蘭張高速鐵路土地與新能源融合開發研究

栗振坤

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

為積極應對全球氣候變化，踐行綠色低碳發展的目標，我國先后下發了《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》《2030年前碳達峰行動方案》，提出雙碳經濟是著力解決資源環境約束突出問題，是實現中華民族永續發展的必然選擇，也是構建人類命運共同體的莊嚴承諾［1］。

隨著我國“八縱八橫”建設的加快，路網規模逐步擴大，采用先進綠色節能技術，努力建設與鐵路沿線生態環境相協調的綠色高速鐵路是我國綠色交通發展的重要趨勢［2］。

開發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發技術，將有助于促進綠色低碳、環境友好型交通運輸系統的發展，彌補鐵路建設與運營資金支撐鐵路建設可持續發展，對我國履行應對氣候變化責任、確保國家能源安全和推動交通強國建設是極其必要的。

20世紀80年代，鐵路新能源開發就已經得到了國內外的廣泛研究與試驗。東京地鐵9號站臺上方安裝了453 kWp太陽能電池板，為3號線列車服務；智利運營商于2017年建造了兩座太陽能光伏發電站，為地鐵供應60%的電能，可再生能源利用率達到76%。在國內，鐵路行業不斷研究、推廣新能源解決開發技術，在鐵路道口、信號、通信及偏遠地區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院進行復合平板式太陽能熱水器試驗，解決了鍋爐補熱、職工生活用熱水等問題。鄭州鐵路局推廣太陽能集熱面積12 899.5 m2，平均投資 1 575元／m2，減少了生產生活鍋爐用煤量，改善了生產生活條件；杭州東站在天篷和屋頂上安裝了 10 MWp的太陽能發電裝置［4］；濟青高速鐵路利用沿線車站屋頂、站臺雨棚等閑置空間安裝光伏發電項目，取得了顯著的節能減排效果［5］。2022年國務院下發《“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃》，鼓勵在公路、鐵路沿線布設光伏設施。張舜［6］等結合不同區域的鐵路新能源發電潛力，綜合推算出光伏發電在鐵路全生命周期內的發電總量達1.57萬億kW·h，投資收益率可達144%。然而，現有文獻中針對鐵路沿線發展較慢、經濟較東部地區落后的西部地區或開發條件受限地區的鐵路新能源開發的研究較少。

基于此，本文以蘭張三四線武威至張掖段高速鐵路為例，介紹了鐵路開發與新能源融合發展的場景和方式，總結該項目新能源開發效益，并基于資源開發效益，提出了土地與能源融合開發的建議。

1 蘭張三四線高速鐵路新能源開發方案

蘭張三四線武威至張掖段高速鐵路位于甘肅省西部、河西走廊經濟帶。受地區發展因素影響，沿線房地產、商業開發市場規模小，開發條件受限。該區域風、光自然資源豐富，年太陽總輻射5 950～ 6 300 MJ／m2，屬于太陽能資源一類及二類地區，發展太陽能產業優勢明顯。因此，本項目對沿線可開發資源進行初步摸查，制定“以傳統土地綜合開發為主，以綠色鐵路為核心，大力開發沿線光伏新能源”的開發思路，提出“土地+光伏”的融合開發形式，依托河西走廊清潔能源基地，合理劃分補虧責任、共享開發收益。

1.1 建設形式

太陽能光伏發電系統在電氣化鐵路系統中的應用形式可分為非牽引領域和牽引領域［7］。

非牽引領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置分布式光伏發電系統，產生的電能為鐵路沿線設施提供動力、照明供電。鐵路站房、編組站使用太陽能、風能提供電氣照明也有長足的應用潛力［8］。

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

鐵路沿線新能源開發選址為站房、雨棚、區間路基、沿線閑置空地、光伏聲屏障、光儲充一體化電站等。

1.2 鐵路沿線光伏開發建設方案

1.2.1 鐵路沿線車站分布式光伏發電系統的設置

近年來，分布式光儲直柔技術發展迅猛，是光伏發電、儲能技術、直流配電、柔性用電于一體的新型系統性能源技術，是能源革新的一種新技術［9-10］。

利用鐵路車站客運站房、雨棚以及工區房屋等屋頂資源設置車站分布式光伏發電系統。通過對車站建（構）筑物頂光伏可利用面積進行統計，確定車站分布式光伏發電裝機容量及接入方案。為保證獲得最大用電收益，優先推薦采用自發自用，余電上網模式，盡可能保證光伏發電就地完全消納。依據各站平面布置情況，以及各建筑物光伏發電系統輸出功率，擬將各站站房和雨棚設計為一套獨立的分布式發電系統。將工區房屋設計為另一套分布式發電系統。經初步測算，全線站房、雨棚及工區房屋可供設置光伏發電系統的面積約為3.2萬m2，沿線屋頂分布式光伏發電系統裝機容量約為6.5 MWp。

1.2.2 鐵路區間分布式光伏發電系統的設置

該鐵路線路基較多，長度約150 km，其中路堤區段約140 km；邊坡總面積約250萬m2，其中可利用面積約150萬m2，這為光伏發電系統在鐵路區間的應用提供了有利條件，可利用鐵路區間路基邊坡設置區間分布式光伏發電系統，理論總裝機容量可達100 MWp，利用區間10／0.4 kV箱式變電站兩側各 150 m左右范圍內沿路基兩側邊坡設置太陽能光伏組件，按區間10／0.4 kV箱式變電站消納能力，確定全線區間分布式光伏發電系統裝機容量約為6 MWp。為保證獲得最大用電收益，該方案光伏發電系統輸出的電能就近接入區間10／0.4 kV箱式變電站0.4 kV母線段，優先自我消納。如有多余電量，通過貫通線輸送到別處進行消納，實現“自發自用、余電上網”，方案如圖1所示。根據測算，設置太陽能組件后，路基邊坡穩定性基本不受影響，僅需在較陡邊坡處進行加固措施。

圖1 鐵路區間分布式光伏發電分布示意圖

1.2.3 鐵路區間集中式光伏電站的設置

擬在金昌南、山丹北、紅灣車站附近設置集中式光伏電站，結合鐵路消納能力、接入指標、并網政策等因素確定區間設置集中光伏電站的規模為每處約 4 MWp，合計12 MWp。在車站附近閑置地面固定安裝光伏組件，經匯流、逆變后引至戶外設置的一體化箱體設備內，分別升壓至10 kV、27.5 kV電壓等級，敷設專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荷和牽引負荷供電，實現就近消納大功率太陽能，降低鐵路站區與沿線用電負荷對公共電網的消耗。

在光伏發電時段有牽引列車通過時，所產生電能由牽引供電系統全部消納。在光伏發電時段無牽引列車通過時，發電站產生電能向非牽引供電系統供給的同時，可將多余電能存儲于儲能裝置。由此達到穩定牽引網電壓、增加系統功率優化調節手段的目的，實現牽引用能更加高效能、低碳化、綠色化。為降低線路損耗、節約專用電纜線路的投資，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以內，方案如圖2所示。

圖2 鐵路區間集中式光伏發電分布示意圖

各類光伏發電系統的接入方案如表1所示。

表1 光伏發電系統接入方案表

2 項目新能源開發經濟效益分析

全線分布式光伏發電系統裝機容量約為12.5 MWp，綜合造價約為5元／W（包括光伏組件及支架、直流電纜、逆變器、并網屏等），光伏系統總投資約為6 250萬元。集中式光伏發電系統裝機容量約為12 MWp，綜合造價約為4.5元／W，站前增加邊坡補強、綠化、排水等工程總投資約2 100萬元，光伏系統總投資約為 5 400萬元。以上工程總投資約為13 450萬元。

全線分布式光伏發電系統裝機容量約為12.5 MWp，年均總發電量約為1 533萬kWh。經初步測算，全部消納年均節省電費約823萬元，光伏系統運維費用按0.05元／Wp計算，年均維護費用約62.5萬元，年均節省電費約761萬元，需要9.3年收回建設投資。

集中式光伏發電系統裝機容量約為12 MW，平均每年總發電量約1 472萬kWh。經測算，牽引全年用電量11 075萬kWh，發電系統產出的電能可供牽引消納約662.4萬kWh，節約年度電費約351.07萬元，同時基本容量電費減少171萬元；剩余809.6萬kWh富余電能上網售出，售電收益約為246.5萬元；年均維護費用約60萬元，年均節省電費約708.57萬元。全線擬裝機容量為24.5 MWp，每年可為電網提供電能3 005萬kWh，與燃煤電廠330 g／kWh的標準煤消耗量相比，本項目建成后每年可為國家節約標準煤 9 916 t，實現鐵路土地開發與新能源融合的高彈性、高效能運行。

“土地+光伏”的綜合新能源開發，可用于鐵路車站的房屋及風雨棚、鐵路附屬設施的建筑物及設施，鐵路沿線閑置土地資源，外部主要控制因素為安裝場地、陽光資源、并入電網條件，主要適用于廣大中西部地區的鐵路建設中，因地制宜地推進相應光伏綜合開發模式，最大化推進沿線土地利用的經濟性［11］。

3 結論

我國中西部鐵路沿線發展較慢、經濟較東部地區落后。在一些弱電網、無電網地區，鐵路路網與電網布局失配或適配困難。傳統的土地開發模式已無法滿足收益需求，而鐵路自身高度依賴外網的模式也面臨巨大挑戰。

本項目充分利用豐富的光資源，提出了“土地+光伏”的綜合新能源開發思路。通過綠色產能與高速鐵路建設相融合，構建清潔、綠色的能源系統。這一措施不僅可以促進軌道交通行業能源結構的優化和轉型，降低交通行業能源消耗，同時對我國西部資源經濟開發、國家經濟可持續發展具有重要的推廣意義。