎng)并出售，實(shí)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(gòu)電支出。

京滬高鐵沿線車站的光伏發(fā)電項(xiàng)目在25年內(nèi)累計(jì)減少購(gòu)電成本約18.97億元，展現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。德州東站的光伏發(fā)電項(xiàng)目25年內(nèi)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(gè)高鐵車站的光伏發(fā)電項(xiàng)目在25年內(nèi)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(nèi)實(shí)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(tái)雨棚、鐵路停車場(chǎng)、路基邊坡、場(chǎng)坪邊坡和橋梁下方等。全額上網(wǎng)模式在這些區(qū)域的應(yīng)用能夠盤活鐵路沿線土地資源，大規(guī)模利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的雙贏。以萊榮高速鐵路、濰煙高速鐵路和濟(jì)鄭高速鐵路為例，百千米鐵路可建設(shè)約裝機(jī)規(guī)模17.0 MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，年發(fā)電量可達(dá)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(shù)與高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施和土地資源相結(jié)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(hù)坡和預(yù)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(jì)青高速鐵路作為我國(guó)第一條地方為主投資的高速鐵路，全長(zhǎng)為307.9 km，在建設(shè)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(xiàng)目，主要在車站的雨棚上安裝，總裝機(jī)容量為10 MW；二是沿線線下光伏發(fā)電項(xiàng)目，充分利用護(hù)坡和閑置空間，裝機(jī)容量達(dá)到34 MW。整個(gè)項(xiàng)目建成后，年均發(fā)電量可達(dá)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(yīng)用模式面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)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(dòng)性可能導(dǎo)致鐵路站房電網(wǎng)的負(fù)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(shí)間錯(cuò)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(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的初始投資較高，包括設(shè)備采購(gòu)、安裝和調(diào)試等費(fèi)用，回收周期較長(zhǎng)，可能影響投資者的積極性。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，首先可以引入智能能源管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)光伏發(fā)電量和用電需求，優(yōu)化用電策略，平衡供需關(guān)系。其次，配置儲(chǔ)能設(shè)備，如電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，將多余的光伏電能存儲(chǔ)起來，在用電高峰或光照不足時(shí)釋放，提升供電的穩(wěn)定性。再次，爭(zhēng)取政策支持，如補(bǔ)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(shù)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(jià)的不確定性和政策風(fēng)險(xiǎn)。隨著光伏上網(wǎng)電價(jià)逐步降低，投資回報(bào)率可能受到影響。同時(shí)，大規(guī)模光伏發(fā)電接入電網(wǎng)可能導(dǎo)致電網(wǎng)消納能力不足，出現(xiàn)“棄光”現(xiàn)象，進(jìn)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(shè)光伏電站的土地可能有限，或者受到土地使用權(quán)和環(huán)保法規(guī)的限制。

首先，要與電網(wǎng)企業(yè)簽訂長(zhǎng)期電力購(gòu)銷協(xié)議，鎖定上網(wǎng)電價(jià)，減少市場(chǎng)波動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。其次，參與綠色電力證書交易和碳交易市場(chǎng)，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(fù)”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(shí)施過程中面臨高安全性要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失的挑戰(zhàn)。高鐵運(yùn)行速度快，對(duì)沿線設(shè)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(yùn)營(yíng)安全。目前缺乏針對(duì)高鐵與光伏系統(tǒng)結(jié)合的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，增加設(shè)計(jì)和施工的難度。施工和維護(hù)也面臨困難，高鐵沿線環(huán)境復(fù)雜，施工需要避免干擾高鐵運(yùn)行，維護(hù)需要考慮安全和效率。投資巨大，回收周期長(zhǎng)，資金壓力較大，多方協(xié)調(diào)和利益分配也較為復(fù)雜。

需要制定專門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，明確光伏系統(tǒng)在高鐵環(huán)境中的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)要求，確保項(xiàng)目安全可靠。施工方面，采用預(yù)制化、裝配式技術(shù)，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，降低對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)的影響。維護(hù)方面，可引入智能監(jiān)測(cè)和無人機(jī)巡檢技術(shù)，提升效率和安全性。資金方面，爭(zhēng)取政策支持與補(bǔ)貼，并通過多元化融資方式引入社會(huì)資本，緩解資金壓力。

4 結(jié)論

分布式光伏發(fā)電技術(shù)在電氣化鐵路沿線的應(yīng)用，既是響應(yīng)國(guó)家碳達(dá)峰碳中和的迫切要求，也是推動(dòng)鐵路行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)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(shù)主要有3種應(yīng)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?？梢胫悄苣茉垂芾硐到y(tǒng)，配置儲(chǔ)能設(shè)備，爭(zhēng)取政策支持。全額上網(wǎng)模式下，電價(jià)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(zhǎng)期購(gòu)電協(xié)議，參與綠色電力證書交易，合理布局光伏電站?！案哞F+光伏”模式安全性要求高，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失，資金壓力大?？芍贫▽ｉT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用裝配式施工技術(shù)，引入多元化融資方式。總體來說，要因地制宜，科學(xué)施策，合理地將分布式光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在電氣化鐵路沿線，促進(jìn)鐵路行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型，為碳達(dá)峰碳中和貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)

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