兰张高速铁路土地与新能源融合开发研究

2024-03-27栗振坤

高速铁路技术 2024年1期

栗振坤

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

为积极应对全球气候变化，践行绿色低碳发展的目标，我国先后下发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》《2030年前碳达峰行动方案》，提出双碳经济是着力解决资源环境约束突出问题，是实现中华民族永续发展的必然选择，也是构建人类命运共同体的庄严承诺［1］。

随着我国“八纵八横”建设的加快，路网规模逐步扩大，采用先进绿色节能技术，努力建设与铁路沿线生态环境相协调的绿色高速铁路是我国绿色交通发展的重要趋势［2］。

开发利用铁路带状沿线充足的空间资源，大力推广新能源和可再生能源开发技术，将有助于促进绿色低碳、环境友好型交通运输系统的发展，弥补铁路建设与运营资金支撑铁路建设可持续发展，对我国履行应对气候变化责任、确保国家能源安全和推动交通强国建设是极其必要的。

20世纪80年代，铁路新能源开发就已经得到了国内外的广泛研究与试验。东京地铁9号站台上方安装了453 kWp太阳能电池板，为3号线列车服务；智利运营商于2017年建造了两座太阳能光伏发电站，为地铁供应60%的电能，可再生能源利用率达到76%。在国内，铁路行业不断研究、推广新能源解决开发技术，在铁路道口、信号、通信及偏远地区铁路职工生活方面取得了较好的效果［3］。上海铁路局蚌埠铁路医院进行复合平板式太阳能热水器试验，解决了锅炉补热、职工生活用热水等问题。郑州铁路局推广太阳能集热面积12 899.5 m2，平均投资 1 575元／m2，减少了生产生活锅炉用煤量，改善了生产生活条件；杭州东站在天篷和屋顶上安装了 10 MWp的太阳能发电装置［4］；济青高速铁路利用沿线车站屋顶、站台雨棚等闲置空间安装光伏发电项目，取得了显著的节能减排效果［5］。2022年国务院下发《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》，鼓励在公路、铁路沿线布设光伏设施。张舜［6］等结合不同区域的铁路新能源发电潜力，综合推算出光伏发电在铁路全生命周期内的发电总量达1.57万亿kW·h，投资收益率可达144%。然而，现有文献中针对铁路沿线发展较慢、经济较东部地区落后的西部地区或开发条件受限地区的铁路新能源开发的研究较少。

基于此，本文以兰张三四线武威至张掖段高速铁路为例，介绍了铁路开发与新能源融合发展的场景和方式，总结该项目新能源开发效益，并基于资源开发效益，提出了土地与能源融合开发的建议。

1 兰张三四线高速铁路新能源开发方案

兰张三四线武威至张掖段高速铁路位于甘肃省西部、河西走廊经济带。受地区发展因素影响，沿线房地产、商业开发市场规模小，开发条件受限。该区域风、光自然资源丰富，年太阳总辐射5 950～ 6 300 MJ／m2，属于太阳能资源一类及二类地区，发展太阳能产业优势明显。因此，本项目对沿线可开发资源进行初步摸查，制定“以传统土地综合开发为主，以绿色铁路为核心，大力开发沿线光伏新能源”的开发思路，提出“土地+光伏”的融合开发形式，依托河西走廊清洁能源基地，合理划分补亏责任、共享开发收益。

1.1 建设形式

太阳能光伏发电系统在电气化铁路系统中的应用形式可分为非牵引领域和牵引领域［7］。

非牵引领域主要利用铁路沿线站房、雨棚、房屋屋面或利用铁路沿线路基边坡设置分布式光伏发电系统，产生的电能为铁路沿线设施提供动力、照明供电。铁路站房、编组站使用太阳能、风能提供电气照明也有长足的应用潜力［8］。

牵引领域主要利用铁路沿线路基边坡、太阳能资源较好的闲置地块设置大功率集中式光伏电站，充分考虑铁路牵引供电设施位置分布，就近接入牵引变电所、AT所等为电力机车提供牵引供电。

铁路沿线新能源开发选址为站房、雨棚、区间路基、沿线闲置空地、光伏声屏障、光储充一体化电站等。

1.2 铁路沿线光伏开发建设方案

1.2.1 铁路沿线车站分布式光伏发电系统的设置

近年来，分布式光储直柔技术发展迅猛，是光伏发电、储能技术、直流配电、柔性用电于一体的新型系统性能源技术，是能源革新的一种新技术［9-10］。

利用铁路车站客运站房、雨棚以及工区房屋等屋顶资源设置车站分布式光伏发电系统。通过对车站建（构）筑物顶光伏可利用面积进行统计，确定车站分布式光伏发电装机容量及接入方案。为保证获得最大用电收益，优先推荐采用自发自用，余电上网模式，尽可能保证光伏发电就地完全消纳。依据各站平面布置情况，以及各建筑物光伏发电系统输出功率，拟将各站站房和雨棚设计为一套独立的分布式发电系统。将工区房屋设计为另一套分布式发电系统。经初步测算，全线站房、雨棚及工区房屋可供设置光伏发电系统的面积约为3.2万m2，沿线屋顶分布式光伏发电系统装机容量约为6.5 MWp。

1.2.2 铁路区间分布式光伏发电系统的设置

该铁路线路基较多，长度约150 km，其中路堤区段约140 km；边坡总面积约250万m2，其中可利用面积约150万m2，这为光伏发电系统在铁路区间的应用提供了有利条件，可利用铁路区间路基边坡设置区间分布式光伏发电系统，理论总装机容量可达100 MWp，利用区间10／0.4 kV箱式变电站两侧各 150 m左右范围内沿路基两侧边坡设置太阳能光伏组件，按区间10／0.4 kV箱式变电站消纳能力，确定全线区间分布式光伏发电系统装机容量约为6 MWp。为保证获得最大用电收益，该方案光伏发电系统输出的电能就近接入区间10／0.4 kV箱式变电站0.4 kV母线段，优先自我消纳。如有多余电量，通过贯通线输送到别处进行消纳，实现“自发自用、余电上网”，方案如图1所示。根据测算，设置太阳能组件后，路基边坡稳定性基本不受影响，仅需在较陡边坡处进行加固措施。

图1 铁路区间分布式光伏发电分布示意图

1.2.3 铁路区间集中式光伏电站的设置

拟在金昌南、山丹北、红湾车站附近设置集中式光伏电站，结合铁路消纳能力、接入指标、并网政策等因素确定区间设置集中光伏电站的规模为每处约 4 MWp，合计12 MWp。在车站附近闲置地面固定安装光伏组件，经汇流、逆变后引至户外设置的一体化箱体设备内，分别升压至10 kV、27.5 kV电压等级，敷设专用电缆线路就近分别接入铁路10 kV配电所母线和牵引变电所27.5 kV母线，分别为铁路沿线电力负荷和牵引负荷供电，实现就近消纳大功率太阳能，降低铁路站区与沿线用电负荷对公共电网的消耗。

在光伏发电时段有牵引列车通过时，所产生电能由牵引供电系统全部消纳。在光伏发电时段无牵引列车通过时，发电站产生电能向非牵引供电系统供给的同时，可将多余电能存储于储能装置。由此达到稳定牵引网电压、增加系统功率优化调节手段的目的，实现牵引用能更加高效能、低碳化、绿色化。为降低线路损耗、节约专用电缆线路的投资，地面集中式光伏电站与铁路供电所亭的距离尽量控制在5 km以内，方案如图2所示。

图2 铁路区间集中式光伏发电分布示意图

各类光伏发电系统的接入方案如表1所示。

表1 光伏发电系统接入方案表

2 项目新能源开发经济效益分析

全线分布式光伏发电系统装机容量约为12.5 MWp，综合造价约为5元／W（包括光伏组件及支架、直流电缆、逆变器、并网屏等），光伏系统总投资约为6 250万元。集中式光伏发电系统装机容量约为12 MWp，综合造价约为4.5元／W，站前增加边坡补强、绿化、排水等工程总投资约2 100万元，光伏系统总投资约为 5 400万元。以上工程总投资约为13 450万元。

全线分布式光伏发电系统装机容量约为12.5 MWp，年均总发电量约为1 533万kWh。经初步测算，全部消纳年均节省电费约823万元，光伏系统运维费用按0.05元／Wp计算，年均维护费用约62.5万元，年均节省电费约761万元，需要9.3年收回建设投资。

集中式光伏发电系统装机容量约为12 MW，平均每年总发电量约1 472万kWh。经测算，牵引全年用电量11 075万kWh，发电系统产出的电能可供牵引消纳约662.4万kWh，节约年度电费约351.07万元，同时基本容量电费减少171万元；剩余809.6万kWh富余电能上网售出，售电收益约为246.5万元；年均维护费用约60万元，年均节省电费约708.57万元。全线拟装机容量为24.5 MWp，每年可为电网提供电能3 005万kWh，与燃煤电厂330 g／kWh的标准煤消耗量相比，本项目建成后每年可为国家节约标准煤 9 916 t，实现铁路土地开发与新能源融合的高弹性、高效能运行。

“土地+光伏”的综合新能源开发，可用于铁路车站的房屋及风雨棚、铁路附属设施的建筑物及设施，铁路沿线闲置土地资源，外部主要控制因素为安装场地、阳光资源、并入电网条件，主要适用于广大中西部地区的铁路建设中，因地制宜地推进相应光伏综合开发模式，最大化推进沿线土地利用的经济性［11］。