康德建

（國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010399）

0 引言

鐵路是國(guó)民主要的出行方式和貨物運(yùn)輸方式，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，鐵路的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。根據(jù)國(guó)家鐵路局2020 年度報(bào)告[1]，截至2020 年底，全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到14.63 萬(wàn)km，復(fù)線率已達(dá)59.5%，電化率已達(dá)72.8%，高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.8km，全國(guó)鐵路路網(wǎng)密度達(dá)152.3km/萬(wàn)km2；在鐵路能源消耗方面，因新型冠狀病毒肺炎疫情，全國(guó)鐵路客運(yùn)量相比2019 年有所下降，能源消耗相比2019年下降5.3%。2020 年國(guó)家鐵路能源消耗換算成電能，約消耗464.649 億kWh。

隨著未來(lái)鐵路電氣化率的不斷提高和高速重載鐵路的不斷建設(shè)發(fā)展，鐵路的能源消耗量將進(jìn)一步增加。隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的不斷加劇，使用清潔能源降低碳排放成為國(guó)家重要的目標(biāo)。2020 年，習(xí)近平總書記宣布了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)愿景。中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[2]指出，要強(qiáng)化節(jié)能減排和污染防治，優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)，加大推進(jìn)新能源、清潔能源的應(yīng)用，同時(shí)要求推進(jìn)交通裝備技術(shù)升級(jí)，加速清潔能源、智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備的迭代升級(jí)。鐵路系統(tǒng)是我國(guó)能耗大戶，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色運(yùn)營(yíng)，降低碳排放量，必須通過(guò)轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，加大可再生能源的接入應(yīng)用。

隨著光伏發(fā)電和電力電子技術(shù)的成熟，國(guó)內(nèi)外鐵路牽引供電系統(tǒng)及鐵路相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)已逐步開(kāi)始應(yīng)用光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行電能供應(yīng)，達(dá)到節(jié)能減排和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的目的。光伏發(fā)電發(fā)出的電能經(jīng)變換器變換成單相交流電后可接入鐵路27.5kV 牽引供電系統(tǒng)或10kV 基礎(chǔ)設(shè)備供電系統(tǒng)，供列車、線路信號(hào)系統(tǒng)和車站基礎(chǔ)設(shè)備用電。德國(guó)鐵路在鐵路牽引供電系統(tǒng)的可再生能源應(yīng)用上已經(jīng)開(kāi)展了很多案例，有10%以上的電能來(lái)自水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等可再生能源，并在2020 年前將可再生能源占比提高到35%左右，同時(shí)在2050 年實(shí)現(xiàn)鐵路系統(tǒng)的零碳排放目標(biāo)[3]。在我國(guó)，鐵路電氣化率的提高為可再生能源應(yīng)用于鐵路牽引供電系統(tǒng)提供了必要的條件。同時(shí)，為了加大鐵路系統(tǒng)的可再生能源的利用率，我國(guó)鐵路部門先后制定了多項(xiàng)有針對(duì)性的政策措施，促進(jìn)鐵路系統(tǒng)對(duì)可再生能源的利用消納。

接下來(lái)將分別對(duì)我國(guó)鐵路領(lǐng)域光伏自然資源的可利用前景、光伏發(fā)電在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用研究現(xiàn)狀、光伏發(fā)電應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的社會(huì)效益進(jìn)行分析介紹，并對(duì)光伏發(fā)電在未來(lái)鐵路領(lǐng)域的研究應(yīng)用前景進(jìn)行分析。

1 全國(guó)及鐵路系統(tǒng)光伏自然資源情況

我國(guó)地域面積廣闊，自然資源相對(duì)豐富，同時(shí)鐵路路網(wǎng)規(guī)模大，線路多建設(shè)在周邊可利用自然資源相對(duì)豐富的地域，沿線具有豐富的光伏自然資源，可建設(shè)大規(guī)模的光伏發(fā)電站。據(jù)2014 年國(guó)家能源局公布數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的光伏自然資源豐富，可利用率高，其具體分布見(jiàn)表1。從光伏自然資源的分布位置看，總體呈“高原大于平原、西部干燥區(qū)大于東部濕潤(rùn)區(qū)”的分布特點(diǎn)，青藏高原地區(qū)因海拔較高，光伏自然資源為全國(guó)最豐富地區(qū)，年總輻射量超過(guò)1800kWh/m2，部分地區(qū)超過(guò)2000kWh/m2。根據(jù)國(guó)家能源局公布數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016 年底，8 個(gè)西部省份(內(nèi)蒙古、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆)的光伏累計(jì)安裝量占全國(guó)總安裝量40%。在鐵路系統(tǒng)的光伏自然資源情況分析上，賈利民[4]等人對(duì)我國(guó)部分鐵路系統(tǒng)的光伏自然資源進(jìn)行了調(diào)研，表2 為其中京滬高鐵部分站點(diǎn)的光伏資源情況。

表1 全國(guó)光伏輻射總量等級(jí)表

表2 京滬高鐵沿途部分高鐵站可利用光伏自然資源信息表

2 光伏在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究人員對(duì)光伏發(fā)電接入電力系統(tǒng)進(jìn)行研究。在鐵路領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)鐵路領(lǐng)域的光伏發(fā)電接入研究相對(duì)較少[5-7]。目前，研究人員主要通過(guò)變換器將光伏發(fā)電產(chǎn)生的直流電壓變換成單相交流電壓接入牽引供電系統(tǒng)，對(duì)相關(guān)負(fù)載進(jìn)行供電。例如，東日本鐵路公司在2012 年于平泉站建設(shè)了首個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電零排放站試驗(yàn)站，在天氣情況良好、日照時(shí)間充足的情況下，站內(nèi)的電力供應(yīng)都由光伏發(fā)電提供，多余的電量?jī)?chǔ)存到240kWh 的鋰離子電池中，于夜間使用。據(jù)東日本鐵路 公 司 統(tǒng) 計(jì)，2012 年6 月28 日—2013 年3 月31 日，在277 天中實(shí)現(xiàn)了128 天零排放，預(yù)計(jì)全年將實(shí)現(xiàn)170 左右的零排放。德國(guó)鐵路系統(tǒng)將MW 級(jí)光伏發(fā)電接入電氣化鐵路。據(jù)德國(guó)相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，德國(guó)鐵路約10%以上電能來(lái)自新能源發(fā)電系統(tǒng)，遠(yuǎn)高于全國(guó)電力系統(tǒng)新能源接入率6.25%。在非洲肯尼亞，中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司在建設(shè)鐵路供電系統(tǒng)時(shí)，為了解決肯尼亞米軌鐵路沿線電力資源匱乏，無(wú)法為負(fù)荷提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)問(wèn)題時(shí)，提出采用一種離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)供電裝置，可以為鐵路車站負(fù)荷提供電力供應(yīng)[8]。

在我國(guó)，光伏發(fā)電已經(jīng)在很多場(chǎng)合進(jìn)行了研究應(yīng)用，其中著名的是張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程的建設(shè)使用。張北風(fēng)光儲(chǔ)示范工程是目前世界上規(guī)模最大的集風(fēng)/光/儲(chǔ)于一體的智能新能源示范電站，運(yùn)用世界首創(chuàng)的風(fēng)/光/儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電模式，采用目前新能源發(fā)電領(lǐng)域最新的技術(shù)、產(chǎn)品和裝備，研究探索大規(guī)模新能源發(fā)電并網(wǎng)的世界前沿技術(shù)，為中國(guó)未來(lái)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型提供大量的研究資料。光伏發(fā)電在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用上也有很多典型的研究應(yīng)用案例。其中，上海虹橋車站太陽(yáng)能電站裝機(jī)容量6688kW，是世界上最大的“建筑光伏一體化”項(xiàng)目，其年均發(fā)電可達(dá)630 萬(wàn)kWh，相當(dāng)于2254t 的標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量，每年發(fā)電量可供12000 戶居民使用一年，二氧化碳減排量達(dá)6600 多t，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。此外，雄安車站安裝了4.2 萬(wàn)m2光伏發(fā)電板，預(yù)計(jì)年均發(fā)電達(dá)580 萬(wàn)kWh，是我國(guó)目前最大的鐵路車站光伏發(fā)電系統(tǒng)。

光伏發(fā)電在鐵路領(lǐng)域的場(chǎng)景主要有：第一，接入鐵路牽引供電系統(tǒng)為列車負(fù)載進(jìn)行供電；第二，接入10kV 供電系統(tǒng)為車站內(nèi)及沿途基礎(chǔ)設(shè)備供電。圖1是光伏發(fā)電接入牽引供電系統(tǒng)的電路拓?fù)?，光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)電力電子變換器將產(chǎn)生的直流電能進(jìn)行變換后通過(guò)升壓變壓器接入27.5kV 牽引供電系統(tǒng)。通過(guò)電力電子變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)控制，回收利用列車產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量，提高系統(tǒng)能量利用率。

圖1 光伏發(fā)電接入鐵路牽引供電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

光伏接入的牽引供電系統(tǒng)中光伏發(fā)電與牽引負(fù)荷的時(shí)空特性差異較大，導(dǎo)致系統(tǒng)供需關(guān)系難以平衡。為此，需要考慮負(fù)荷特性與光伏出力特性，從多角度探究二者協(xié)同運(yùn)行機(jī)制。圖2 給出了光伏接入電氣化鐵路的能量流動(dòng)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制[9-10]。

圖2 光伏接入電氣化鐵路的能量流動(dòng)協(xié)同運(yùn)行機(jī)制

3 光伏發(fā)電的社會(huì)效益

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與全球能源危機(jī)，可再生能源大規(guī)模替代傳統(tǒng)石油化石能源已經(jīng)是不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象?？稍偕茉唇尤腓F路系統(tǒng)是未來(lái)鐵路供電發(fā)展的方向。通過(guò)優(yōu)化鐵路系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃可再生能源在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用方案，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、改善社會(huì)環(huán)境。

光伏發(fā)電本身固有的優(yōu)點(diǎn)：第一，自然界的光伏資源取之不盡、用之不竭。目前，照射到地球上的太陽(yáng)能比人類消耗的能量大6000 倍，同時(shí)太陽(yáng)能在地球上分布廣泛，不受地域、海拔等因素的限制。第二，光伏發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有其他能量的大量損耗，如熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電磁能等和機(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)熱等，基本不存在機(jī)械磨損，具有很高的理論發(fā)電效率，可達(dá)80%以上，技術(shù)開(kāi)發(fā)潛力巨大。而傳統(tǒng)的火力發(fā)電能量轉(zhuǎn)化效率很低，大量能量以光、熱的形式消耗。第三，光伏發(fā)電不使用煤炭等化石燃料，不會(huì)遭受全球能源或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定而造成的沖擊，不產(chǎn)生溫室氣體和其他有害的廢氣，不需要大量的水給系統(tǒng)降溫，或者產(chǎn)生水蒸氣推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，對(duì)周圍環(huán)境友好，能夠構(gòu)建清潔友好能量供給系統(tǒng)。光伏發(fā)電的建設(shè)還可以改善環(huán)境，在當(dāng)?shù)氐幕哪?、戈壁安裝上光伏電站之后，由于光伏組件的遮擋，減少了地表的蒸發(fā)量，改善了當(dāng)?shù)氐纳衬闆r。

鐵路系統(tǒng)能量消耗巨大，將光伏發(fā)電引入鐵路系統(tǒng)可以有效減少其從電網(wǎng)獲取的能量，從而大幅度減少電費(fèi)支出，降低運(yùn)營(yíng)成本。例如，雄安站和上海虹橋站建設(shè)的光伏發(fā)電站，年均發(fā)電量為百萬(wàn)千瓦時(shí)，能夠?yàn)檐囌净A(chǔ)設(shè)備和列車負(fù)載供給大量能量，減少?gòu)碾娋W(wǎng)獲取的電量，能夠降低碳排放量，同時(shí)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。列車負(fù)載在制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的再生制動(dòng)能量，光伏發(fā)電可以結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)回收利用列車再生自動(dòng)能量，消納光伏發(fā)出的多余電能，進(jìn)一步提高鐵路系統(tǒng)的能量利用率，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平復(fù)光伏發(fā)電自身的波動(dòng)性，改善引入光伏發(fā)電帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題。

4 光伏發(fā)電在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用展望

目前，從現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)和光伏發(fā)電技術(shù)分析可知，大規(guī)模光伏接入鐵路系統(tǒng)具有可行性，但是由于光伏發(fā)電技術(shù)接入鐵路牽引系統(tǒng)發(fā)展還處于起步階段，各種技術(shù)研究還不成熟，現(xiàn)有的技術(shù)還不能完全兼顧安全性、高功率比、高電能質(zhì)量等多方面的要求，因此光伏發(fā)電接入牽引供電系統(tǒng)還有很大的研究前景和發(fā)展空間。下面就光伏發(fā)電技術(shù)的相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行介紹。

第一，產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)：從光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展來(lái)看，截至2021 年，全世界約有136 個(gè)國(guó)家和地區(qū)在大力發(fā)展太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，其中約70%的國(guó)家在大規(guī)模進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)和太陽(yáng)能電池板的研發(fā)研究，同時(shí)生產(chǎn)各種相關(guān)的節(jié)能新產(chǎn)品。目前，全球市場(chǎng)有近4600 家企業(yè)向能源市場(chǎng)提供光伏電池和以光伏電池為電源的相關(guān)產(chǎn)品。全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量每年增長(zhǎng)近40%，生產(chǎn)規(guī)模較之前擴(kuò)大了5 倍。

第二，政策支持：我國(guó)在“十四五”規(guī)劃期間明確提出要“促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型”“推進(jìn)能源革命”“構(gòu)建生態(tài)文明體系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型”和“全面提高資源利用效率”等要求。我國(guó)將持續(xù)完善風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展布局，在持續(xù)推進(jìn)集中式基地建設(shè)的同時(shí)，全力支持分布式風(fēng)電、光伏發(fā)展。這對(duì)光伏發(fā)電在鐵路系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用具有大力的推動(dòng)作用。

第三，技術(shù)現(xiàn)狀：首先，當(dāng)前我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但是不少企業(yè)依然存在成本高、收入少的財(cái)務(wù)問(wèn)題[11]，現(xiàn)階段總體成本過(guò)高和低轉(zhuǎn)換效率是光伏接入技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用的最大瓶頸，研發(fā)快速高效低成本的光伏電池板，提高轉(zhuǎn)換效率和降低總體成本是光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要方向。其次，光伏發(fā)電等可再生能源發(fā)電受到天氣環(huán)境因素的影響，具有隨機(jī)波動(dòng)性，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，儲(chǔ)能技術(shù)在提高光伏發(fā)電穩(wěn)定性和電能質(zhì)量的過(guò)程中是關(guān)鍵。但是，目前儲(chǔ)能方法均存在著一定的局限性，由于儲(chǔ)能材料本身的固有特性，如電化學(xué)電池儲(chǔ)能密度較小、超級(jí)電容儲(chǔ)能成本過(guò)高、飛輪儲(chǔ)能和抽水儲(chǔ)能占地面積過(guò)大，因此對(duì)各種儲(chǔ)能技術(shù)的有機(jī)結(jié)合、揚(yáng)長(zhǎng)避短，最大限度地優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置方案是研究重點(diǎn)。尤其對(duì)于鐵路負(fù)載，電能的存儲(chǔ)和釋放速度是關(guān)鍵。充分發(fā)揮各種儲(chǔ)能方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)能量、功率和電能質(zhì)量等方面的多重要求，這也成為光伏接入鐵路系統(tǒng)研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了我國(guó)鐵路系統(tǒng)的發(fā)展情況和國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。我國(guó)鐵路系統(tǒng)規(guī)模逐漸增大，同時(shí)鐵路能耗隨之增大。可再生能源接入鐵路系統(tǒng)是解決鐵路能耗，降低碳排放的關(guān)鍵方法，鐵路系統(tǒng)充分合理利用光伏自然資源是未來(lái)研究的重點(diǎn)。本文同時(shí)對(duì)光伏發(fā)電應(yīng)用于鐵路領(lǐng)域帶來(lái)的社會(huì)效益進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)光伏發(fā)電的應(yīng)用進(jìn)行了展望。