高速公路光伏发电_王宏民.pdf

高 速公路光伏发电 摘要： 以高速公路土地为依托 ，以光伏发电产业为背景，结合当前高速公路的运营现状和 能源消耗，阐述了分布式光伏发电技术在高速公路上的应用 ，分析了路网发电的经济效益和存 在的问题，在节能减排和绿色环保的新趋势下，提出了 “能源转型 、降本增效 、开放经营 ”三个运 营新理念，促进公路交通事业的转型升级和可持续发展 。 关键词： 高速公路；光伏发电；能源转型；新理念 中图分类号： U412.366 文献标识码： A 文章编号： 1006-3528（2020）01-0016-05 王宏民 （山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032） 山西交通科技山 。 交通科技 收稿日期： 2019－08－28；修回日期： 2019－11－02 作者简介： 王宏民（ 1982— ），男，山西广灵人，高级工程师， 2002 年毕业于山西交通技术学院道桥专业， 2008 年毕业于北 京交通大学土木工程专业 第 1 期 (总第 262 期 ) 山西交通科技 No．1 2020 年 2 月 SHANXI SCIENCE ＆ TECHNOLOGY of COMMUNICATIONS Feb. 1 概述 过去三十年，是我国高速公路建设发展波澜壮 阔的三十年，不仅实现了我国高速公路从无到有的 跨越式发展，而且铸就了四通八达的国省道运输大 动脉，建设成就举世瞩目 。山西省高速公路从 1995 年太旧线开始，至今已通车运营 5 000 多公里，公路 网络颇具规模，为经济社会发展做出了巨大的贡献， 但随着运营里程的不断增加，运营成本也在逐年上 升，作为固定支出的电费消耗每年约 2.7 亿元，已经 成为企业生存和发展的巨大负担 。 2 产业背景 2.1 高速公路产业背景 a）高速公路主要用电负荷区域分别为隧道 、收 费站 、服务区，其中隧道用电负荷最大，其次为服务 区和收费站 。山西省高速公路年总用电量约为 4.2 亿 kW·h，电网购电的平均电价为 0.65 元 /kW·h，年 电费约 2.7 亿元 。 b）高速公路拥有大量的服务区（停车区） 、收费 站 、互通区域 、路基边坡等可利用的土地资源，产权 归属高速公司，但实际发挥的效能很小，多数处于闲 置状态，可用于开发建设必要的发电设施 。 2.2 光伏发电产业背景 a）国家十九大提出要推进能源生产和消费革 命，构建清洁低碳 、安全高效的能源体系，支撑我国 能源产业与生态环境协调可持续发展，大力发展可 再生能源，是推动能源结构优化的重要手段，截至 2018年底，中国可再生能源发电装机达到 7.28亿 kW， 光伏发电装机 1.74 亿 kW，清洁 、循环 、绿色 、低碳的 能源技术体系正在逐渐形成 。 2013 年 —2018 年 5 月国家通过政策扶持和资 金补贴的方式大力发展 光伏发电产业，特别是 2016—2017 两年更是进入了黄金发展期 。2013 年 8 月，国家发改委发布 《关于发挥价格杠杆作用促进光 伏产业健康发展的通知 》（发改价格 〔2013〕1638号）， 明确分布式光伏发电项目的补贴标准为 0.42 元 /kW·h（含税） 。 但是随着光伏技术和产业设备逐渐成熟，生产 和安装成本逐渐降低，国家政策支持和补贴也在逐 步弱化 。特别是 2018 年 531 新政后国家对光伏发电 的补贴呈下降趋势，市场进入停滞和观望期； 2019 年 1 月 10 日国家发展改革委 、国家能源局就联合印 发 《关于积极推进风电 、光伏发电无补贴平价上网有 关工作的通知 》，提出开展平价上网项目和低价上网 试点项目建设 , 同时完善需国 家补贴的项目竞争配 置机制，减少行业发展对国家补贴的依赖 。根据国家 能源局 2019 年 5 月 30 日发布的 《2019 年光伏发电 项目建设工作方案 》，除光伏扶贫 、户用光伏外，其余 需要国家补贴的光伏发电项目原则上均须采取招标 等竞争性配置方式，业内分析今后发展趋势是取消 补贴，平价上网 。 b）交通运输部发布的交通运输节能环保 “十三 2020 年第 1 期 王宏民：高速公路光伏发电 五 ”发展规划，提出要把绿色发展理念融入交通运输 发展的各方面和全过程，突出理念创新 、科技创新 、 管理创新和体制机制创新，有效发挥政府引导作用， 充分发挥企业主体作用，继续推进交通运输结构调 整，提升交通运输装备能效水平，优化交通运输能源 消费结构，深化节能降碳制度创新与技术应用 。推进 资源节约集约利用，加强资源综合循环利用，强化行 业节能环保管理，加快建成绿色交通运输体系 。 c）山西省作为全国重要的综合能源基地，在全 国能源发展格局中具有重要的战略地位，被国家定 为开展能源革命综合改革试点区，强调在推动能源 生产消费革命保障能源安全 、构建清洁低碳用能模 式 、推进能源科技创新等方面加快改革，优化能源产 业布局，开拓产业发展新路径，打造高比例新能源的 综合能源基地 。山西省有着丰富的太阳能资源， “十 三五 ”新能源产业发展规划明确指出大力发展太阳 能光伏发电 。 d） 2019 年 9 月 19 日，中共中央 、国务院印发了 《交通强国建设纲要 》，要求各地区各部门结合实际 认真贯彻落实 。建设交通强国是以习近平同志为核 心的党中央立足国情 、着眼全局 、面向未来作出的重 大决策，是新时代做好交通工作的总抓手 。《建设纲 要 》作为建设交通强国的顶层设计和系统谋划，掀开 了新时代交通运输工作的新篇章 。 《建设纲要 》中关于交通和能源的论述有如下内 容： （ a）推广新能源 、清洁能源 、智能化 、数字化 、轻 量化 、环保型交通装备及成套技术装备 。 （ b）鼓励引导绿色公交出行，倡导绿色低碳出行 理念 。 （ c）强化前沿关键科技研发 。瞄准新一代信息技 术 、人工智能 、智能制造 、新材料 、新能源等世界科技 前沿，加强对可能引发交通产业变革的前瞻性 、颠覆 性技术研究 。 （ d）强化节能减排和污染防治 。优化交通能源结 构，推进新能源 、清洁能源应用，促进公路货运节能 减排，推动城市公共交通工具和城市物流配送车辆 全部实现电动化 、新能源化和清洁化 。 《交通强国建设纲要 》由中共中央和国务院印 发，可见重视程度之高 ，明确指出了要推广新能源 、 清洁能源，通过结合光伏发电与交通设施，节能减 排，降低成本，在中央领导高层，对新能源 、清洁能源 的认识是深刻的，对光伏发电充分认可 。 e）国内高速公路光伏发电取得的成功经验 。 根据市场调研的情况，国内安徽省 、山东省 、江 苏省 江西省等都依托高速公路路网资源成立了新 能源公司，建设了分布式光伏电站且成功并网发电， 如：安徽交控路网新能源有限公司和山东交通新能 源科技有限公司，目前运行均比较成功 。 3 发展思路 基于对省内服务区 、收费站 、隧道管理站等高速 公路设施新能源现状的调查研究和国家对未来能源 的供应规划，可以发现高速公路在新能源领域（如光 伏发电 、储电和充电桩 等）有着广阔的市场前景，并 迫切需要改革创新 。 建设光储充一体化 新能源微电网，光伏发电 + 谷价储能 +充电桩放电，面向未来的能源结构转型 、 高速公路电网建设和多样化负荷需求发展，可实现 对新能源的开发 、利用 、深度消纳 。分布式储能系统 的广泛接入，电动汽车的有序智能充放电，是高速公 路能源结构的新趋势 。 3.1 建设分布式光伏电站，自发自用，余量上网，降 本增效 立足本省高速公路路网资源，充分发挥可利用 土地资源，开发太阳能光伏发电，自发自用，余量上 网 。通过在服务区 、收费站 、互通匝道圈和隧道进出 口隔离带布设光伏电站，实现以上公路设施白天用 电的自给自足，降低公路用电成本，同时多余电量并 网售电盈利，达到降本增效的目的 。 3.2 储电系统建设 、经营和管理 高速公路服务区 、收费站场区等白天用电量小， 通过建设储能电 站对光伏发电及谷价电进行存储， 用于夜晚用电高峰期的使用，利用国网电力的峰谷 电价差削峰填谷，降低用电成本 。 3.3 发展收费站 、服务区充电服务，路内路外双向 开发 依托微电网，利用收费站和服务区的车流优势 及多样化负荷需求，发展充电服务实现电能的消纳 和盈利 。在国家能源政策的引导和推动下，新能源电 动汽车越来越多，小客车数量爆发式增长，货运车数 量也在逐年增加，而配套的充电服务却发展滞后，城 市和高速公路的充电桩站点少 、桩位少，电动汽车充 电基本是排队状态，特别是节假日出行高峰期，路网 内外充电桩均供不应求，不仅制约了电动汽车的发 展，也限制了人们的出行距离，特别是城际出行 。 高速公路收费站和服务区基本都建在城镇周 边，且密度较高，利用收费站和服务区地理位置的优 势，以及互通匝道圈和服务区的空地资源，建设配套 的光伏电站 、储能装置和充电桩，路网内服务于高速 路上的车辆，路网外服务于收费站附近的社会车辆， 逐渐引导车主形成 “有空即充电 ”的用车习惯，保持 ·17· 山 西交通科技 2020 年第 1 期 车辆经常性处于饱电状态，提高出行距离，节约充电 时间，增加盈利点 。 4 高速公路光伏发电运行模式 4.1 分布式光伏电站的建设 光伏电站装机建设模式可采用招投标方式进 行，选择有实力的企业采购 、施工 、调试，确保工程质 量 。国内已有多家专业化光伏技术公司，如阳光电 源 、华为等公司，产品和技术力量都是有保障的 。 光伏发电站的装机位置在服务区和收费站的屋 顶 、车棚 、场区空地以及 收费站匝道圈内，屋顶和车 棚采用满铺的方式，空地上采用基础加支架的方式， 为避免光伏板相互遮挡，两组光伏板间距按照 1.5 倍光伏机组宽度布置 。 图 1 光伏并网计量柜 图 2 光伏车棚和逆变器 图 3 服务区空地光伏板 图 4 收费站光伏机组和逆变器 图 5 收费站匝道圈大规模光伏机组（间距： 1.5 倍机组宽度） 4.2 分布式光伏电站的运行 光伏电站投产后的日常运行对人员需求很少， 主要通过 “智慧光伏运营管理中心 ”的监控系统和手 机 APP 监控软件实现，不需要专门人工值守，发现 问题手机报警，通过高速路的工作人员和专门的运 维部门帮助解决，极大地节省了人力成本 。 电费结算方式：光伏电站通过与用电单位（高速 服务区 、收费站或隧道）和国网电力签订售电合同， 在月底时三方根据电表读数及合同结算电费即可 。 图 6 智慧光伏运营管理中心 4.3 分布式光伏电站的维护 日常运营维护通过合同的形式委托给高速公路 现有的机电单位进行，充分利用现有公路服务资源， 既发挥了高速公路机电单位点多面广的特点，又极 大地节省了人力成本 。 5 分布式光伏发电经济效益分析 利用高速公路综合服务区（停车区） 、收费站 、互 通匝道圈 、路基边坡及隧道进出口隔离带等可利用 土地资源建立分布式光伏电站，即可实现自发自用， 余量上网 。鉴于国家光伏发电政策趋势是推行无补 贴平价上网，故以下经济效益计算不再考虑资金补 贴 。 5.1 高速公路可利用土地资源 截止 2018 年底，山西省高速公路通车总里程 5 075 km，其中主线桥梁总长 875 km（ 4 581 座），隧 道 980 km（ 714 座），路基长度 3 220 km；共设互通 365 处，服务区（停车区） 124 对，收费站共 310 处 。 a）服务区（停车区）共 124 对，每对服务区（停车 区）平均可利用资源面积 12 亩，共可利用 1 488 亩 。 b）收费站共 310 处，每处收费站平均可利用资 ·18· 2020 年第 1 期 源面积 2 亩，共可利用 620 亩 。 c）互通匝道圈区域共有互通 365 处，每处互通 区域平均可利用资源面积 20 亩，共可利用 7 300 亩 。 d）路基边坡扣除主线桥梁和隧道后，高速公路 路基长度 3 220 km，按平均填挖高度 10 m 考虑，每 公里平均可利用资源面积 17 亩，共可利用 54 740 亩 。 e）隧道 714 座，每座隧道进出口平均可利用资 源面积 10 亩，共可利用 7 140 亩 。 f）综合服务区（停车区） 、收费站 、互通区域 、路 基边坡及隧道进出口，共有可利用土地资源 71 288 亩，每公里折合 14 亩 。 5.2 效益计算 按照目前市场价，光伏发电每瓦装机费用（含材 料 、人工等费用，达到发电状态）为 5.0 元，每平米可 装机 100 W，山西省光伏电站年有效利用小时数按 1 340.83 h 取值，每瓦年发电量为 1 W×1340.83 h= 1.341 kW·h。 全省高速公路现有可利用土地资源 71 288 亩， 效益计算按土地面积分以下两种情况： a）计入服务区 、收费站 、互通区域 、隧道进出口 和路基边坡的土地总面积共 71 288 亩，折合 4 748 万 km 2 ，光伏机组安装面积按照 1.5 倍间距折算后为 4748/2.5=1899 万 km 2 。 总装机容量 1899×10000×100 W=1899 MW，年 发电量 1899×0.01×1.341=25.47 亿 kW·h。 编号 项目 单价 /元 金额 /万元 备注 1 总投资 建设费 5.0/W 5×1899×100=949500 一次性 2 成本 运维费 0.05/W 0.05×1899×100=9495 年 3 人工费 15 万 /人 /年 15×30=450 30 人 4 收益 国家补贴 0 0 按无补贴计 5 自发自用 0.65×0.85=0.5525 kW·h 0.5525×25.47×0.65×10000=91469 65%自用，国网平均 电价（ 0.65 元）的 85% 6 并网收购 0.332 kW·h 0.332×25.47×0.35×10000=29596 35%并网 7 年利润 (4+5+6)-(2+3) 91469+29596-9495-450=111120 万元 不含税 8 9 投资回收期 投资收益率 1/7 （ 7/1） ×100% 949500/111120=8.54 年 111120/949500×100%=11.7% 不含税 不含税 表 2 经济效益计算 b）受 “公路法 ”规定的限制，以及路基边坡防护 、 绿化和排水设施的限制，不计入路基边坡土地面积， 可利用面积为 71288-54740=16548 亩，折合 1 102 万 km 2 ，光伏机组安装面积按照 1.5 倍间距折算后为 1102/2.5=441 万 km 2 。 总装机容量 441×10000×100 W=441 MW，年发 电量 441×0.01×1.341=5.91 亿 kW·h。 区域 类别 城市 安装角度 （ °） 峰值日照 时数 h/d 每瓦首年 发电量 kW·h/W 年有效 利用小时数 h 华 北 地 区 山 西 省 太原 33 4.65 1.341 1 340.83 大同 36 5.11 1.474 1 473.47 朔州 36 5.16 1.489 1 487.89 阳泉 33 4.67 1.348 1 346.59 长治 28 4.04 1.165 1 164.93 晋城 29 4.28 1.234 1 234.14 忻州 34 4.78 1.378 1 378.31 晋中 33 4.65 1.342 1 340.83 临汾 30 4.27 1.231 1 231.25 运城 26 4.13 1.193 1 190.89 吕梁 32 4.65 1.341 1 340.83 表 1 光伏电站发电量速查表 编号 项目 单价 /元 金额 /万元 备注 1 总投资 建设费 5.0/W 5×441×100=220500 一次性 2 成本 运维费 0.05/W 0.05×441×100=2205 年 3 人工费 15 万 /人 /年 15×30=450 30 人 4 收益 国家补贴 0 0 按无补贴计 5 自发自用 0.65×0.85=0.5525 kW·h 0.5525×5.91×0.65×10000=21224 65%自用，国网平均 电价（ 0.65 元）的 85% 6 并网收购 0.332 kW·h 0.332×5.91×0.35×10000=6867 35%并网 7 年利润 (4+5+6)-(2+3) 21224+6867-2205-450=25436 万元 不含税 8 9 投资回收期 投资收益率 1/7 （ 7/1） ×100% 220500/25436=8.67 年 25436/220500×100%=11.5% 不含税 不含税 表 3 经济效益计算（受 “公路法 ”规定限制） 王宏民：高速公路光伏发电 ·19· 山 西交通科技 2020 年第 1 期 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! Highway Photovoltaic Power Generation WANG Hong-min (Shanxi Transportation Technology Research photovoltaic power generation; energy transformation; new conception c）由表 2 和表 3 可以看出，投资收益率大概是 11%（未考虑利息和税金），大于一般的收益率临界 值 8%，是可以盈利的，但投资成本偏大，收益率偏 低 。优点是光伏发电站属于重型资产，虽然投资大， 但收益期持续时间长，高速公路土地资源也具有长 期稳定的特点，高速电能消耗也呈现逐年增长的趋 势，两者都具有长期性和稳定性，故比较适合叠加发 展，互相依存，相互补充，共同发展 。 6 高速公路运营新理念 传统高速公路运营模式一直是建设 —收费 —维 护，除了通行费基本没有其他收入来源，随着高速路 网规模越来越大，人员工资 、电能消耗等固定支出逐 年上升，高速公司利润空间越来越低，受制于路网规 划制约运营收费额基本不可变，那就只能开源增效， 节流降本 。 公路建设是发展，运营也是发展，而且是可持续 发展，在国家倡导节能减排和绿色环保的大背景下， 为了适应交通发展新趋势 和解决运营中存在的问 题，笔者提出了 “能源转型 、降本增效 、开放经营 ”三 个运营新理念，促进公路交通事业的转型升级和可 持续发展 。 6.1 能源转型 高速公路通过煤改电 、煤改气等措施用清洁电 气能源代替传统的重污染煤炭，减少二氧化碳排放， 降低对环境的污染，保护了自然环境和生态环境，推 动公路运营向资源节约型 、环境友好型转变 。 6.2 降本增效 依托高速公路可利用土地资源，建设分布式光 伏发电站，自发自用，余量上网，为服务区 、收费站提 供日常用电，为隧道提供照明用电，通过降低用电单 价节约用电成本，余量并网售电盈利，实现高速公路 运营的降本增效 。 6.3 开放经营 在国家能源政策的引导和推动下，新能源电动 汽车越来越多，并且逐渐由轻型客车向重型货车扩 展，通过光伏发电 +谷价储能 +充电桩放电的经营模 式，利用收费站和服务区的车流优势，为汽车提供充 电服务，实现光伏发电量的利用 、消纳和盈利 。利用 收费站在城镇周边的地理位置优势，路网内服务于 高速路上的车辆，路网外服务于收费站附近的社会 车辆，通过开放经营实现开源增效 。 7 结语 综上所述，依托高速公路可利用土地资源，发展 分布式光伏发电产业，不仅可以使高速公路降本增 效，而且顺应国家能源政策的发展趋势 。依靠能源转 型 、降本增效 、开放经营三个运营新理念，可有效促 进公路交通事业的转型升级和可持续发展 。 欢迎订阅 2020 年度 《山西交通科技 》选 ·20·