太阳能光伏发电在铁路中的发展路径研究

Development Path of Solar Photovoltaic Power Generation in Railway

摘要

推动铁路光伏发电高质量发展、推进用能清洁化，是实现铁路与光伏产业融合的重要途径，对于优化铁路用能结构、推动铁路绿色低碳发展具有重要意义。在阐述铁路开发光伏产业的意义基础上，基于铁路发展光伏发电的优势和资源禀赋，研究提出铁路光伏发电的发展路径，从铁路光伏发电应用场景、铁路光伏产业开发建议、铁路光伏发电技术创新实施路径等方面，构建“铁路+光伏”的铁路绿色发展模式。研究提出按照顶层设计类、提质增效类、前沿技术类、资产管理类的类别开展铁路光伏发电技术创新。最后，展望铁路未来绿色和低碳化的发展方向，为铁路领域光伏发电技术的应用与产业发展提供参考。

Abstract

The promotion of high-quality development of railway photovoltaic power generation and the promotion of energy use cleanliness are important for achieving the integration of railway and photovoltaic industry, which is of great significance for optimizing the railway energy use structure and promoting the green and low-carbon development of the railway. After explaining the significance of railway development photovoltaic industry, based on the advantages and resource endowments of railway development photovoltaic power generation, this paper studied and proposed the development path of railway photovoltaic power generation. It built a "railway+photovoltaic" railway green development model from the aspects of railway photovoltaic power generation application scenarios, railway photovoltaic industry development suggestions, and the implementation path of railway photovoltaic power generation technology innovation. The paper carried out railway photovoltaic power generation technology innovation according to the categories of top-level design, quality and efficiency improvement, cutting-edge technology, and asset management. Finally, the paper looked forward to the direction of railway green and low-carbon development in the future and provided a reference for the application and industrial development of photovoltaic power generation technology in the railway field.

关键词

铁路 / 光伏发电 / 发展路径 / 应用研究 / 技术创新

Key words

Railway / Photovoltaic Power Generation / Development Path / Applied Research / Technical Innovation

0　引言

我国目前已成为全球最大的光伏应用市场，在推动技术进步与成本降低的过程中发挥了重要作用，众多行业已经开始布局太阳能光伏发电，并积极推动和应用光伏发电技术，成果显著。铁路作为国家重大基础设施，同时也属于用能大户，铁路沿线有大量的低效空间，包括建筑屋面以及低效土地，在具备一定太阳能资源的区域可实施光伏发电开发。探索利用太阳能光伏发电等新能源，能极大优化铁路用能结构，推动铁路绿色低碳发展，提高低碳竞争力，同时有利于保护生态环境，实现经济社会的可持续发展，支撑铁路节能减排工作。

我国不仅光伏等绿色资源丰富，新能源技术也已达到全球领先水平，因此要积极发展清洁能源，推动经济社会绿色低碳转型，支持新能源产业快速发展^[1]。2024年国家铁路局、国家发展和改革委员会、生态环境部、交通运输部与中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)联合颁布的《推动铁路行业低碳发展实施方案》中指出，铁路碳排放量要在2030年前达峰，绿色铁路规模与绿色客站数量要明显增加，绿电使用比例要逐步提升，绿色低碳技术推广应用取得新进展。要积极稳妥推进铁路领域“碳达峰”“碳中和”任务目标，加快新时代铁路绿色低碳发展^[2]。国铁集团务实稳妥推进国家铁路碳达峰行动实施方案，加快推进各项节能降碳重点工程，实施绿色客站工程、牵引节能减排工程，同时积极推进新建项目开展绿色客站设计建设、应用光伏发电等可再生能源，全面提高铁路绿色发展水平，为建设美丽中国、加快经济社会发展全面绿色转型作出积极贡献^[3]。

立足上述背景，分析我国在铁路领域发展光伏发电的资源禀赋情况，阐述我国铁路推行光伏发电产业的优势，总结铁路光伏发电系统的应用场景，提出铁路开发光伏产业的建议，并给出铁路光伏发电技术创新实施路径。

1　铁路开发光伏产业的意义

（1）铁路发展新质生产力的必然要求。铁路作为国民经济大动脉，是关键基础设施和重大民生工程，铁路高质量发展关乎国家发展大局。发展光伏新能源与铁路的深度融合，不仅可以提升铁路绿色能源占比，降低碳排放量，也可优化铁路用能结构，推动铁路生产要素创新性配置，促进铁路产业转型升级，进而全面推动节能降耗、绿色低碳发展。

（2）铁路提质增效的必由之路。近年来，随着光伏产业的不断成熟，原材料价格也逐渐步入下行周期，光伏项目建设成本逐步降低，项目运营时间长，投资收益率好，已成为一种优质资产。铁路企业合理开发光伏项目能够节约相当可观的电费支出。

（3）培育铁路新业态的有力支撑。加快铁路光伏项目建设，可以促进铁路光伏产业发展，加速构建行业光伏新能源综合技术体系，提升铁路科技创新水平培育铁路特色的光伏产业新业态，不仅可以催生出新的内在需求，也可以产生外延需求，拓展铁路生态，推动铁路新能源产业良性发展^[4]。

（4）盘活铁路土地资源、积累铁路碳资产的重要途径。大力发展铁路光伏产业，可以优化铁路企业各类低效土地及建筑屋面资源，充分发挥铁路用地资源禀赋，促进铁路资源发挥最大效益。同时，可实现铁路碳资产快速增长和妥善管理，推动铁路参与绿电交易，盘活碳资产。在国家层面，碳普惠、碳税等调节机制与国际接轨后，铁路光伏项目产生的收益会稳步提升，同步促进优质光伏资产的增值^[4]。

2　铁路光伏发电优势及资源禀赋

2.1　铁路发展光伏产业的优势

（1）整合铁路优势资源。针对铁路局集团公司/铁路合资公司等铁路企业的具体情况，综合评估全路屋面及土地资源，统筹铁路光伏产业布局并推动实施。整合可开发资源，制定整体规划设计方案，根据不同项目需求提供配套的技术支撑。

（2）解决铁路用电痛点难点。针对铁路存在的闲置土地多且分散、偏远铁路供电薄弱、老旧车站用能匮乏等痛点难点问题，将光伏发电与传统能源体系相结合，构建具有铁路特色的新型供能用能系统。作为国民经济的大动脉，铁路系统自身需具备有效抵御外部随机扰动和突发性紧急事故的能力，通过引入太阳能等可再生能源，可在一定程度上减少因外部电网故障带来的影响。

（3）挖掘铁路应用场景。通过加快推进客站、机务段、车辆段等采用合同能源管理等模式，实现光伏发电、绿色照明、暖通空调改造、能源管控等技术改造。凭借“铁路+光伏”的多场景应用模式^[5]，如大型客站屋顶光伏建筑一体化应用、车站拼装式光伏雨棚/车棚应用等，在满足铁路技术要求的基础上积极参与光伏电力市场化交易，提高铁路绿色电力使用比例。

2.2　铁路光伏发电资源禀赋分析

我国是世界上太阳能资源丰富的国家之一，同时也是世界光伏产业发展增速最快的国家。全国总面积2/3以上地区年日照数大于2 000 h，全年辐射总量在91.7~2 333 kW·h/m²之间。根据国家气象局风能太阳能评估中心划分标准，我国太阳能资源地区分为5类，我国各地太阳能关键参数如表1所示。

铁路行业是国民经济中的用电大户，仅2023年，全社会用电量92 241亿kW·h^[6]，铁路全年用电量达1 041亿kW·h，约占全国总用电量的1.2%。铁路系统内建筑屋面、沿线土地可开发资源较多，资源禀赋具备极大的开发潜力。截至2023年6月，预估统计我国铁路动车段(所)、车辆段(所)、机务段(所)、站房、客站雨棚、物流基地(货场)、生产生活等建筑屋面总面积约8 470万m²，铁路沿线总面积约149 200万m²。其中，根据结构特点以及建筑荷载等特性分析，预估可供开发光伏的铁路建筑屋面约1 435万m²，可供开发的铁路沿线用地约746万m^2[5]。综上，资产资源开发光伏预估装机容量合计为2.18 GW，包括铁路建筑屋面预估装机容量1.43 GW，铁路沿线用地预估装机容量0.75 GW，年均发电量约23.7亿kW·h，约占非牵引用电的22.7%，相当于减少使用标准煤71.6万t，减少二氧化碳排放约197万t^[5]。

当前铁路光伏装机规模、发电量占比均处于较低水平。根据上述数据分析得出铁路光伏可开发资源仅占铁路面积总资源的1.38%，利用屋面和低效土地开发光伏发电项目，不会对铁路的建设生产造成较大影响，同时可盘活零散土地资源，节约电力能源，带来一定经济效益。

3　铁路光伏发电发展路径研究

3.1　铁路光伏发电应用场景

光伏发电技术在铁路中的应用是指在具备一定太阳能资源的铁路区域，利用低效空间开展光伏发电开发的过程，应用场景主要分为与铁路建筑屋面融合以及与铁路低效用地的融合^[5]。

（1）光伏发电与铁路建筑屋面融合。铁路建筑屋面主要是指站场建筑屋面，可划分为4类：第一类是站房、雨棚等建筑物大面积屋面；第二类是机辆段(所)车库等建筑大面积屋面；第三类是物流基地(货场)等建筑大面积屋面；第四类是铁路站场及沿线生产生活等建筑屋面。铁路建筑屋面的光伏发电通常采用分布式光伏发电系统，即利用建筑物屋顶开展光伏发电，采用“自发自用、余电上网”工作模式，大部分电量为自发自用，剩余电量通过当地电网公司并网销售。

（2）光伏发电与铁路低效用地融合。铁路低效用地可划分为3类：第一类是铁路正线沿线用地，包括高速铁路和普速铁路的正线、避让线、专用线等沿线红线内可供开发利用的土地；第二类是因布局调整、站段重组而导致的低效利用站场与货场；第三类是铁路路基边坡用地以及为工程预留扩建的低效用地。铁路低效用地光伏发电通常采用地面分布式光伏发电系统，即利用低效用地开展光伏发电，当光伏消纳能力不足时可采用“全额上网”模式，其发电量由电网公司收购并统一调配。

3.2　铁路光伏发电产业开发建议

（1）规划铁路光伏开发时序和资源配置。依托国家政策及标准体系支撑，对闲置土地、屋面等资源进行系统的价值评估。综合分析不同类型地区光照资源、工程条件、用电价格、消纳能力、地方政策等，因地制宜制定铁路光伏发电项目分步开发计划，积极稳妥统筹推进铁路光伏项目开发。

（2）“光伏+铁路”技术研发布局。在铁路范围内统筹开展光伏发电项目投资、建设、运营维护及管理，并通过合同能源管理的方式^[7]获取光伏项目发电收益。科学推进储能技术应用，探索分布式光伏与储能、微电网等应用融合，提升光伏发电消纳能力；探索高原高寒等偏僻地区铁路沿线生产生活房屋、施工营地“光伏发电+储能”应用；探索在具备条件的新建项目上开展光伏发电系统集成创新试点试验。

（3）电站资产、碳资产及能源资产化管理。未来光伏发电项目的电费收益十分可观，碳排放收益也会逐步增加。伴随光伏发电项目收益的提升，会促进光伏优质资产不断增值。随着未来碳排放交易机制的日渐成熟，碳排放价格逐步提升；通过碳资产管理的方式，促进光伏资产保值增值，提升整体收益。

3.3　铁路光伏技术实施路径

为充分开发铁路沿线太阳能资源，计划围绕太阳能光伏的综合利用，探索铁路低碳发展路径^[8]。积极盘活铁路沿线光伏装机资源，构建低碳化与智能化铁路牵引供电系统，实现“源‒网‒荷‒储”一体化供能技术落地。

（1）自主创新。鼓励铁路企业分年度提出研究方向、形成立项指南，并牵头开展相关研究；依托已建光伏项目探索搭建实验平台，打造铁路内部光伏应用现场试验和教学基地。

（2）协同联合。鼓励参与课题研究和标准制订，推动科研成果标准化、产业化；设立行业光伏联盟，与其他单位共享创新成果，提高铁路企业在行业的话语权及影响力。

（3）成果转化。通过设立铁路新能源合资公司的方式，依托科研课题，申报示范工程；推动创新技术的转化和商业化，利用市场化运作方式确保所研产品在铁路运输市场中成功应用并实现规模化推广。

4　铁路光伏发电技术创新研究

依据上述实施路径，可按照“顶层设计类、提质增效类、前沿技术类、资产管理类”的类别开展铁路光伏发电技术创新研究。

4.1　顶层设计类

旨在为铁路光伏产业发展提供全局性的指导，确保太阳能光伏资源全面、科学、合理应用，优化资源配置、降低能源成本^[9]，确保铁路光伏业务可持续发展。

（1）铁路沿线光伏资源禀赋时空分布测算方法研究。调研铁路全线屋(棚)顶、护坡、土(场)地等资产性质及规模；明晰资产能源化可行方式，挖掘光伏资源禀赋潜力，构建光照出力动态模型；研究铁路全线供能与用能时空分布及适配机制，探究资产能源化开发时序与能源转换利用演变路径。

（2）铁路新能源融通应用方案研究。围绕铁路供电与用电的特性，提出“源‒网‒荷‒储”一体化供电系统构建、“光‒储‒直‒柔”铁路沿线零碳园区建设、铁路建设生产装备新能源化改造等应用方案^[10]；将清洁电力供给牵引负荷或非牵引负荷，实现铁路光伏发电的适配集成与全额消纳。

（3）考虑支撑铁路光伏发电供能架构的储能系统容量配置及能量管理。重点研究“光伏‒储能‒非牵引负荷‒牵引负荷”间的能量交互机理，探索基于光储协同的高效消纳能量管控策略^[11]；研究考虑储能动态阈值的有功‒无功联合潮流控制策略，实现负序、无功、网压波动等多类型电能质量问题的综合治理。

4.2　提质增效类

旨在促进打造铁路光伏发展的推进杠杆，提高光伏发电产业的经济效益、落实环境责任、增强战略竞争力。

（1）光伏储能装备及关键技术研究。研发高可靠、高效散热的逆变器装备，研究装备在线监测、智能故障检测、快速故障定位以及状态预测等关键技术；研制防腐光伏支架、新型结构支架以及适用于铁路的罩棚(雨棚)建筑一体化式光伏组件；积极发展光伏储能电站消防安全多级保障技术和装备。

（2）能源管理平台功能优化设计研究。重点发掘铁路在“源‒网‒荷‒储”体系下的能源管理业务需求，实现机车牵引供电、车站、铁路货场枢纽用电等监测和统计分析；研究铁路多源能源数据贯通方式及数据类型分类方法，打破与外部系统的信息壁垒，建立集天气数据、列车到发数据等车站关键运营数据一体化的能源管理体系。

（3）铁路光伏电站高效运营维护及管理方法研究。结合铁路组织架构与业务流程，定制光伏电站分阶段运营维护组织方案；结合能源管控平台^[11]，综合天气预测参数、组件衰减监测数据、实际天气状况、发电量变化曲线等数据，研究电站状态演变趋势，分析运维需求和策略，建立完善的供电设备管理体系和设备运行档案，制定设备检修规程等管理文件。

4.3　前沿技术类

旨在提供更高效、智能、清洁的能源解决方案，为建立铁路光伏发电体系提供重要的技术支持，推动铁路企业核心科技竞争力持续提升。

（1）光伏储能接入牵引供电关键技术研究。研究光伏接入铁路牵引供电系统的最优潮流计算模型，建设光伏储能系统接入牵引供电系统试点；研究大规模高比例光储接入牵引供电系统高效能量调配技术、供电系统稳定控制技术、电能质量综合治理技术，实现铁路牵引供电系统及光储接入技术体系构建。

（2）光伏发电应用标准体系构建。研究铁路光伏发电系统技术规范，包括光伏发电设计、施工及验收标准等；推进绿色牵引供电关键装备测试技术以及接入牵引网技术，引入针对核心装备部件的测试与考核，确保光伏供电装备挂网前满足并网验收的可靠性。

（3）适配大规模新能源装机的直流网形态及关键技术研究。研究直流网的拓扑结构设计、直流电压等级的标准化、直流断路器和保护装置，积极探索电能质量和电力系统稳定性的综合治理技术；研究直流微网与交流供电系统的互联技术，制定面向未来能源互联网的高效能量路由和智能调度策略。

4.4　资产管理类

旨在将铁路光伏发电技术的发展与资本市场相结合，为铁路企业提供多元化的经济支持，帮助铁路企业管理碳资产、参与碳市场和自愿减排项目，拓宽新能源产业的可持续经济收益，同时为企业的环保形象和社会责任树立标杆，为铁路新能源发展提供全面的管理和经济支持。

（1）铁路供电系统精准碳计量技术研究。铁路碳排放量不容小觑，应用光伏发电在减少铁路购电成本的同时，会带来碳交易和绿证两方面收益；充分利用光伏项目优势积极厘清碳排放量，对于铁路企业的碳资产管理新模式具有重大意义。

（2）铁路参与电力市场化交易机制研究。研究考虑光储、风储‒火电权交易的运营策略，建立铁路电能消费效用模型，以综合效益最大化为目标建立交易购售电模型^[13]；研究基于能量管理系统的新能源电站参与配电网辅助服务市场方法。

（3）铁路碳资产管理模式研究。研究铁路碳排放管理体系，形成参与碳排放权交易市场的管理标准和工作机制^[14]；研究铁路申请绿证的实施路径，提出参与绿证交易市场的工作流程；研究基于光伏发电项目的自愿减排方法学，积极参与自愿核证减排项目申报。

5　展望

绿色低碳铁路建设是复杂的系统性工程，在全生命周期充分利用光伏发电技术开发是其中重要的一环。总体来看，我国铁路绿色化、低碳化发展还存在着较大的空间，如铁路新能源牵引动力机车、铁路建筑节能技术、铁路低碳示范园区、铁路生态能力建设等，是铁路未来绿色和低碳化的发展方向。

（1）铁路新能源动力型机车领域。新能源动力型机车是指采用太阳能、风氢能等新能源以及磁悬浮作为牵引动力的新型机车^[15]。不同于现有的电力及内燃机车，新型动力机车牵引动力更加清洁和低碳，新能源动力机车能够从根本上改变传统列车牵引用电方式，采用清洁无污染的原料为机车提供运行动力，对于改善铁路能源消费结构，减少机车燃油和电力消耗以及对应的温室气体排放具有重要的推动作用。相较于其他节能技术措施，应用新能源动力机车在降碳效果上更为明显。

（2）铁路建筑节能技术领域。照明系统能耗是铁路运输企业非牵引能耗中重要的组成部分。建筑节能技术在铁路的应用主要体现在推广使用LED照明工具。LED光源具有能效水平高、寿命长、实用性和可操作性强等特点，随着LED技术的不断发展，LED成本逐步降低，成本回收期也逐年缩短，经济性越来越显著，是近年来铁路实施绿色照明工程的重要内容。在此基础上，应加快对照明系统的智能控制工作，重点开展对大型铁路客站及办公建筑的智能照明控制技术应用，最大程度地减少照明浪费，节约照明用能。

（3）构建铁路低碳示范园区。机辆段(所)作为铁路的重要配套设施，是能耗较大的独立园区之一。为优化铁路用电能源结构，开展以光伏发电为代表的绿色、低碳能源研究，提升铁路清洁能源使用比例，开展铁路站房、机辆段(所)绿色建筑、能源管控系统研究^[16]，实现对能源消耗的精细化管理。探索适合于机辆段(所)的低碳发展路径，分阶段分步骤有序推进铁路绿色低碳园区建设，落实国家“双碳”战略。

（4）铁路生态能力建设领域。森林碳汇是世界上最为经济的碳吸收手段，对于抵消企业碳排放总量、获取国家核证自愿减排量(CCER)指标具有重要意义。铁路沿线和各站段空余场所具备种植绿化的条件，随着近年来铁路对生态环境的重视程度逐年加深，在铁路沿线大部分边坡均开展了绿化项目，新建线路的绿化质量逐年提升。通过在新建线路和空余场所植树造林以抵消部分铁路碳排放量，研究铁路边坡绿化技术和生态修复技术，不断提高铁路绿化质量和碳汇水平。

6　结束语

在国家“双碳”战略、建设交通强国、推动铁路高质量发展的背景下，落实国家政策对推动铁路绿色低碳发展的建设要求，基于我国铁路发展光伏发电的优势和资源禀赋情况，研究提出发展铁路光伏发电产业的路径，从铁路光伏发电应用场景、铁路光伏产业开发建议、铁路光伏发电技术创新实施路径等方面构建“铁路+光伏”的铁路绿色发展模式，以期为铁路领域光伏发电技术的应用与产业发展提供参考。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2024YJ092)