当今时代，火车已成为人们日常出行以及货运的重要方式，但很多人并不知道，那些在铁轨上奔驰的高速列车，其强大的动力往往来自于数千公里外的某个发电厂，那里发出的电能通过输电线，“千里迢迢”地输入铁路系统，这样的铁路被称为“电气化铁路”。

据统计，截至2023年底，我国铁路营业里程已达到15.9万公里，其电气化率高达到73.8%。然而，这些输往铁路的电能主要以传统能源、特别是火电为主，新能源占比很小。

“如此多的能源消耗不能使用新能源，这显然不利于我国‘双碳’目标的达成。”北京交通大学电气学院教授吴命利说。

不久前，由北京交通大学与国能集团新朔铁路公司实施的“轨道交通‘网—源—储—车’协同供能应用技术研究”项目示范工程顺利通过并网验收，这成为了国内首个、世界容量最大的分布式光伏接入铁路牵引供电系统工程。

双重不稳定阻挡光电“入局”

对于将光伏接入铁路的意义，作为该项目负责人的吴命利有着清醒的认识。

“在我国整体的用电量中，电气化铁路（包括城市轨道交通）所占的份额并不算大，大致为1.2%左右。但如果乘以庞大的基数，就是一个十分巨大的数字。”吴命利告诉《中国科学报》，目前全国铁路的耗电量在1000亿度以上。

据统计，1000亿度大致相当于5000万户家庭一年的用电量，如果全部采用火电，需要消耗4000万吨煤，其产生的能源消耗以及对环境的影响可想而知。

“相较于老式的蒸汽机车，电气化机车已经算得上环保了，但如果能将光电、风电等新能源引入，无疑将产生更大的环保价值。”吴命利说，在传统的电网供电外增加一种新供电方式，这也有助于改善铁路系统对于高压电网的强依赖。

更重要的是，铁路系统具有着太阳能、风能等新能源发电的天然优势。

吴命利表示，一条铁路线动辄数百公里，露天开放区段线路绵长，铁路周边空地也较多，特别是位于西北荒漠等地区大量铁路，人烟稀少、电网薄弱、光照充足，特别适合光伏发电。其产生的电能无需进入高压电网，而是直接进入铁路系统，从而直接消纳可再生能源，并减少了大量电能损耗。

既然如此，为何时至今日，光伏依然被挡在铁路牵引供电系统的“大门”之外？

“一个重要原因是光伏发电和列车用电同时具有不稳定性。”吴命利解释说，火车只有在行驶时才需要电能，列车间隙以及列车停运时是不需要电能的，这就会给电网产生冲击性负荷；同时，光伏、风电等新能源的供给也存在间歇性，也难以如传统电厂支撑的高压电网般稳定。

此外，国内电网的电能输送方式以三相交流电为主，目前光伏、风电等可再生能源发电也主要并入三相电力系统，而驱动列车形式的铁路牵引供电系统则是采用单相高压电，这也导致了以光电为代表的新能源难以为铁路系统所采用。

铁路光伏应用的不同场景

2021年，吴命利团队与国能集团合作，正式开始探索将光伏引入铁路系统。

吴命利所在的北京交通大学电气学院是我国最早从事新能源研究的机构之一，他本人从事铁路供电研究已有30年。尽管有着深厚的学术积累，但要攻克这一难题，对于项目团队来说也并非易事。

“在这个项目上，光做理论是不行的。”吴命利说，项目必须要落地，与铁路沿线的实际情况相结合，这要求科研团队必须频繁往来于实验室和自然条件恶劣的铁路沿线现场。

经过3年的不懈努力，该项目最终在国能新朔铁路公司巴准线海勒斯豪南牵引变电所成功实施。

据介绍，此次落地的项目充分利用铁路沿线充足的光伏资源禀赋，配备了5兆瓦（MWp）分布式光伏和5兆瓦时（MWh）储能，可在铁路27.5千伏（kV）和10千伏（kV）两个电压等级实现光伏发电协同消纳，从而实现了轨道交通的“网—源—储—车”协同供能。

“这一项目投运后，预计光伏年发电量可以达到近700万千瓦时（kWh），每年减少二氧化碳排放5700吨，具备良好经济效益和环境效益，在打造高水平绿色铁路、提高铁路清洁能源渗透率等方面发挥示范引领作用。”吴命利说。

值得一提的是，在该项目中，研究团队共设计了三种不同的光伏应用场景。

吴命利解释说，第一个场景下，光伏供电具备摆脱电网供电，单独支撑列车独立运行的能力，其意义在于针对电网薄弱的偏远地区，可以不需要接引110kV及以上外部高压电网就可供列车运行；第二个场景则是以电网供电为主，光伏等新能源作为补充，实现不同能源形式间的搭配；第三个场景则是光伏不直接为列车提供能量，而是作为铁路相关配套设备的动力来源。

“铁路光伏的开发应用，必需要考虑应用场景，要算经济账，通过不同形式的合理搭配，实现能源的最合理化利用。”吴命利说。

给传统供电系统“上保险”

相较于已经开发多年，成熟且稳定的传统能源，光伏供电仍属于“新生事物”，将其应用到铁路这种与人民的生命财产安全息息相关的领域，是否能保证足够的安全？

这些年，不止一个人曾向吴命利提出过这个问题，甚至包括一些业内人士。

对此，吴命利有着一份自己的理解。

“人们有此种担心并不奇怪，但即便是这些人，也承认伴随着我国能源结构的调整和升级，新能源引入铁路系统是大势所趋。”吴命利说，未来传统能源的占比一定会越来越少，我们不能对此视而不见，而是应该早做准备。

至于安全性本身，吴命利表示，在这一技术足够成熟之前，光伏发电会主要以补充能源供给和应急能源供给的形式存在。换句话说，铁路光伏的主要作用并非取代传统电网供电，而是在传统能源之外，增加一份‘保险’，并在传统能源出现问题时，起到“救援队”的作用。

“从这个角度看，光伏发电不但不会降低铁路供电网络的安全性，反而为其上了一份‘保险’。”吴命利说。

如果这项技术成熟了呢？

“那很有可能重塑整个铁路供电的结构。”事实上，吴命利团队在继续探索原有赛道的同时，已经在考虑光伏在铁路系统应用的另一条赛道——光伏制氢。

他告诉《中国科学报》，目前氢能源列车已经成为国际范围内，列车的重要发展方向，今年3月，我国首列氢能源市域列车进行了运行试验，并成功实现了时速160公里满载运行；也是在今年3月，瑞士科研人员已经实现列车一次加氢后行驶2800公里。

“氢燃料的便携供给无疑是氢能源列车能够推广的重要前提，而如果我们可以通过铁路沿线的光伏设备获得足够电能，便可以就地开展光伏制氢，大大节省氢能的运输以及存储成本，这也将是一条充满挑战，但前景广阔的‘新战场’。”吴命利说。