胡力群 等：中国高速公路路域内的光伏发电潜力评估

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摘  要

为预测评估高速公路区域内的光伏发电潜力，推进高速公路区域内光伏的应用，以Python程序语言中OpenCV库为工具，提取高速路线图中的路线图像并投影至光辐射量分布图，分析在各辐射区域内的高速公路路线长度及其比例；计算了高速公路各类基础设施的占地面积，采用JNMM60光伏组件参数计算得到了高速公路路域内的光伏发电潜力；将高速公路运营期及智慧型高速路侧设备的电力需求与光伏发电潜力数据进行对比，并对光伏建设投资成本进行测算。分析结果表明：高速公路区域内的年平均辐射为1523.865 kW·h·m^-2；每平米光伏用地年发电量为63.27 kW·h；而且全国高速公路总体占地面积在2020年和2025年底分别可达到约4.9×10⁵、6.4×10⁵ hm²，光伏发电潜力巨大；分别仅需在75%的高速服务管理区域及10%的路侧区域内安装光伏设备即可满足高速公路运营期内及智慧高速路侧设备的全部电力需求，且仅需4~6年即可回收建设成本；在高速公路区域内大规模铺设光伏设备仍面临有初始建设投资成本巨大、光伏产能技术不足、配套设施需求巨大、光伏设施与道路交通环境相互影响不明、供需空间匹配性较差及大规模光伏规划设计管理系统方法欠缺等困难。

前  言

近些年对太阳能资源的评估利用正在逐步深入。其中，道路基础设施的日常运维以及智慧高速的推广建设都具有大量电力需求。为促进在道路领域内大规模应用光伏发电设备，对高速路域内的光伏资源状况进行调查分析。

各地的高速公路布局及其光辐照量分布情况大都可通过图像直观呈现，将光辐照资源分布图和高速公路路线图，利用能源潜力映射的思想方法进行投影重合处理，直观地展现高速公路网在不同辐射水平区域的分布状况。之后计算输出不同辐照区域内的高速公路长度，如图1为各地区高速公路的建设规划数据，并根据规范及调研数据预算高速公路基础设施的占地面积，综合计算得到高速公路路域内的光伏发电潜力，并与高速公路运营期以及智慧高速路侧设备的电能需求进行对比，并且对高速光伏建设的经济成本进行分析。最后给出目前阻碍在高速公路路域内大规模应用光伏发电的因素。

高速公路不同辐照区路线长度分析

不同光辐照密度地区的高速路线图像分析，获取高速公路路域内的平均光辐照密度主要分为以下步骤：

为了提升后续图像特征的识别以及图像重叠、判断的精确性，须先统一路线图和光伏禀赋图的图像分辨率，以防后续的图像投影产生错位，并保证像素数据计算时具有相同的比例。随后再去除图像内部干扰元素，并在后期路线提取划分时进行降噪、模糊处理。

将红绿蓝（Red, Green, Blue, RGB）颜色模型转换为色调-饱和度-亮度（Hue, Saturation, Value, HSV）颜色模型，之后根据图例、路线的像素HSV范围作为路线特征提取路线图，之后还需二值化处理并进行中值模糊、降噪，以利于后期像素值判断。

根据提取的路线图，以相同的图幅比例与光伏禀赋图进行投影叠加显示，如图 2。然后遍历整幅图片，循环判断路线图与光伏禀赋图同一像素坐标处是否同时满足辐照区域与高速路线颜色要求，依次提取满足条件的路线图像素点组合成该辐照密度区域内的路线图。

划分完成后的路线图，还需进行降噪、模糊，排除干扰噪声点、平滑边线，然后识别路线轮廓，最后识别输出路线长度相对值。在高速路线总长一定的情况下，得到不同光辐照密度区域内的国家高速高速公路里程，见表1。根据各光辐照密度区域内的高速路线里程占比，得高速公路范围内的辐照能量密度为1 523.865 kW·h·m^-2。

高速公路基础设施用地面积计算

根据高速公路的线路里程，2020年底16.1万公里、2025年底规划20.99万公里、2035年底国家高速16.2万公里，得到高速公路服务设施的用地情况，如表2，服务设施总占地超过2.2×10⁵ hm²。

截止2015年底，中国的双向8车道仅有4 701 km，约为2015年高速公路总里程12.35万公里的3.8%，但高速公路平均车道数逐年增加，4车道以上的高速公路里程总体占比上升，如图 3所示。

通过对平均车道数上升趋势的线性拟合，得到以下预测结果（见表 3），高速公路的平均车道数逐渐上升，4车道高速公路正逐渐扩建为6车道，预计到2035年6车道高速公路里程占比将超过30%，并进一步得到表4内的高速公路管理设施及路基的用地情况，其中占地最多的为路基，其次是养护工区，监控站占地最少。

高速公路电力需求及其光伏发电潜力综合分析

根据隧道里程比、车道数、收费车道数及服务设施数量，使用高速公路运营期能耗水平分析测算模型计算得到中国高速公路运营期的年综合能耗，见表5。同时，智慧高速技术正在逐步发展，智慧终端设备用能也逐渐增加，路侧典型智能设备年能耗约为33.89 kW·h·m^-1。

本文选用单晶硅光伏电池组件参数，并按照以下4种高速路域空间进行光伏发电潜力评估：

方式1：保守测算1，仅在高速公路两侧边坡、边沟上铺设光伏设备。

方式2：保守测算2，仅在高速公路服务管理区域75%的范围内铺设光伏设备。

方式3：一般测算，在高速公路两侧边坡、边沟上以及服务管理区域70%的面积铺设光伏设备。

方式4：乐观测算，在高速公路两侧边坡、边沟上及服务管理区域上方所有区域铺设光伏设备，在道路上方全部铺设光伏隧道，或在道路上安装光伏电池。

按照以上测算方式并考虑光伏组件性能衰减，得每平米光伏用地年平均发电量为63.27 kW·h。

数据对比发现，光伏发电潜力总量远大于高速公路运维的总体电力需求，仅需在75%的服务管理设施上铺设光伏板就可满足高速公路运营期全部的传统基础设施电力需求，而对于智慧高速路侧的电力需求，仅需约5.4%的路侧发电量即可满足，考虑到后期智能设备的发展及电能传输损耗，未来智慧高速设备仅需利用约10%的路侧光伏电能。

光伏电站的经济性可用平准发电成本衡量，其中经济投入包含有初始全投资及运维费用，光伏收益主要由光伏发电收益以及减碳收益组成。

高速公路光伏发电项目大规模推广应用难点

（1）投资成本的限制。

高速公路基础设施可铺设光伏的路域大都需要高支架的支撑，以供车辆通行或保护道路环境；且光伏板效率的衰减增加了投资成本回收周期；而且布设区域的狭长形状又需要大量输电电缆。

（2）光伏技术及产能的限制。

目前，光伏板转化效率存在一定幅度的衰减；光伏产能及区域进出口限制等现实条件，进一步约束了光伏的发展。

（3）光伏特性及配套储能设施的限制。

光伏发电以及高速公路基础设施用能需求都具有较大的波动性，对大容量的储能设备具有较高依赖性，而大量的储能设备又需要巨额的投资及大量的后期运维。

（4）光伏设备对道路环境及司机、车辆的影响不明。

光伏设备的铺设对道路行驶的具体影响仍处于研究发展阶段，光伏边坡的稳定、安全性，光伏面板对光线的反射以及光伏道路环境、光伏设备自身对路面、车辆及司机的影响等都有待进一步的研究阐明。

（5）缺乏大规模的道路分布式光伏发电整体规划设计管理系统方法。

现在光伏发电在道路领域内的应用，主要仍局限在某一示范路、收费站、服务站等，呈点式分布，稳定性较差，人员设备的管理以及和现有道路基础设施之间的交叉配合，都需要进行系统设计与管理。

结  语

1.本文通过使用Python程序语言中的OpenCV图像处理库分析得到高速公路路域内的辐照能量数据，年平均辐射值为1523.865 kW·h·m^-2。

2.根据规范及政府规划文件数据，计算得到2020年底、2025年底全国的高速公路预期用地情况，分别约为487 043.28、642 554.34 hm²。

3.根据文献调研及规范数据计算得到中国高速公路运营期的预期耗电量分别约为：国家高速公路19 677.06 GW·h、2020年底全国的高速公路19 520.01 GW·h、2025年底全国的高速公路25 389.17 GW·h，以及智慧高速路侧设备的年用电量约为33.89 kW·h·m^-1。

4.分析结果显示预期仅需在75%的服务管理区域及10%左右的路侧空间铺设光伏面板即可满足高速公路运营期及智慧高速路侧设备的全部电能需求。

5.通过光伏成本分析，结果显示在高速公路路域范围建设光伏项目具有良好经济效益，合理规划开发地址及规模，仅需4年左右即可回收初始投资成本。

6.推进在高速公路路域内应用光伏发电需要面对的困难，主要有初期投资成本大、光伏技术及产能受限、对配套储能设备的依赖、对道路环境及安全驾驶的影响、供需空间匹配性较差以及缺少大规模的道路光伏规划设计管理系统方法等。

7.高速公路路域范围内具有巨大的光伏开发潜力，但本文主要侧重于全国范围的高速公路总体开发潜力，尚未对某一具体地区或高速工程项目内的光伏状况及开发潜力进行分析，有待进一步研究，推动高速光伏工程项目建设开发。

作者简介

本文主要内容源自《交通运输工程学报》2024年第4期，点击查看文章全文：

胡力群, 黄虹鑫, 沙爱民. 中国高速公路路域内的光伏发电潜力评估[J]. 交通运输工程学报, 2024, 24(4): 1-13. 

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2024.04.001

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