蘭張高速鐵路土地與新能源融合開(kāi)發(fā)研究

栗振坤

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

為積極應(yīng)對(duì)全球氣候變化，踐行綠色低碳發(fā)展的目標(biāo)，我國(guó)先后下發(fā)了《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，提出雙碳經(jīng)濟(jì)是著力解決資源環(huán)境約束突出問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)中華民族永續(xù)發(fā)展的必然選擇，也是構(gòu)建人類(lèi)命運(yùn)共同體的莊嚴(yán)承諾［1］。

隨著我國(guó)“八縱八橫”建設(shè)的加快，路網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，采用先進(jìn)綠色節(jié)能技術(shù)，努力建設(shè)與鐵路沿線生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的綠色高速鐵路是我國(guó)綠色交通發(fā)展的重要趨勢(shì)［2］。

開(kāi)發(fā)利用鐵路帶狀沿線充足的空間資源，大力推廣新能源和可再生能源開(kāi)發(fā)技術(shù)，將有助于促進(jìn)綠色低碳、環(huán)境友好型交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，彌補(bǔ)鐵路建設(shè)與運(yùn)營(yíng)資金支撐鐵路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)我國(guó)履行應(yīng)對(duì)氣候變化責(zé)任、確保國(guó)家能源安全和推動(dòng)交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)是極其必要的。

20世紀(jì)80年代，鐵路新能源開(kāi)發(fā)就已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外的廣泛研究與試驗(yàn)。東京地鐵9號(hào)站臺(tái)上方安裝了453 kWp太陽(yáng)能電池板，為3號(hào)線列車(chē)服務(wù)；智利運(yùn)營(yíng)商于2017年建造了兩座太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，為地鐵供應(yīng)60%的電能，可再生能源利用率達(dá)到76%。在國(guó)內(nèi)，鐵路行業(yè)不斷研究、推廣新能源解決開(kāi)發(fā)技術(shù)，在鐵路道口、信號(hào)、通信及偏遠(yuǎn)地區(qū)鐵路職工生活方面取得了較好的效果［3］。上海鐵路局蚌埠鐵路醫(yī)院進(jìn)行復(fù)合平板式太陽(yáng)能熱水器試驗(yàn)，解決了鍋爐補(bǔ)熱、職工生活用熱水等問(wèn)題。鄭州鐵路局推廣太陽(yáng)能集熱面積12 899.5 m2，平均投資 1 575元／m2，減少了生產(chǎn)生活鍋爐用煤量，改善了生產(chǎn)生活條件；杭州東站在天篷和屋頂上安裝了 10 MWp的太陽(yáng)能發(fā)電裝置［4］；濟(jì)青高速鐵路利用沿線車(chē)站屋頂、站臺(tái)雨棚等閑置空間安裝光伏發(fā)電項(xiàng)目，取得了顯著的節(jié)能減排效果［5］。2022年國(guó)務(wù)院下發(fā)《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》，鼓勵(lì)在公路、鐵路沿線布設(shè)光伏設(shè)施。張舜［6］等結(jié)合不同區(qū)域的鐵路新能源發(fā)電潛力，綜合推算出光伏發(fā)電在鐵路全生命周期內(nèi)的發(fā)電總量達(dá)1.57萬(wàn)億kW·h，投資收益率可達(dá)144%。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中針對(duì)鐵路沿線發(fā)展較慢、經(jīng)濟(jì)較東部地區(qū)落后的西部地區(qū)或開(kāi)發(fā)條件受限地區(qū)的鐵路新能源開(kāi)發(fā)的研究較少。

基于此，本文以蘭張三四線武威至張掖段高速鐵路為例，介紹了鐵路開(kāi)發(fā)與新能源融合發(fā)展的場(chǎng)景和方式，總結(jié)該項(xiàng)目新能源開(kāi)發(fā)效益，并基于資源開(kāi)發(fā)效益，提出了土地與能源融合開(kāi)發(fā)的建議。

1 蘭張三四線高速鐵路新能源開(kāi)發(fā)方案

蘭張三四線武威至張掖段高速鐵路位于甘肅省西部、河西走廊經(jīng)濟(jì)帶。受地區(qū)發(fā)展因素影響，沿線房地產(chǎn)、商業(yè)開(kāi)發(fā)市場(chǎng)規(guī)模小，開(kāi)發(fā)條件受限。該區(qū)域風(fēng)、光自然資源豐富，年太陽(yáng)總輻射5 950～ 6 300 MJ／m2，屬于太陽(yáng)能資源一類(lèi)及二類(lèi)地區(qū)，發(fā)展太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯。因此，本項(xiàng)目對(duì)沿線可開(kāi)發(fā)資源進(jìn)行初步摸查，制定“以傳統(tǒng)土地綜合開(kāi)發(fā)為主，以綠色鐵路為核心，大力開(kāi)發(fā)沿線光伏新能源”的開(kāi)發(fā)思路，提出“土地+光伏”的融合開(kāi)發(fā)形式，依托河西走廊清潔能源基地，合理劃分補(bǔ)虧責(zé)任、共享開(kāi)發(fā)收益。

1.1 建設(shè)形式

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在電氣化鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用形式可分為非牽引領(lǐng)域和牽引領(lǐng)域［7］。

非牽引領(lǐng)域主要利用鐵路沿線站房、雨棚、房屋屋面或利用鐵路沿線路基邊坡設(shè)置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)生的電能為鐵路沿線設(shè)施提供動(dòng)力、照明供電。鐵路站房、編組站使用太陽(yáng)能、風(fēng)能提供電氣照明也有長(zhǎng)足的應(yīng)用潛力［8］。

牽引領(lǐng)域主要利用鐵路沿線路基邊坡、太陽(yáng)能資源較好的閑置地塊設(shè)置大功率集中式光伏電站，充分考慮鐵路牽引供電設(shè)施位置分布，就近接入牽引變電所、AT所等為電力機(jī)車(chē)提供牽引供電。

鐵路沿線新能源開(kāi)發(fā)選址為站房、雨棚、區(qū)間路基、沿線閑置空地、光伏聲屏障、光儲(chǔ)充一體化電站等。

1.2 鐵路沿線光伏開(kāi)發(fā)建設(shè)方案

1.2.1 鐵路沿線車(chē)站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置

近年來(lái)，分布式光儲(chǔ)直柔技術(shù)發(fā)展迅猛，是光伏發(fā)電、儲(chǔ)能技術(shù)、直流配電、柔性用電于一體的新型系統(tǒng)性能源技術(shù)，是能源革新的一種新技術(shù)［9-10］。

利用鐵路車(chē)站客運(yùn)站房、雨棚以及工區(qū)房屋等屋頂資源設(shè)置車(chē)站分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)車(chē)站建（構(gòu)）筑物頂光伏可利用面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定車(chē)站分布式光伏發(fā)電裝機(jī)容量及接入方案。為保證獲得最大用電收益，優(yōu)先推薦采用自發(fā)自用，余電上網(wǎng)模式，盡可能保證光伏發(fā)電就地完全消納。依據(jù)各站平面布置情況，以及各建筑物光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，擬將各站站房和雨棚設(shè)計(jì)為一套獨(dú)立的分布式發(fā)電系統(tǒng)。將工區(qū)房屋設(shè)計(jì)為另一套分布式發(fā)電系統(tǒng)。經(jīng)初步測(cè)算，全線站房、雨棚及工區(qū)房屋可供設(shè)置光伏發(fā)電系統(tǒng)的面積約為3.2萬(wàn)m2，沿線屋頂分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為6.5 MWp。

1.2.2 鐵路區(qū)間分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)置

該鐵路線路基較多，長(zhǎng)度約150 km，其中路堤區(qū)段約140 km；邊坡總面積約250萬(wàn)m2，其中可利用面積約150萬(wàn)m2，這為光伏發(fā)電系統(tǒng)在鐵路區(qū)間的應(yīng)用提供了有利條件，可利用鐵路區(qū)間路基邊坡設(shè)置區(qū)間分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，理論總裝機(jī)容量可達(dá)100 MWp，利用區(qū)間10／0.4 kV箱式變電站兩側(cè)各 150 m左右范圍內(nèi)沿路基兩側(cè)邊坡設(shè)置太陽(yáng)能光伏組件，按區(qū)間10／0.4 kV箱式變電站消納能力，確定全線區(qū)間分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為6 MWp。為保證獲得最大用電收益，該方案光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能就近接入?yún)^(qū)間10／0.4 kV箱式變電站0.4 kV母線段，優(yōu)先自我消納。如有多余電量，通過(guò)貫通線輸送到別處進(jìn)行消納，實(shí)現(xiàn)“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”，方案如圖1所示。根據(jù)測(cè)算，設(shè)置太陽(yáng)能組件后，路基邊坡穩(wěn)定性基本不受影響，僅需在較陡邊坡處進(jìn)行加固措施。

圖1 鐵路區(qū)間分布式光伏發(fā)電分布示意圖

1.2.3 鐵路區(qū)間集中式光伏電站的設(shè)置

擬在金昌南、山丹北、紅灣車(chē)站附近設(shè)置集中式光伏電站，結(jié)合鐵路消納能力、接入指標(biāo)、并網(wǎng)政策等因素確定區(qū)間設(shè)置集中光伏電站的規(guī)模為每處約 4 MWp，合計(jì)12 MWp。在車(chē)站附近閑置地面固定安裝光伏組件，經(jīng)匯流、逆變后引至戶(hù)外設(shè)置的一體化箱體設(shè)備內(nèi)，分別升壓至10 kV、27.5 kV電壓等級(jí)，敷設(shè)專(zhuān)用電纜線路就近分別接入鐵路10 kV配電所母線和牽引變電所27.5 kV母線，分別為鐵路沿線電力負(fù)荷和牽引負(fù)荷供電，實(shí)現(xiàn)就近消納大功率太陽(yáng)能，降低鐵路站區(qū)與沿線用電負(fù)荷對(duì)公共電網(wǎng)的消耗。

在光伏發(fā)電時(shí)段有牽引列車(chē)通過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生電能由牽引供電系統(tǒng)全部消納。在光伏發(fā)電時(shí)段無(wú)牽引列車(chē)通過(guò)時(shí)，發(fā)電站產(chǎn)生電能向非牽引供電系統(tǒng)供給的同時(shí)，可將多余電能存儲(chǔ)于儲(chǔ)能裝置。由此達(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓、增加系統(tǒng)功率優(yōu)化調(diào)節(jié)手段的目的，實(shí)現(xiàn)牽引用能更加高效能、低碳化、綠色化。為降低線路損耗、節(jié)約專(zhuān)用電纜線路的投資，地面集中式光伏電站與鐵路供電所亭的距離盡量控制在5 km以?xún)?nèi)，方案如圖2所示。

圖2 鐵路區(qū)間集中式光伏發(fā)電分布示意圖

各類(lèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入方案如表1所示。

表1 光伏發(fā)電系統(tǒng)接入方案表

2 項(xiàng)目新能源開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)效益分析

全線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為12.5 MWp，綜合造價(jià)約為5元／W（包括光伏組件及支架、直流電纜、逆變器、并網(wǎng)屏等），光伏系統(tǒng)總投資約為6 250萬(wàn)元。集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為12 MWp，綜合造價(jià)約為4.5元／W，站前增加邊坡補(bǔ)強(qiáng)、綠化、排水等工程總投資約2 100萬(wàn)元，光伏系統(tǒng)總投資約為 5 400萬(wàn)元。以上工程總投資約為13 450萬(wàn)元。

全線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為12.5 MWp，年均總發(fā)電量約為1 533萬(wàn)kWh。經(jīng)初步測(cè)算，全部消納年均節(jié)省電費(fèi)約823萬(wàn)元，光伏系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用按0.05元／Wp計(jì)算，年均維護(hù)費(fèi)用約62.5萬(wàn)元，年均節(jié)省電費(fèi)約761萬(wàn)元，需要9.3年收回建設(shè)投資。

集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量約為12 MW，平均每年總發(fā)電量約1 472萬(wàn)kWh。經(jīng)測(cè)算，牽引全年用電量11 075萬(wàn)kWh，發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)出的電能可供牽引消納約662.4萬(wàn)kWh，節(jié)約年度電費(fèi)約351.07萬(wàn)元，同時(shí)基本容量電費(fèi)減少171萬(wàn)元；剩余809.6萬(wàn)kWh富余電能上網(wǎng)售出，售電收益約為246.5萬(wàn)元；年均維護(hù)費(fèi)用約60萬(wàn)元，年均節(jié)省電費(fèi)約708.57萬(wàn)元。全線擬裝機(jī)容量為24.5 MWp，每年可為電網(wǎng)提供電能3 005萬(wàn)kWh，與燃煤電廠330 g／kWh的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量相比，本項(xiàng)目建成后每年可為國(guó)家節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 9 916 t，實(shí)現(xiàn)鐵路土地開(kāi)發(fā)與新能源融合的高彈性、高效能運(yùn)行。

“土地+光伏”的綜合新能源開(kāi)發(fā)，可用于鐵路車(chē)站的房屋及風(fēng)雨棚、鐵路附屬設(shè)施的建筑物及設(shè)施，鐵路沿線閑置土地資源，外部主要控制因素為安裝場(chǎng)地、陽(yáng)光資源、并入電網(wǎng)條件，主要適用于廣大中西部地區(qū)的鐵路建設(shè)中，因地制宜地推進(jìn)相應(yīng)光伏綜合開(kāi)發(fā)模式，最大化推進(jìn)沿線土地利用的經(jīng)濟(jì)性［11］。

3 結(jié)論

我國(guó)中西部鐵路沿線發(fā)展較慢、經(jīng)濟(jì)較東部地區(qū)落后。在一些弱電網(wǎng)、無(wú)電網(wǎng)地區(qū)，鐵路路網(wǎng)與電網(wǎng)布局失配或適配困難。傳統(tǒng)的土地開(kāi)發(fā)模式已無(wú)法滿(mǎn)足收益需求，而鐵路自身高度依賴(lài)外網(wǎng)的模式也面臨巨大挑戰(zhàn)。

本項(xiàng)目充分利用豐富的光資源，提出了“土地+光伏”的綜合新能源開(kāi)發(fā)思路。通過(guò)綠色產(chǎn)能與高速鐵路建設(shè)相融合，構(gòu)建清潔、綠色的能源系統(tǒng)。這一措施不僅可以促進(jìn)軌道交通行業(yè)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)型，降低交通行業(yè)能源消耗，同時(shí)對(duì)我國(guó)西部資源經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的推廣意義。