光伏在公路交通基础设施中的应用效益分析

胡华平 毕雁冰

摘要：当前，采用“光伏+交通”的模式，不仅可优化交通基础设施的能源结构，还能促进公路交通运输的节能减排，具有广阔的应用前景。文章对公路交通基础设施中光伏技术的应用成本及影响因素进行了分析，并基于工程实例，探讨了如何在交通基础设施中采用光伏技术，从而实现发电效益最大化，以期为推动公路与清洁能源深度融合发展和公路未来多元化能源互联网建设提供借鉴。

关键词：公路交通；基础设施；光伏技术；效益分析

中图分类号：U491.1+1   文献标识码：A

文意编号：1673-4874（2024）04-0200-03

0 引言

伴随着广西公路高质量运营服务和智慧化管控进程的推进，道路全寿命周期监控、车路协同、自动驾驶以及公路智慧化运管等新业态不断发展，公路全线电气化已势在必行，以满足公路在信息采集、监测、分析与处理、通信传输、充电设施以及辅助自动驾驶传感等需要［1］。可以预见，各等级公路的用电规模和能耗需求在未来几年将产生几何级的数量增长［2］。

对能源的依赖与需求的日益增多，使得交通运输行业的运营成本日益增多。最新数据显示，广西交通投资集团在2022年度运营养护费实际执行64 700万元，其中水电费占比15.64%，实际执行10 120万元。若以传统石化燃料对上述能耗进行供给，不仅面临资源枯竭的隐患，而且还违背了清洁能源优先发展的战略［3-4］。

应用光伏技术产生的能源替代传统能源，不仅从源头消除能源损耗带来的环境问题［5］，助力国家“双碳”发展目标，还能加快公路交通系统向采用可再生能源供应的过渡，对智慧公路的建设具有重要意义［6］。从降低企业运营成本角度出发，光伏技术的出现，将公路交通系统由能源的消费者转换为能源的供应者，极大地降低了企业在公路服役期间的能耗支出［7］。但在不同的应用场景中，或同一场景中采取不同的光伏发电设计方案，所带来的效益也会呈现出较大的区别。随着光伏应用的规模不断扩大，如何以最小成本获取最大收益，成为光伏技术在公路交通设施应用中需要着重考虑的问题［8-9］。

为此，本文针对公路交通基础设施中光伏技术的应用成本及影响因素进行了分析，基于工程实例探讨了如何在交通基础设施中采用光伏技术，从而实现发电效益最大化，以期可为推动公路与清洁能源深度融合发展和公路未来多元化能源互联网建设提供借鉴。

1 光伏发电在公路交通设施中的运维成本

目前，光伏在公路交通设施中的应用在技术层面上已相对成熟。应着重考虑的问题在于，如何在保障稳定供电的前提下，通过行之有效的方式降低光伏设施的建设成本和运营成本，缩短投资回收周期，进而降低企业使用光伏的成本。

1.1 建设成本

1.1.1 成本组成

高速公路分布式光伏系统的初始全投资主要由系统成本与非技术成本组成。系统成本包括组件、逆变器、支架、电缆、并网设备（一次设备、二次设备）、储能关键设备以及管理费、建安费等成本。其中，组件、逆变器等关键设备成本投资相对固定，但随着技术进步和规模化效益，未来仍具有一定下降空间；管理费包括前期管理、勘察、设计以及招投标等费用；建安费用主要为人工费用、土石方工程费用及常规钢筋水泥费用等，未来下降空间不大。

非技术成本包括接网、土地、项目前期开发费用等，该项费用在不同区域及项目之间差别较大。其中，土地费用包括全生命周期土地租金以及植被恢复费或相关补偿费用；电网接入成本仅含送出升压站的对侧改造，小型的分布式光伏电站该部分成本较低。

1.1.2 影响因素

从目前已开展的工作来看，公路交通设施中光伏发电站建设成本的主要影响因素包括储能成本、用地成本、输配电距离、自用消纳比等。

光伏储能系统需要额外的成本，该项成本主要涵盖储能系统的建设与后期的运维工作。常见的分布式光伏站采用“10%，2 h”的标准配储能（即2 h系统），按照2023年8月储能系统中标价统计，2 h系统项目中标均价1.120元/Wh。以银岭隧道为例，目前装机容量505 kWp，可满足白天12 h用电量，若考虑到夜间12 h用电需求，还需扩容装机容量至现有的5倍。按照2 h系统配储能，额外增加的储能成本高达350余万元。从长远来看，储能系统可以提高公路交通设施中光伏发电的利用率和可靠性，有利于能源配置的优化与转型。

用地成本方面，目前广西正处于高速公路建设高峰期，设计阶段整体考虑高速公路沿线收费站、服务区、管理区、隧道口的光伏设计，将光伏电站建设与房建、绿化、交安、供配电等专业融合，可以大幅度地分摊光伏电站建设的用地、房屋处置、输配电成本。为节约用地成本，光伏用地主要以利用闲置场地为主。因此，在高速公路，可重点利用收费站、管理区、服务区、停车区、互通立交等设施的闲置场地资源推进光伏应用；而对于隧道，可充分利用隧道口两端光照条件好的空地或绿化带；对于机场，可探索利用机场航站楼屋面、机场工作区办公楼屋面、机场货运站屋面、停车场雨棚等机场范围内露天面积较大的区域布局光伏发电设施；而在铁路方面，应充分利用候车楼、站房、货物中转库、站台风雨棚、铁路沿线等资源。

输配电距离方面，项目的输配电距离对光伏电站的建设成本影响很大，高速公路沿线具有大量的高边坡、互通匝道空地等资源，但这些位置大部分距离用电点较远，需要的输配电电缆和施工措施费很高，如果只考虑用地因素，可能会出现输配电的造价远超电站建设费用。因此光伏电站建设不是有空地就可以建，而是要以经济效益为导向，因地制宜地选址。

自用消纳比是指光伏发电系统产生的电力中，自行消耗的比例，用以反映光伏电力在多大程度上可以满足自身的需求。该因素对分布式光伏项目的投资回报周期影响较大：当自用消纳比较高时，意味着更多的电力在本地被消耗，减少了电力传输所带来的设备、运维成本，同时可以消除传输过程中的能量损耗；而自用消纳比较低时，将导致光伏成本的回收周期延长。因此，在公路交通设施中规划光伏建设时，应充分考虑建设地的能源需求，保持耗能系统与供电系统达到平衡，提高光伏的自用消纳比。

1.2 运营成本

广西目前的电价为0.7～1.5元/度，上网电价（即电网企业采购价）为0.42元/度。如果把光伏发电按照自用和上网分成两类的话，自用消纳部分相当于替换了0.7～1.5元/度的电网用电，而上网部分相当于以0.42元/度的价格出售给电网公司。自用部分占比越大，光伏效益越高；相反，上网部分越大，光伏装机容量越大，成本越高，投资回收周期越长。

2 光伏发电效益最大化的实现方案

本文以银岭隧道为例，探索如何在成本控制与稳定供电之间找到一个最合适的路径，从而实现光伏发电效益的最大化。

2.1 项目背景

银岭隧道位于南宁至平果高速公路，隧道全长1 500 m。设计有照明系统、监控系统。隧道两端地势开阔，每个端口设计有250 kVA照明变压器和400 kVA风机变压器1台。南宁端隧道口有效空地面积约3 500 m2，距离配电室位置约217 m。平果端洞口中央分隔带空地面积约2 500 m2，距离配电室位置约246 m。隧道口两端均比较适合进行光伏电池板布设。

需要说明的是，为了降低建设成本，银岭隧道在施工设计时未考虑储能系统，因此在分析中不对储能系统的花销进行考虑。

2.2 光伏发电方案效益对比

根据银岭隧道现场的空地面积大小，按照银岭隧道的供配电设计图，本文提出三个光伏发电设计方案，并依据2022年12月～2023年2月的实际电费单进行对比分析，如表1所示。

由表1可知，在同一个场景下，不同装机容量、自消纳比所带来的投资回报具有较大差别。高装机容量带来高年收益率，但由于建设初期投资较高，使得平均年收益率较低，投资回报周期最长。此外，高装机容量下光伏所产生的电能远大于交通基础设施所需能耗，而由于银岭隧道没有储能系统，多余的电能必然需要通过电力设备输送。因此包含输送设备建设与老损成本的情况下，实际上的投资回收周期将比所计算的13.4年更长。

当采用最高投资回报率设计时，初期光伏站的建设成本较低，仅有满载装机容量的50%，而平均年收益率则为后者的62%，相应的投资回收周期只有10.5年。但实际上，片面追求光伏发电的高投资回报率，会使得所产生的电能无法完全覆盖能耗。此时需要从外部引入其他形式的能源进行补充，将会产生额外的能源消费。

方案三则充分考虑电能产生与能耗的供给关系。使用该方案获得的投资回报率低于方案二，平均年收益率低于方案一，但却能较好地实现能耗与供能的出入平衡，既不会产生额外的电力输送费用，也不需要考虑引入其他能源。同时，使用方案三的投资回收周期也在可接受范围。

3 光伏技术在公路工程中应用的建议

为了加强光伏技术在广西高速公路领域的推广、应用，本文提出以下建议以供参考：

（1）健全商业运营模式。制定高速公路光伏发电项目开发建设运营管理办法，统筹高速公路光伏项目的开发、建设、运营、产业链协调管理，建立以市场化竞争配置为主的项目开发管理机制。支持引入有实力的第三方新能源企业打包式、跨行业承接高速公路领域光伏建设项目，平衡项目收益，确保典型应用场景和示范型项目高起点开发、高标准建成。同时，鼓励高速公路业主以自建自营模式、合同能源管理模式、专业电站运营商和高速公路运营业主联合持有+EPC等模式，推动各类投资主体积极参与光伏开发建设运营。

（2）制定建设标准规范。按照“融合发展、宜建尽建”原则，及时修订完善高速公路相关产品标准和工程建设规范，研究制定高速公路建设工程光伏配建规范，明确高速公路房建、服务区、隧道工程的光伏应用和配建要求。形成统一的标准规范体系，推动光伏应用在高速公路领域的实际操作落地。

（3）强化顶层设计，综合政策引导，新建高速公路应建尽建。充分发挥广西高速公路建设高峰期的优势，按照“同步实施、能建尽建”原则，出台措施鼓励新建交通工程项目同步配套光伏发电设施应用，在项目方案设计中明确考虑光伏建设。

（4）加快推进运营高速公路光伏应用的改建。按照“因地制宜、能改尽改”原则，结合运营高速公路设施运营改造专项工程，积极推进在用高速公路枢纽、收费站、服务区、隧道口进行光伏应用改造。鼓励引进商业运作模式，加快提升高速公路建筑屋顶光伏覆盖率。

（5）搭建高速公路光伏在线监测平台。搭建广西高速公路光伏信息化监测平台，完善高速公路领域光伏应用统计查询功能，统筹管理行业内光伏应用项目信息，实现项目运行状态在线监测，实时掌握高速公路领域光伏应用项目进展情况。落实行业管理部门对光伏运行的监管要求，为制定行业发展规划、开展综合评估等提供支撑。

（6）完善考核评估机制。加强对高速公路光伏推广应用情况跟踪，建立定期报告制度，全面掌握发展情况。及时开展试点示范项目的总结评估，形成推广应用经验和商业推广模式，吸引市场主体主动参与。夯实各高速公路业主的管理责任，推进广西落实高速公路光伏建设要求，提高发展光伏在高速公路业主评优推先中的权重。

（7）强化安全管理机制。聚焦高速公路光伏项目开发、建设、运营等不同阶段，按照事前风险评估、事中安全管理、事后及时响应的原则，对高速公路不同类别、形态的光伏融合项目进行全生命周期安全管理。充分结合现有分布式光伏电站的运行管理工作实际，各相关管理部门联合建立规范和有效的管理机制、安全防护机制，保证光伏发电系统安全、经济、高效运行。

4 结语

太阳能是一种可再生无污染的清洁高效能源，通过光伏的普及，太阳能发电技术将越来越多的应用于交通运输行业，使得公路交通基础设施的产能与耗能达到动态平衡，大大降低公路交通行业的用能成本，具备极高的社会效益与环保价值。本文通过对光伏技术在公路交通基础设施中的应用效益进行分析，获得了以下结论：

（1）影响公路交通设施中光伏发电站建设成本的因素主要有：储能成本、用地成本、输配电距离、自用消纳比。在规划光伏建设时，应充分考虑建设地的能源需求，因地制宜，保持耗能系统与供电系统达到平衡。

（2）采用白天发电总量与隧道全天用电量相等的方式进行公路光伏站设计，能获得最佳的能源供给平衡，以及较短的投资回收周期。

（3）为营造光伏在高速公路领域发展应用的良好环境，需进一步完善现有政策、机制，研究制定相关标准、规范，探索形成示范推广的商业模式，激发市场主体活力，推进交通能源清洁低碳转型。

参考文献

［1］WANG Linbing，王含笑，赵 千，等.智能路面发展与展望［J］.中国公路学报，2019，32（4）：50-72.

［2］蒋海峰，黄森炎，刘志强，等.公路交通设施与清洁能源融合创新技术与发展［J］.公路交通科技，2020（S02）：37.

［3］李乔楚，陈军华，敬 雷，等.双碳目标下中国能源行业低碳经济效率研究［J］.天然气技术与经济，2022，16（1）：67-72.

［4］谢 维，蔡建羡，李立新，等.光伏发电在高速公路中的技术探析［J］.石油化工自动化，2022，58（1）：90-92.

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［6］肖 佳，梅 琦，黄晓琪，等.“双碳”目标下我国光伏发电技术现状与发展趋势［J］.天然气技术与经济，2022，16（5）：64-69.

［7］胡恒武，查旭东，吕瑞东，等.基于光伏发电的道路能量收集技术研究进展［J］.材料导报，2022，36（20）：1-12.

［8］许志军.太阳能光伏发电技术在交通运输业的应用［J］.青海交通科技，2014（1）：10-11.

［9］石坤生.光伏发电工程项目的成本管理［J］.中国住宅设施，2021（11）：9-10.

作者简介：胡华平（1975—），博士，高级工程师，主要从事水运规划、建设管理，水路运输管理，航道维护与管理、船舶检验、北部湾（广西）经济区相关管理、西部陆海新通道（平陆运河）建设工作。