参考中国报告网发布《2017-2022年中国铁路行业市场发展现状及十三五运行态势预测报告》
基金项目：中国铁道科学研究院院基金项目“澳大利亚高铁建设市场开拓若干重要问题前期研究”阶段性研究成果(编号：2015YJ003)。
1 引言
铁路行业大约在20世纪70至80年代就开始应用太阳能，至今已有几十年的历史。最初的应用只是用于提供热水和取暖，后来发展到应用太阳能光伏进行发电，以满足铁路车站和沿线设备供电需求。总体而论，相比于其他新能源和可再生能源，太阳能在铁路行业的应用最为广泛。从效果来看，太阳能的应用，有效地改善了铁路能耗结构，节约了能源消耗，取得了比较好的环保效益和经济效益。但在使用过程中，也暴露出一些局限性。如何科学地消除这些局限性，是加快铁路行业发展太阳能应用技术、充分挖掘太阳能应用潜力的关键。
2 太阳能在铁路行业中应用现状
2.1 太阳能在车站的应用
铁路车站是能耗比较集中的地方，其能耗大约占非牵引能耗的20%左右。随着旅客对服务质量要求的不断提高，车站能耗不断上升的趋势也越来越明显。
车站用能主要是耗电，包括照明、电梯、空调等设备用电。利用太阳能光伏发电就可以替代煤电，大大降低使用成本，既经济又环保。纽约Stillwell Avenue地铁车站与火车站在建筑结合处的屋顶上安装了太阳能光伏发电系统。该项目是目前美国铁路上使用非晶硅薄膜电池光伏屋顶的最大项目。该系统的总安装功率约为210 kWp，每年大约可以产生25万kWh的电能，能够满足该车站每年用电需求的15%，在天气晴朗的情况下，光伏发电系统的发电电能可以足够供给车站65%的电力需求。德国柏林中央火车站耗资100亿欧元，新的站台大厅棚顶采用玻璃钢结构，在其棚顶上安装高效能的太阳能光电设备。太阳能电池效率为16%，整个太阳能发电设备的峰值功率189 kW。投入运行后，仅从2002年6月底至8月初的前4个星期，该设备就向公共电网输电2.2万kWh。太阳能电站发电，加上其它新型能源的应用，将使德国铁路公司使用环保技术能源的比例占总能源消耗量的13%，大大高于目前全德国6.25%的平均值。
近年来，我国开始在北京南站、上海虹桥站、青岛站等车站积极应用太阳能光伏发电技术，收到了比较好的效果。如，京沪高铁上海虹桥铁路客站太阳能光伏并网发电工程预计年平均上网电量638万kWh，年平均节约能源2274 tce，年平均减少二氧化碳排放量5837t，减少二氧化硫等污染气体排放量65t，减少烟尘排放量364t[1]。
另外，车站还可以利用太阳能提供热水。国内外很多既有车站均使用燃煤、燃油和燃气锅炉提供开水和热水，以供旅客和车站职工使用。由于这些锅炉不同程度地产生碳排放，已经不符合低碳环保的要求。目前这种状况已得到了一定程度的改善，这些锅炉开始逐步被太阳能热水器所替代。除了对一些既有车站进行改造外，近10年来很多新建高铁站已大量使用新能源和可再生能源供热(或制冷)。日本铁路还利用车站屋顶的太阳能热水器收集太阳能，贮存大量热水代替燃油作为冬季屋顶融雪的能源。
2.2 太阳能在铁路沿线的应用
美国早在20世纪80年代初就开始在堪萨斯城南方铁路应用太阳能供电装置，在80多英里的干线上安装了59个太阳能供电装置，为沿线地面信号机、轨道电路和转辙机提供电源。我国铁路部门从20世纪80年代开始，围绕解决边远铁路沿线职工生活、生产热水问题，开始了太阳能热水器、太阳能供热工程的试验推广应用，并在部分偏远线路对太阳能光伏发电在铁路道口、信号、通信等方面的应用开始进行研究试验。另外，部分城市内未能纳入全市统一供暖的站段、车间和工区办公楼也在逐步加快太阳能技术的应用。
我国还在一些铁路沿线利用太阳能技术为一些设备提供电能。比如，青藏铁路沿线陆续设计并安装了35座千瓦级无人值守的光伏通信电站，解决了铁路建设工程的通信电源问题。通过两年多的运行，证明光伏通信电站设计合理、经济合理、安全可靠、有利环保，获得青藏铁路建设总指挥部很高的评价[2]。又如，在秦沈客运专线K113—K115地段加设太阳能集群直放站进行覆盖，解决了该处通信困难及部分区域无集群基站信号的问题。该区域距离基站路程为6 km。根据现场的勘测，距离基站6 km左右的覆盖区附近有较强的信号，完全满足太阳能直放站的信号引入要求。根据通话测试结果，太阳能直放站覆盖达到4 km，优于预期目标，且未对原有移动无线通信系统造成影响[3]。
2.3 铁路应用太阳能效益
能源利用效益一般体现在经济效益、环保效益和社会效益三个方面。从目前铁路行业应用太阳能的实际效果来看，这三种效益均取得了比较理想的效果。
2.3.1 节能环保效益
从节能的角度看，利用太阳能实现了对所替代能源的全部节能。比如，太阳能热水器替代燃煤锅炉，则实现了对煤炭的100%节约(无需煤炭)。当然，就太阳能本身而言，实际上也存在一个节能的问题。但由于太阳能是取之不尽的能源，与化石能源的节能在性质上已经发生了明显的变化，因此它本身的节能问题已经退居次要位置，替代效益是主要的。对于铁路行业而言，更重要的是太阳能的应用推动了节能技术的进步，优化了能耗结构，实现了能源利用方式的革命。
从环保效益来看，太阳能是一种清洁能源，使用过程中不会产生任何污染，对周边环境只有正能量，而没有任何负面影响。
2.3.2 经济效益
节能从表面上看更多的是一个技术层面的问题，但实质上却是一个经济问题，节能的最终目标是要实现节钱，这也是调动企业用户加快节能改造积极性的一个重要驱动因素。如果一个项目不能做到节钱，即使再节能，恐怕也难以做到永续发展。从铁路节能的实践来看，其经济性表现在以下几个方面。
首先是节约了人工成本。以供热供暖为例，传统的燃煤锅炉都需要锅炉工，少则2～3个，多则6～7个。从全成本的角度考虑，目前人均费用每年大约在10万元左右。如果采用太阳能供热供暖，则无需人员值守，可节省一大笔人工费用。
其次是减少了煤炭的运输成本。无论是本地产煤还是外地调运，都需要产生运输成本。距离越远，成本越高。如果应用太阳能技术，则无需运输成本。
第三是无需购买煤炭和燃油，节约了能源购买的成本开支。煤炭和燃油的购买是传统供热中的最主要成本，一个供热点少则几十万，多则上百万。而太阳能则可免费获得，原料成本降低为零。
当然，这些新建项目需要投资成本。因此，在衡量太阳能项目的经济效益时还需要考虑投资成本问题。根据这类项目的产出特点，综合衡量经济效益主要有两项指标，一是投资回报率，二是投资回收期。投资收益实际上等于所替代的耗能设备的供暖成本。以太阳能替代燃煤锅炉为例。太阳能项目的收益实际上等于燃煤锅炉供暖过程中产生的全部成本之和，包括人工成本、煤炭购买费以及运输费等。投资收益率则是项目收益与投资额之比率。投资收益率越高，说明投资项目的经济效益越好。投资回收期的计算正好与投资回报率相反，它是项目投资额与收益之比值。投资回收期越短，投资效益越好。反之，则相反。
以某太阳能光伏发电为例，具体说明它的节能环保效益和经济效益。项目总装机容量为378 kWp，年平均发电量为48.9万kWh，其节能减排指标如表所示。
节能指标表明，此项目节约了煤、电、水用量，环保指标为三项减少的排放量。如果对经济效益做一个估算，投资回收期大约为7.2a，之后就能实现盈利。
3.3 社会效益
铁路线长点多，沿线站段使用传统能源都会给所在地造成一定的环境污染，不仅加剧了当地的环境污染，同时也使得铁路部门与当地政府和居民之间的关系紧张。而使用新能源和可再生能源，可以净化这些地区的空气，符合环境保护和当地居民的需要，有利于改善与当地的关系。
4 太阳能在铁路行业中的应用潜力
太阳能在铁路行业中的应用潜力主要取决于以下几个因素：一是与其他新能源和可再生能源的优势比较；二是适用范围的大小；三是铁路行业发展规模。
4.1 与其他新能源和可再生能源的比较
目前的现实情况是，除了太阳能，还有其他新能源和可再生能源在铁路行业也得到了比较快的应用，包括地热能、风能、生物质能等。相对而言，太阳能项目在全路普及率要高一些。这些项目各有优劣势，也各有不同的适应条件。在供热和制冷方面太阳能与其他一些新能源和可再生能源存在着比较大的可替代性。如果太阳能在与它们的比较中不具备优势，则很有可能被这些新节能技术所替代。表2对太阳能等三种新能源利用方式中的优缺点进行了归纳总结。
如果未来要选择单个项目则需要对上述因素进行认真比较，才能选准适合地域特点的最优的能源项目。从表2可以看出，太阳能和地源热泵供暖都有优缺点，比较而言，空气源热泵几乎没有发现缺点，尤其是目前研发并投入使用的超低温和超高温空气源热泵，使它的适用性更强，几乎不受地域和气候条件的限制，既适应南方地区，也适应北方地区，特别是在极寒天气下也能正常工作，因此相对而言有着比较广泛的潜在市场。虽然起步比较晚，但空气源热泵发展势头在我国铁路行业目前已经超越了太阳能和地源热泵，成为铁路市场主推的供暖方式。近年来，铁路行业加大了空气源热泵的推广力度，在已经试点的几个铁路局取得了预期效果，市场前景非常看好。
当然，其他两种方式也在不断完善使用性能，改进不足。比如，太阳能和地源热泵联手，可以起到取长补短的效果，大大增强了供暖中的稳定性，满足了不同季节、不同气候条件下热水的供应需求。空气源热泵组合大功率的太阳能热水系统，能充分利用太阳能制热。而在阴天、夜晚等太阳能无法提供热能的情况下，空气源热泵会及时启动产生热水，从而大大降低了电能的消耗，同时又很好地满足了需求。这说明，在未来铁路能源利用市场中，太阳能仍然会有较大的发展潜力，关键是要找准合适的发展空间。
4.2 太阳能技术在铁路行业的适用性
挖掘太阳能在铁路行业应用的市场潜力，关键是要对太阳能在铁路行业的适合性进行合理定位。从太阳能利用最佳环境来看，适合在太阳能丰富、雨量少、风沙少的地区。我国可以在太阳能资源分布第一类地区和第二类地区，选择一些合适的铁路线路，加快推进沿线用能设备的太阳能设备应用。而在太阳能技术应用上，应将重点放在光伏发电技术和建筑物太阳能利用技术上，尤其是光伏发电技术，主攻业务方向放在铁路的牵引用能和大型客站用能上，既可发挥太阳能的优势，又能给铁路用能结构带来革命性的影响。
铁路行业能耗从大的方面来分类，包括牵引能耗和非牵引能耗。牵引能耗是指机车在列车运行过程中消耗的能源，非牵引能耗则是指除机车之外的其他设备所消耗的能源，主要包括锅炉、各种维修设备、电梯等产生的能耗，其中锅炉能耗占主要比重。从消耗的能源品类来划分，铁路能耗结构主要由煤、油和电组成，其中煤和油占了很大部分比重。2012年我国铁路能耗中，燃油占比40%、电力占比35%、煤炭占比25%。牵引能耗的结构优化主要依靠电气化率的不断提高，非牵引能耗的结构优化则主要依靠新能源和可再生能源的大规模化推广应用。近年来，由于高速铁路的快速发展以及既有铁路线电气化改造的提速，使得电气化率提升比较快，截至2015年末，我国铁路电气化率已超过60%，大大改善了牵引能耗结构，目前的电耗所占比重已经超越了油耗，形成了“以电为主”的能耗结构。但由于我国电力主要来自煤电，其在电能结构中大约占70%以上，从节能减排的角度看，煤电在形成过程中仍然会产生较大的污染，因此，利用太阳能等清洁能源发电，才是最理想、最环保的供电方式。如果能在铁路沿线利用太阳能光伏发电，部分取代甚至全部取代煤电，将是铁路用能上的革命性的优化。
考虑到电气化铁路运行的特殊性以及能够保证其通讯不受干扰，采用间歇式建设拱形构架(顶部安装，两侧不封闭)。以16 m长作为一个建设单元、5 m长作为一个间隔段进行建造，这样1 km电气化铁路装机容量约为2300 kW。电气化铁路段为南北走向时，在铁路段两侧可以安装不超过1.8 m高的太阳能光伏组件，在一定程度上可以充当隔音墙。本方案在电气化铁路部分路段安装太阳能光伏组件，无需额外征地，在节约了大量土地的同时，也降低了工程的整体投资。分布式光伏电站可为电气化铁路沿线站点设备提供电能，可降低电气化铁路沿线站点设备对外部电源供电的依赖，在一定程度上减轻当地电网的供电压力。形成适当的规模并网发电后，可改善沿海地区的电能结构[4]。由于存在太阳能供电的稳定性以及列车运行的安全性等因素，加上国家用电政策上尚缺乏相应的配套措施，因此，在电气化铁路沿线规模化地投入太阳能光伏发电应用尚需时日。目前可以做一些前瞻性的试点工作，比如，选一至二条客运专线进行试点，待试点成功后再逐步加以推广应用。
4.3 铁路行业发展规模
铁路行业发展规模是决定太阳能技术在铁路行业中应用程度的关键。最新权威数据显示，“十二五”期间，全国铁路固定资产投资完成3.58万亿元，新线投产3.05万km，是历史投资完成最好、投产新线最多的5年。其中，2015年，全国铁路固定资产投资完成8238亿元，超额完成238亿元；新线投产9531 km，超额完成1531 km，均创历史最好水平。截至2015年底，全国铁路营业里程超过12万km，居世界第二位，其中高速铁路1.9万km，居世界第一位，占世界高铁总里程的60%以上。如果“十三五”期间铁路继续保持这一发展力度，至2020年，我国铁路总里程将达到15万km，其中高速铁路将达到3万km左右，电气化率将达到70%左右。这对太阳能光伏发电将是一个巨大的潜在发展市场，仅高速铁路沿线大型客站和11万km的电气化铁路，将会形成一个巨大的发电需求市场。如果能够很好地解决太阳能光伏发电在铁路的应用问题，太阳能在铁路行业将会拥有非常美好的前景。
目前全世界很多国家都表达了加快发展高速铁路的诉求，有的已经付出具体行动，如印尼的雅万高铁(雅加达至万隆)项目已经开工建设，中国铁路在应用太阳能技术领域的经验将为世界铁路的发展提供重要借鉴和参考，必将成为中国铁路走出去的一个重要内容。
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