城市快速路光伏声屏障安装潜力研究.docxVIP

1?光伏声屏障发展背景

为了更好地适应碳达峰碳中和的目标，需要加快推动交通领域能源结构的转型。2022年，全球光伏新增装机达到230?GW，其中我国贡献了87.41?GW，同比增加59.3?%，光伏产业已成为我国推动能源变革的重要新能源引擎。受限于城市可利用的土地面积，以“光伏+”的形式实现光伏发电系统与场地、设施的功能性融合，已成为建设低碳城市交通的关键技术，“光伏+交通”正迎来重大发展的契机。其中，光伏声屏障（PhotovoltaicNoiseBarriers，PVNB）将太阳能光伏发电模块集成到道路声屏障中，作为隔音/吸音板内的支撑元件，使原来的土建设施变为综合能源设施，在声屏障实现隔声性能的同时，利用可再生能源产生电力。作为唯一能够在城市主干区内应用、具备巨大潜力的分布式光伏技术之一，光伏声屏障因其分布里程长、地理位置优越，将在解决城市中心交通干线供能压力方面发挥重要的作用，具有重大的研究价值。

20世纪80年代末，研究人员开始研究光伏声屏障技术及其应用潜力。1989年瑞士建成了世界上首个光伏声屏障项目，标志着这一技术的开发和实际应用进入了一个新的时代。2003年，Bellucci等对意大利国道沿线的声屏障安装理论潜力进行了基于GIS的分析，并采用临时算法估算了安装光伏声屏障的道路范围。2004年，Nordmann等考虑了运输系统的拓扑结构，以及相关地区的气象数据，估算出中欧地区光伏声屏障发电潜力为每年680?GWh。2017年，wadhawan估算了全美国PVNB的发电总功率潜力，预测其范围在7~9GW，足以为美国5万多户家庭提供电力。2020年，乔飞等针对光伏声屏障发展过程中存在的问题提出了改进措施。2021年Zhong等采用基于深度学习的方法从大量的南京街景图像中检测现有的声屏障位置。2023年，董侨等以最小化总成本为优化目标，基于自适应粒子群算法提出了一套从光伏出力、蓄电池储能到充电桩用电的“光储充”容量配置方案。2024年，李洋洋等结合石家庄市槐安路高架西延工程，从光伏声屏障离网与并网的选择、发电量、全寿命周期成本、效益等方面进行了可行性分析，证实了常规组件光伏声屏障并网系统在经济上可行。

纵观国内外研究现状，国外在潜力评估手段方面的研究展开较早，国内研究起步较晚，主要集中在单个工程项目或小规模光伏声屏障系统的研究和优化，但在对大空间尺度PVNB安装及发电潜力的系统性量化评估方面研究相对匮乏，不利于促进光伏声屏障技术在全国范围内的有效推广。

以城市高架和高速公路为应用场景，采用了一种量化光伏声屏障系统大规模部署潜力的方法，对上海市闵行区的光伏安装潜力进行了深入分析。通过图像识别与地理信息系统结合的方式，探讨在城市中推广光伏声屏障的潜力。以上海市闵行区为研究对象，首先对闵行区内的虹梅南路高架路进行了分析，然后对上海市闵行区这一区域性大空间尺度进行了光伏声屏障安装潜力分析。在给光伏交通集成形式提供有价值参考的同时，为最终实现交通领域碳减排提供了新思路。

2?声屏障检测方法

一个区域交通系统的光伏声屏障安装与发电潜力主要取决于声屏障所在路段的地理位置、声屏障结构尺寸和当地辐照条件等环境特征。地理信息系统（GIS）可高效地处理这些特征信息，再结合特定声屏障图像训练，帮助识别适合光伏安装的有效表面，适宜分析大空间尺度，例如城市尺度及以上的光伏安装与发电潜力。

光伏与城市交通系统的结合有两个特殊点：一是光伏组件安装必须依托声屏障或其他交通基础设施载体，光伏板在基建设施载体中的嵌入形式影响了其安装倾斜角；二是光伏系统的架设必须依赖于道路的朝向，即道路的朝向限制了太阳能电池板的方位角，不能像传统光伏地面电站一样自由地调整安装方位。这两个特殊点意味着对城市交通路网，尤其是对快速路道路侧的地理信息抓取、道路可视化尤为重要。

2.1?声屏障街景图抓取

本研究采用GIS和OpenStreetMap全球地图数据源对上海市某一特定区域的交通系统进行建模，同时结合道路侧街景图像StreetViewImage(SVI)在道路层面对城市的物理环境进行可视化，以此处理城市快速路的道路属性信息。街景图像是城市分析和地理空间数据收集的重要依据，可在道路建筑环境以及基础设施提供大量可调用的城市道路街景图像。

基于以上软件工具链和数据源等，城市交通道路侧街景图识别抓取的步骤如下。

（1）使用OSM获取上海市道路网络信息。通过地理信息系统软件ArcGIS/QGIS中QuickOSM插件获取上海市相关道路网络信息，筛选出城市快速路中的高速路与高架路相关的道路图层。

（2）使用ArcGIS软件对上海市道路网络信息进行间隔点采样处理。将上述步骤中获取的上海市城市快速路网的形状格式文件导入ArcGIS中后，进行间隔取点操作。取样步长根据道路长度实际