摘要：我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)尤其是陸路交通系統(tǒng)體量巨大，能源消費(fèi)總量和電能消耗數(shù)量龐大，而且消耗總量還在逐年遞增。推動(dòng)交通運(yùn)輸部門的能源革命，是落實(shí)國(guó)家能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命要求的重要內(nèi)容，也是轉(zhuǎn)變粗放發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展的必由之路。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，以光伏發(fā)電為主體的新能源發(fā)電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)陸路交通系統(tǒng)新能源替代的重要手段。本文就我國(guó)公路交通系統(tǒng)和鐵路交通系統(tǒng)的光伏發(fā)電潛力進(jìn)行了分析，根據(jù)我國(guó)2020年陸路交通系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃中關(guān)于陸路交通系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃對(duì)我國(guó)陸路交通系統(tǒng)中長(zhǎng)期新能源替代潛力進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：交通；能源；光伏發(fā)電

中圖分類號(hào)：U111"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：1673?6478（2023）03-0049-09

Prospect of the Medium and Long?term Potential of New Energy in Land Transportation

WU Erdong， FENG Tao， MA Qinhui， QIAN Bin， GUO Kaikai

（Zhejiang Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Hangzhou Zhejiang 310000， China）

Abstract： The transportation industry of China， especially the land transportation， has a tremendous scale. The total energy consumption and electric energy consumption of transportation industry are huge， and the total consumption is increasing year by year. Promoting the energy revolution in the transportation industry is a significant part of the revolution of energy production and consumption. It is also the only way to transform the extensive development mode and realize the sustainable development of transportation industry. Considering the abundant solar energy in China， photovoltaic power generation technology could be an essential method to achieve the energy substitution in land transportation system. This paper analyzes the potential of photovoltaic power generation in road and railway transportation systems in China. In this paper， researchers make a prospect to the medium and long?term potential of new energy in land transportation system， according to the statistical data of China's land transportation system in 2020 and the development plan of the \"14th Five?Year Plan\" modern comprehensive of transportation system.

Key words： traffic; energy; photovoltaic power generation

0 引言

在“碳達(dá)峰、碳中和”背景下，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型迫在眉睫，以新能源資源替代化石能源提高可再生能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的地位是大勢(shì)所趨。交通運(yùn)輸行業(yè)作為社會(huì)發(fā)展的重要支柱，其能源消費(fèi)需求增長(zhǎng)和CO2、污染物排放增長(zhǎng)迅速。2014年我國(guó)政府提出推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命，要求加快能源消費(fèi)革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命、能源體制革命，全方位加強(qiáng)國(guó)際合作。2019年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》提出“推廣新能源、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”等要求。2021年，中共中央、國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，要求推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與能源網(wǎng)融合發(fā)展，健全能源戰(zhàn)略物資運(yùn)輸保障體系[1]。從世界交通運(yùn)輸領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀看，光伏公路、電動(dòng)汽車、V2G技術(shù)、共享出行等新技術(shù)新業(yè)態(tài)將成為交通運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的重要方向[2]。

1 我國(guó)交通用能現(xiàn)狀

交通運(yùn)輸行業(yè)和能源行業(yè)是支持社會(huì)現(xiàn)代化發(fā)展和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在現(xiàn)今全球推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型和我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的大背景下都面臨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和技術(shù)變革的重要?dú)v史窗口。2016年國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局印發(fā)《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略（2016—2030）》，要求“加快能源消費(fèi)革命、能源供給革命、能源技術(shù)革命、能源體制革命，全方位加強(qiáng)國(guó)際合作?！苯煌ㄟ\(yùn)輸行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)改革的重要一環(huán)，更有助于實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)由粗放發(fā)展轉(zhuǎn)向可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

我國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)體量巨大，能源消費(fèi)總量和電能消耗數(shù)量龐大，“十三五”期間交通運(yùn)輸行業(yè)能源消費(fèi)總量增長(zhǎng)高達(dá)17.7%[3]。據(jù)中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒[3]數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)能源消費(fèi)總量高達(dá)4.1108tce，約占全社會(huì)能源消費(fèi)總量的8.3%左右。2020年全年交通運(yùn)輸行業(yè)客運(yùn)量96.65億人，旅客周轉(zhuǎn)量19"251.43億人公里，貨運(yùn)量464.40億噸，貨物周轉(zhuǎn)量196"760.92億公里，客貨運(yùn)輸結(jié)構(gòu)如圖1所示?？梢钥吹焦返目拓涍\(yùn)輸量超過(guò)總量的70%[4]。以公路和鐵路為主體的陸路交通承擔(dān)了交通運(yùn)輸行業(yè)接近95%的客運(yùn)量和超過(guò)80%的貨運(yùn)量。

2020年交通運(yùn)輸行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)量能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，公路交通在客貨運(yùn)總量中所占的巨大份額，使得交通運(yùn)輸行業(yè)的柴油消費(fèi)量超過(guò)了總量的35%，油品合計(jì)占消費(fèi)總量近80%，而電力消費(fèi)僅占6%左右。降低化石能源消費(fèi)比例，提高交通運(yùn)輸行業(yè)新能源替代比例，是我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之路上的重要一環(huán)，采用新能源替代化石能源發(fā)電，提高交通運(yùn)輸行業(yè)電力消費(fèi)比例，是重要思路之一。

2 交通領(lǐng)域新能源替代技術(shù)與案例

全球交通領(lǐng)域的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)已經(jīng)有一定的技術(shù)成果，在交通領(lǐng)域以新能源替代化石能源的技術(shù)在各國(guó)都已有案例。公路、鐵路為主的陸路交通作為交通領(lǐng)域客貨運(yùn)的主要部門，也是新能源替代的重點(diǎn)部門，其中尤其以光伏發(fā)電技術(shù)為代表。陸路交通系統(tǒng)以光伏發(fā)電技術(shù)為代表的新能源替代的技術(shù)案例見(jiàn)表1。

3 我國(guó)交通領(lǐng)域新能源替代潛力與前景

3.1 新能源替代潛力

新能源替代的主要方式之一是通過(guò)可再生能源發(fā)電供交通基礎(chǔ)設(shè)備和運(yùn)載工具用能，從而實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)用能自洽，降低化石能源消費(fèi)比例。我國(guó)太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富，開(kāi)發(fā)潛力巨大，2021 年全國(guó)100m高度平均風(fēng)功率為234.9W/m²，全國(guó)平均年水平面總輻照量1 493.4kW? h/m²[7]。我國(guó)目前對(duì)風(fēng)光能源的利用已有一定的規(guī)模，2021 年我國(guó)累計(jì)風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模分別為3.3 × 10⁸kW、3.1 × 10⁸kW。根據(jù)有關(guān)預(yù)測(cè)，到2030 年我國(guó)風(fēng)、光并網(wǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)超過(guò)1.2 × 10⁹kW[8]。其中考慮到開(kāi)發(fā)難度、可行性以及對(duì)全國(guó)各地區(qū)、不同應(yīng)用場(chǎng)景的適用性，以光伏發(fā)電為主體的新能源發(fā)電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)陸路交通系統(tǒng)新能源替代的重要手段。我國(guó)太陽(yáng)能資源具有時(shí)空分布不均勻的特點(diǎn)，根據(jù)單位面積年輻射量可以將我國(guó)太陽(yáng)能資源地區(qū)分為四類，具體見(jiàn)表2。

在公路領(lǐng)域，根據(jù)賈利民等[9]的測(cè)算，在太陽(yáng)能經(jīng)由光電設(shè)備轉(zhuǎn)換為電能總輸出效率為30%的假設(shè)前提下，我國(guó)高速公路系統(tǒng)樂(lè)觀場(chǎng)景下的太陽(yáng)能可裝機(jī)容量約為1.0 × 10⁸kW，年均發(fā)電量約為1.937 ×10¹¹kW ? h；一般場(chǎng)景下的太陽(yáng)能可裝機(jī)容量約為1.3 × 10⁷kW，年均發(fā)電量約為2.52 × 10¹⁰kW? h。在鐵路領(lǐng)域，我國(guó)88.5%的軌道里程分布于Ⅱ、Ⅲ類光資源區(qū)，適宜利用鐵路的空間優(yōu)勢(shì)建設(shè)分布式光伏發(fā)電設(shè)備。利用鐵路沿線專有空間、客貨運(yùn)輸站屋面、停車站等建筑的屋頂空閑面積建設(shè)分布式光伏發(fā)電設(shè)備，采用自發(fā)自用、構(gòu)建微電網(wǎng)的策略，減少鐵路系統(tǒng)對(duì)于化石能源電力的需求，多余發(fā)電量通過(guò)微電網(wǎng)由其他用電設(shè)備和站點(diǎn)消納[10]。

3.2 公路領(lǐng)域光伏發(fā)電前景

公路領(lǐng)域的光伏發(fā)電主要針對(duì)公路交通基礎(chǔ)設(shè)施電力消耗，包括服務(wù)區(qū)、隧道、橋梁、收費(fèi)站、沿線設(shè)備的辦公、通風(fēng)、照明等基礎(chǔ)用電。根據(jù)公開(kāi)數(shù)據(jù)測(cè)算，我國(guó)公路系統(tǒng)服務(wù)區(qū)年均能耗約為5.36 ×10⁹kW? h，隧道年均能耗約為1.067 × 10¹⁰kW? h，橋梁年均能耗約為9.31 × 10⁹kW? h，收費(fèi)站年均能耗約為4.45 × 10⁵kW? h，沿線設(shè)備年均能耗約為2.276 ×10⁶kW? h。因此公路系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施年均總能耗約為2.535 × 10¹⁰kW? h，根據(jù)高速公路占比可測(cè)算出其基礎(chǔ)設(shè)施年均能耗約為1.799 × 10¹⁰kW? h。

截至2020年底，我國(guó)已有公路里程5.2×10⁶km，其中高速公路超過(guò)16萬(wàn)公里。根據(jù)我國(guó)等級(jí)公路劃分，高速公路和一級(jí)公路是全部控制或部分控制出入汽車分向、分車道形式的國(guó)家干線公路?？紤]到光伏設(shè)備的鋪設(shè)條件和養(yǎng)護(hù)條件，高速公路和一級(jí)公路更適宜通過(guò)鋪設(shè)光伏設(shè)備實(shí)現(xiàn)新能源的替代。

公路鋪設(shè)光伏設(shè)備的具體方案包括：（1）公路沿線可供鋪設(shè)光伏發(fā)電設(shè)備，包括公路隔離帶、邊坡、公路路面，根據(jù)賈立明等人[9]的計(jì)算，高速公路可開(kāi)發(fā)路面寬度為40m，一級(jí)公路可開(kāi)發(fā)寬度為25m；（2）?在隧道口處布置光伏設(shè)備。隧道的雙洞隔離帶間存在一定面積的可開(kāi)發(fā)空間可供布置光伏發(fā)電設(shè)備；（3）?在高速公路服務(wù)區(qū)布置光伏設(shè)備。高速公路服務(wù)區(qū)存在大量建筑空閑屋面可供布置光伏設(shè)備。

根據(jù)2020年全國(guó)高速公路以及一級(jí)公路統(tǒng)計(jì)情況計(jì)算了全國(guó)公路系統(tǒng)（不含港澳臺(tái)）的光伏發(fā)電潛力，結(jié)果見(jiàn)表3。

公路光伏發(fā)電系統(tǒng)還需要考慮到實(shí)際建設(shè)過(guò)程中的鋪設(shè)面積和光伏發(fā)電設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換率，以及需要考慮建成后光伏發(fā)電設(shè)備發(fā)電量與實(shí)際公路耗電量的比值，即自洽率。表4以高速公路及其服務(wù)區(qū)為例，計(jì)算了不同鋪設(shè)條件下高速公路系統(tǒng)的光伏發(fā)電潛力和自洽率。

可以看到，高速公路系統(tǒng)乃至整個(gè)公路交通系統(tǒng)具有巨大的光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)潛力，在1%的開(kāi)發(fā)率、30%光電轉(zhuǎn)化率的鋪設(shè)條件下，全國(guó)的高速公路系統(tǒng)能夠提供超過(guò)28萬(wàn)GW? h的發(fā)電量，自洽率達(dá)到1.60，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足并能夠向外送電。

表5為在1%的開(kāi)發(fā)率、30%光電轉(zhuǎn)化率的鋪設(shè)條件下，各省份（不含港澳臺(tái)）的高速公路系統(tǒng)發(fā)電量和裝機(jī)容量。

根據(jù)國(guó)家《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》：2025年預(yù)計(jì)全國(guó)公路里程達(dá)到550萬(wàn)公里，高速公路里程達(dá)到19萬(wàn)公里[13]。根據(jù)計(jì)算可以預(yù)見(jiàn)，“十四五”末全國(guó)高速公路系統(tǒng)保守可提供33萬(wàn)GW ? h的光伏發(fā)電量，裝機(jī)容量330GW，全國(guó)公路系統(tǒng)可提供超過(guò)46萬(wàn)GW? h的光伏發(fā)電量，裝機(jī)容量460GW。

3.3 鐵路領(lǐng)域光伏發(fā)電前景

我國(guó)現(xiàn)有鐵路交通系統(tǒng)的載運(yùn)體主要分為內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車。其中內(nèi)燃機(jī)車是通過(guò)燃燒石油或天然氣驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置獲得機(jī)械能，主要用能形式為化石能源。電力機(jī)車則通過(guò)牽引供電網(wǎng)獲取電力或采用電力儲(chǔ)能提供動(dòng)力。由于基礎(chǔ)設(shè)施電氣化建設(shè)要求和難度比載運(yùn)裝備牽引動(dòng)力電氣化較低，其電氣化較早。截至2021年底，我國(guó)鐵路電氣化率達(dá)73.3%，但內(nèi)燃機(jī)車使用量?jī)H為0.78萬(wàn)輛[10]。而目前鐵路電力的獲取主要依靠火力發(fā)電，用能結(jié)構(gòu)從根本上還是以化石能源為主。為實(shí)現(xiàn)鐵路交通系統(tǒng)的用能轉(zhuǎn)型和清潔化發(fā)展，就需要實(shí)現(xiàn)新能源替代化石能源發(fā)電，實(shí)現(xiàn)鐵路交通系統(tǒng)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

經(jīng)測(cè)算， 全國(guó)高鐵系統(tǒng)日均耗電量平均為230GW? h，全年累計(jì)耗電量為83 950GW ? h；全國(guó)非電氣化鐵路日均耗能13 870MW? h，全年累計(jì)耗電量為5 063GW ? h。

公路領(lǐng)域的可再生能源替代方案主要思路為在公路沿線建設(shè)光伏發(fā)電設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)能源替代，包括：（1）鐵路邊坡鋪設(shè)光伏發(fā)電設(shè)備；（2）非電氣化鐵路上方布置光伏隧道；（3）鐵路客運(yùn)車站建筑屋面鋪設(shè)光伏設(shè)備。

表6為鐵路可利用的光伏鋪設(shè)空間以及其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)?據(jù)。

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，表7計(jì)算了全國(guó)各地鐵路（不含港澳臺(tái)）沿線光伏發(fā)電潛力，表8計(jì)算了各鐵路局所屬車站的光伏發(fā)電潛力。

同樣，鐵路光伏發(fā)電系統(tǒng)也需要考慮到實(shí)際建設(shè)過(guò)程中的鋪設(shè)面積和光伏發(fā)電設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換率，以及需要考慮建成后的自洽率。表9以鐵路及其客運(yùn)車站為例，計(jì)算了不同鋪設(shè)條件下鐵路系統(tǒng)的光伏發(fā)電潛力和自洽率。

可以看到，鐵路系統(tǒng)具有巨大的光伏發(fā)電開(kāi)發(fā)潛力，在10%的開(kāi)發(fā)率、30%光電轉(zhuǎn)化率的鋪設(shè)條件下，全國(guó)的鐵路系統(tǒng)能夠提供超過(guò)9.8萬(wàn)GW? h的發(fā)電量，自洽率達(dá)到1.10，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足。

根據(jù)國(guó)家《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》：2025年預(yù)計(jì)全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到16.5萬(wàn)公里，高鐵里程達(dá)到3.8萬(wàn)公里[13]。根據(jù)計(jì)算可以預(yù)見(jiàn)，“十四五”末全國(guó)鐵路系統(tǒng)保守可提供11萬(wàn)GW? h的光伏發(fā)電量，沿線裝機(jī)容量超過(guò)100GW。

3.4 陸路交通系統(tǒng)發(fā)電潛力分析

根據(jù)上述計(jì)算分析，全國(guó)的陸路交通系統(tǒng)具有巨大的光伏發(fā)電潛力，在低鋪設(shè)率（10%）的情況下就可以實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)自身的用電自洽，并能夠?qū)崿F(xiàn)向外送電。保守估計(jì)，在“十四五”末全國(guó)陸路交通系統(tǒng)能夠提供超過(guò)16萬(wàn)GW? h的光伏發(fā)電量，光伏裝機(jī)容量超過(guò)560GW。

不同地區(qū)的陸路交通系統(tǒng)光伏發(fā)電潛力與當(dāng)?shù)毓饽苜Y源和交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)。內(nèi)蒙古地區(qū)由于是光能資源Ⅰ類地區(qū)，全年輻照量全國(guó)第三且鐵路營(yíng)業(yè)里程數(shù)全國(guó)第一，因此在光伏發(fā)電潛力上位居榜首。西藏地區(qū)盡管具有豐富的光能資源，但限于交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的相對(duì)不發(fā)達(dá)，發(fā)電潛力反而居于末位，與之形成對(duì)比的是廣東省，盡管光能資源相對(duì)一般但由于交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，其發(fā)電潛力位居前列。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的交通運(yùn)輸行業(yè)體量巨大，能源消費(fèi)總量和電能消耗數(shù)量龐大，而且消耗總量還在逐年遞增。尤其是以公路和鐵路為主體的陸路交通承擔(dān)了交通運(yùn)輸行業(yè)接近95%的客運(yùn)量和超過(guò)80%的貨運(yùn)量，耗能巨大。為響應(yīng)國(guó)家“推廣新能源、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”等要求，在陸路交通系統(tǒng)中進(jìn)行新能源替代勢(shì)在必?行。

本文對(duì)我國(guó)陸路交通系統(tǒng)的能耗、光伏發(fā)電潛力、光伏發(fā)電自洽率以及前景進(jìn)行了分析與計(jì)算，得到以下結(jié)論：

（1）我國(guó)的公路在現(xiàn)有條件下的光伏發(fā)電潛力超過(guò)1 400 萬(wàn)GW? h。在1%的開(kāi)發(fā)率、30%光電轉(zhuǎn)化率的鋪設(shè)條件下，全國(guó)的高速公路系統(tǒng)能夠提供超過(guò)28 萬(wàn)GW ? h的發(fā)電量，自洽率達(dá)到1.60。“十四五”末全國(guó)高速公路系統(tǒng)保守可提供33 萬(wàn)GW? h的光伏發(fā)電量，裝機(jī)量超過(guò)330GW，全國(guó)公路系統(tǒng)可提供超過(guò)46 萬(wàn)GW? h的光伏發(fā)電量，裝機(jī)量超過(guò)460GW。

（2）我國(guó)的鐵路在現(xiàn)有條件下的光伏發(fā)電潛力超過(guò)300 萬(wàn)GW? h。在10%的開(kāi)發(fā)率、30%光電轉(zhuǎn)化率的鋪設(shè)條件下，全國(guó)的鐵路系統(tǒng)能夠提供超過(guò)9.8萬(wàn)GW? h的發(fā)電量，自洽率達(dá)到1.10，能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足。根據(jù)計(jì)算可以預(yù)見(jiàn)，“十四五”末全國(guó)鐵路系統(tǒng)保守可提供11 萬(wàn)GW ? h的光伏發(fā)電量，鐵路沿線裝機(jī)量超過(guò)100GW。

（3）我國(guó)的陸路交通系統(tǒng)發(fā)電潛力與當(dāng)?shù)毓饽苜Y源和交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)程度密切相關(guān)。隨著交通系統(tǒng)光伏發(fā)電的開(kāi)發(fā)，局部地區(qū)將有大量光電流向電網(wǎng)，需要提高當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)系統(tǒng)消納能力。

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