關于發展空中光伏公路的探討

廣州發展能源物流集團有限公司 ■ 羅光明

0 引言

隨著能源技術的飛速發展，人類已經迎來了光伏發電大規模發展的新時代。根據我國發布的《智能光伏產業發展行動計劃(2018-2020)》，國家將推動光伏產業智能化升級，探索在建筑、水利、農業等領域的應用示范建設，積極培育世界級先進制造業集群。我國即將迎來光伏發電“平價上網”的新時代，在此背景下，發展空中光伏公路大有可為。

本文從我國光伏發電的現狀入手，在分析國內外現有光伏示范公路的模式及存在的突出問題后，對空中光伏公路的發展思路、發展優勢、可行性、路段選擇、發展空間和發展前景進行了分析和探討。

1 我國光伏發電現狀概述

近幾年來，伴隨著光伏發電成本的快速下降及光伏“領跑者計劃”等的實施，我國光伏發電出現了超快速的增長。2015年，我國新增光伏裝機容量約為15.13 GW[1]；2016年的新增裝機容量約為34.54 GW[2]；2017年的新增裝機容量約為53 GW，占全球新增光伏裝機容量(約102 GW)的比重為52%[3]。2017年我國累計光伏裝機容量已經超過130 GW，占全球光伏裝機總容量的25%[4]。

從光伏發電成本來看，我國第三批光伏領跑者基地——吉林白城項目的投標價格已經低至0.39元/kWh，僅比當地燃煤標桿上網電價(0.3731元/kWh)高4.5%，這意味著我國光伏發電行業將在未來3年內進入“平價上網”的新時代。

如今，我國不僅是名副其實的光伏制造第一大國，也是名副其實的光伏應用第一大國，但未來我國還需向光伏創造第一大國和第一強國轉變。要實現這一轉變，除已經實現規?；牡孛婀夥娬竞头植际焦夥l電等的快速發展外，還必須大力拓展光伏發電的應用場景和應用模式，通過加快光伏制造與應用技術創新，不斷提高光伏發電效率，降低光伏發電成本，盡快實現“平價上網”，持續做大光伏發電規模，持續快速提高我國光伏發電在電力行業的比重，加快我國能源結構優化的步伐。

2 目前光伏示范公路的模式及存在的問題

查閱目前國內外已有的光伏示范公路相關資料信息發現，當前光伏示范公路的建設模式僅局限在路面鋪設太陽電池。而這種模式存在投資成本高、發電效率低、維護成本高、交通影響大、安全風險大等問題，下文將逐一進行分析。

2.1 投資成本高

由于需要重新設計或改造公路路面(針對現有公路)，并需要采用能承受通行車輛(包括各種重型汽車、載重貨車)重量的太陽電池承重保護板，因此，光伏示范公路的投資成本遠高于普通光伏發電的投資成本。

2.2 發電效率低

由于太陽電池鋪設在路面，并且需要在太陽電池上增加承重保護板，再加上受地面塵土和公路兩側樹林、建筑等障礙物的影響，太陽電池的受光面積、受光程度和受光時間均會受到影響，從而降低發電效率。

2.3 維護成本高

光伏示范公路檢修時，需要先由公路交通管理人員攔截車道和過往車輛，再由專業維修技術人員取出承重保護板及太陽電池，然后才能進行維修，因此維護成本較高。

2.4 交通影響大

若在現有道路路面加裝太陽電池，在施工期間會嚴重影響交通，尤其是高速公路更加不可行。其次，維修時必須攔截車道和車輛，也會對交通造成較大影響。

2.5 安全風險大

在光伏示范公路運行期間，由于太陽電池鋪設在路面，長期受壓導致承重保護板和太陽電池的破碎風險增大；太陽電池長期埋在路面下，散熱差還會增大因太陽電池及電纜等輔助系統過熱而發生火災的風險，不僅會對交通造成影響，還可能造成車輛受損和人身傷害等衍生傷害。另一方面，在這種路面上光伏發電還要面臨天氣變化的極大考驗，包括春、夏、秋、冬不同氣候條件下造成的熱脹冷縮，以及暴雨、下雪、結冰等極端天氣變化帶來的影響。

由以上分析可知，目前的光伏示范公路模式存在諸多問題，缺乏經濟可行性，且配套技術并不成熟，只能停留在示范層面，不能大規模推廣和產業化應用。

3 空中光伏公路的發展思路、優勢及可行性分析

為了使光伏發電在公路系統得到大規模產業化應用，必須探索具有技術和經濟可行性，能增加現有公路經濟附加值，且有利于各參與主體(包括政府、公路相鄰社區、公路業主和公路用戶等)的發展模式，即發展空中光伏公路。

3.1 空中光伏公路的發展思路

經查閱有關文獻，我國最早在2010年時已有人提出在高速公路上空建設空中光伏公路的思路，并已獲得專利[5-6]。與現有光伏示范公路的模式不同，空中光伏公路的發展思路是：在公路上空搭建網架，然后將光伏組件鋪設在道路上空的網架上。

網架建造和光伏組件鋪設高度可根據道路監控立桿等交通監控設施的高度進行確定。經查，一般道路監控設施立桿的高度為6.5 m，因此，光伏組件的鋪設高度可考慮為7 m左右[7]。光伏組件的鋪設寬度可根據公路的寬度進行確定；若公路兩邊無建筑物或防護林等阻礙，光伏組件鋪設的寬度甚至可以超過公路的寬度。

3.2 空中光伏公路的優勢分析

與現有光伏示范公路相比，空中光伏公路明顯具有以下優勢：

1)成本優勢明顯?，F有光伏示范公路模式需要增加透光性好的承重保護板，并需要對路面進行重新設計或改造，投入很大，會成倍增加投資成本。而空中光伏公路不需要對路面進行改造，也不需要研發和采用透光性好的承重保護板，只需要增加空中網架的投資。

2)發展空間大?，F有光伏示范公路需對路面進行改造，會對交通造成較大影響且成本較高，不能在現有公路上進行大規模應用推廣，使其應用范圍受到極大限制。而空中光伏公路不需要對路面進行改造，可充分利用現有的公路資源，具有大規模發展的條件，市場空間很大。

3)可有效提高公路和通行車輛的使用壽命。建設空中光伏公路相當于在公路上加裝遮陽系統，避免了公路和通行車輛直接在太陽下暴曬。另一方面，建設空中光伏公路也相當于在公路上加裝遮雨系統，大幅減少了公路和車輛被雨淋的幾率。避免暴曬和雨淋均可有效提高公路及通行車輛的使用壽命。

4)可提高道路交通效率。建設空中光伏公路將大幅減少或避免極端天氣情況對道路交通造成的影響。如暴雨和下雪對交通的影響很大，甚至在極端天氣情況下還需要關閉高速公路，而下雪對公路的影響時間更長，需要清掃路面的積雪后才能恢復通行。因此，建設空中光伏公路可有效減少或避免上述影響，提高道路交通效率。

5)可提高車輛通行的安全性。建設空中光伏公路可減少交通隱患和事故的發生，主要是可減少或避免強光、暴雨、強風和大雪等對車輛行駛的潛在影響，減少交通事故隱患，提高駕駛員和乘客乘車的安全性和舒適性，從而提高通行安全性。

6)可降低車輛運行成本。建設空中光伏公路后，在炎熱天氣情況下，通行車輛可以避免受到太陽的暴曬，因此可調低車輛空調和通風的功率并減少耗電量；在暴雨情況下，車輛也不需要減速行駛，從而可降低車輛運行成本。

7)可減少電力資源調配。建設空中光伏公路后，其光伏發電產生的電力可就近接入路邊充電站和電網，為將來汽車電動化創造有利條件，實現發電的就地消納，減少電力資源的調配和損耗。

3.3 空中光伏公路的可行性分析

3.3.1 技術可行性

空中光伏公路不需要研發和采用保護太陽電池的承重保護材料，可完全利用現有光伏發電技術進行建設，只需要在公路兩邊和上空加建承載光伏組件和電纜的網架結構，因此，在技術上是完全可行的。

3.3.2 經濟可行性

1)我國光伏發電在未來3年內將實現“平價上網”，即使無國家補貼也可以產生利潤，光伏發電已經具備大規模發展的經濟可行性。

2)發展空中光伏公路不存在新征土地，以及占用耕地、拆遷補償等問題。

3)建設空中光伏公路可利用現有公路的交通、通信和電纜等基礎設施，而地面光伏和分布式光伏項目發電需要在交通、通信和電纜等方面進行投入。

綜合來看，空中光伏公路在成本方面具有獨特的競爭優勢。

3.4 空中光伏公路的區域及路段選擇建議

從建設成本、光伏發電效率等角度考慮，建議空中光伏公路首選區域及路段為：

1)宜選擇光照時間長和光照強度高的地區；

2)應選擇城市以外的道路，即道路兩邊建筑物少的路段；

3)應首先選擇公路兩邊無防護林帶的路段；

4)應選擇平坦的路段。

4 空中光伏公路的發展前景展望

空中光伏公路具有多方面的優勢，技術成熟、經濟可行，并具有顯著的環境效益和社會效益，政府相關部門(尤其是交通管理部門)、電力系統、光伏組件供應商、公路業主、車輛運行方和周邊居民等眾多參考者均將從中受益。因此，發展空中光伏公路能充分調動各參與方的積極性，極大地推動我國光伏制造和光伏發電產業的發展，加快其技術創新和產業發展步伐，進一步鞏固我國光伏制造與應用大國和強國的地位。

4.1 空中光伏公路的發展空間分析

2017年，我國的公路總里程已達477萬km[8]，若僅利用其中的1/10建設成為空中光伏公路，保守估計光伏裝機容量可達1000 GW，可實現年發電量1萬億kWh，相當于我國2017年總發電量的15%。

4.2 推動公路系統的轉型升級

隨著電動汽車、自動駕駛技術、無線充電和智能交通等技術的飛速發展，未來交通將發生革命性的變革。而空中光伏公路系統可與這些技術系統進行有效地對接和融合，共同推動公路交通系統的轉型升級，提升公路的綜合效益和附加價值，最終實現智慧道路的目標。

4.3 空中光伏公路的示范效應

空中光伏公路模式若能在光伏發電實現“平價上網”后得到成功應用，并在技術、經濟、環保等方面得到驗證后，可以通過以下途徑進行推廣應用：1)可以向鐵路系統延伸，探索建設空中光伏鐵路；2)可借鑒我國高鐵和核電等行業走出國門發展的成功經驗，將空中光伏公路模式向全世界推廣[9]。

5 結語

本文對空中光伏公路的發展思路、發展優勢、可行性、路段選擇等進行了分析探討，并對空中光伏公路的發展空間和發展前景進行了展望。我國即將迎來光伏發電“平價上網”的新時代，發展空中光伏公路大有可為。