doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2025.05.001
高速公路集成式光伏发电运输系统研究
钟文勇1,2
（1. 核工业二九○研究所 广东省环境保护核辐射追踪研究重点实验室，广东 韶关 512029；2. 广东省放射性生态环境保护工程技术研究中心，广东 韶关 512029）
摘要：针对全球能源危机、环境污染加剧及交通智能化发展的迫切需求，将交通基础设施与可再生能源生产深度集成的创新模式成为关键研究方向。本研究聚焦于高速公路集成式光伏发电运输系统（Highway Integrated Photovoltaic Transportation System, HIPV-T），旨在通过系统整合光伏发电、智能储能与能源管理、智能运输三大核心模块，实现高速公路空间资源的高效复用与功能协同。本文详细阐述了 HIPV-T 系统的技术方案，重点提出了空间立体复用技术、光-储-运协同优化算法及模块化快速部署技术三大创新点。基于多维度效益分析（涵盖发电效率、土地利用、碳减排、物流效率、经济效益），并结合改进的数据支撑（如引用气象资料计算发电量、成本收益情景分析）以及与现有项目的量化对比（如单位面积发电量提升 33%），论证了系统的显著优势。同时，本研究深入剖析了系统面临的地理环境适用性（如高/低纬度影响）、技术实施（模块兼容性、算法鲁棒性、网络安全）及政策法规（土地性质变更、电网接入壁垒、专项政策缺位）等核心局限性，为后续研究与工程应用提供了更全面、深入的理论支撑与实践指导。
关键词：高速公路；光伏发电；智能运输；系统集成；空间立体复用；协同优化；效益分析；研究局限性
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：1673-6478（2025）05-0178-05
Research on Integrated Photovoltaic Power Generation Transportation System for Highways
ZHONG Wenyong1,2
(1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Nuclear Radiation Environmental Protection Tracking Research, Nuclear Industry 290 Research Institute, Shaoguan Guangdong 512029, China; 2. Guangdong Provincial Engineering Technology Research Center for Radioactive Ecological Environment Protection, Shaoguan Guangdong 512029, China)
Abstract: Addressing the urgent global challenges of energy crisis, environmental pollution, and the development of intelligent transportation, innovative models integrating transportation infrastructure with renewable energy production have gained paramount importance. This study focuses on theHighway Integrated Photovoltaic Transportation System (HIPV-T), aiming to achieve efficient spatial resource multiplexing and functional synergy on expressways through the systematic integration of three core modules: photovoltaic (PV) power generation, intelligent energy storage and management, and intelligent transportation. This paper elaborates on the technical schemes of the HIPV-T system, highlighting three key innovations:Spatial Three-Dimensional Multiplexing Technology,PV-Storage-Transportation Synergistic Optimization Algorithm, andModular Rapid Deployment Technology. A multi-dimensional benefit analysis encompassing power generation efficiency, land utilization, carbon emission reduction, logistics efficiency, and economic viability demonstrates the system’s significant advantages. This analysis is supported by enhanced data descriptions (e.g., calculating power generation using meteorological data, cost-benefit scenario analysis) and quantitative comparisons with existing projects (e.g., a 33% increase in power generation per unit area). Furthermore, the study critically analyzes the system’s core limitations, includinggeographical constraints(e.g., impacts of high/low latitudes),technical implementation challenges(e.g., module compatibility, algorithm robustness, cybersecurity), andpolicy and regulatory hurdles(e.g., land use conversion, grid connection barriers, lack of specialized policies). This comprehensive research provides robust theoretical support and practical guidance for the further development and application of the HIPV-T system.
Key words: expressway; photovoltaic power generation; intelligent transportation; systemIntegration; spatial three dimensional multiplexing; synergistic optimization; benefit analysis; research limitations
0 引言
全球能源结构转型压力与环境保护刚性约束，对高度依赖化石能源的传统高速公路运营模式构成严峻挑战[1]。与此同时，交通领域智能化浪潮对基础设施的功能整合与效率提升提出了更高要求。在此背景下，高速公路集成式光伏发电运输系统（HIPV-T）应运而生。该系统通过深度耦合光伏发电技术与智能交通技术，探索交通基础设施与可再生能源生产、利用的协同路径，具有重要的现实意义与战略价值。本研究旨在深入解析HIPV-T系统的技术构架、核心创新点及综合效益，并客观评估其局限性，以期为推动交通能源融合的可持续发展提供新思路与解决方案。
1 研究背景与现状
1.1 能源与环境压力驱动
高速公路网络运营（涵盖照明、收费、服务区等设施）消耗巨量能源，且主要依赖化石能源，导致显著的碳排放与环境负荷[1]。寻求清洁、可再生的替代能源并实现基础设施能源自洽，已成为高速公路可持续发展的必然选择。
1.2 交通智能化发展现状
智能交通系统（ITS）在提升交通管理效率、安全性及用户体验方面成效显著[2,3]。然而，当前交通基础设施与能源系统普遍处于割裂状态，未能实现资源的优化配置与协同增效[4]。推动能源生产与交通运营的有机融合，是提升系统整体效能与智能化水平的关键突破口。
1.3 现有高速公路光伏项目局限性
当前高速公路光伏一体化项目（如路侧或服务区平铺式光伏）主要存在三大瓶颈问题[5,6]：
（1）空间效率低：传统平铺模式单位面积发电量有限，未能充分利用高速公路路面上方净空及边坡等立体空间资源。
（2）智能化不足：能源管理多依赖人工经验或简单规则，缺乏基于预测的智能调度与优化分配能力。
（3）功能单一化：项目侧重能源生产本身，未能有效耦合交通运营需求（如为智能交通设备供电、支持电动车充电、优化交通流），导致综合效益未充分释放。
2 HIPV-T系统技术方案
HIPV-T系统由三大核心功能模块构成闭环协同体系，即：光伏发电模块，其核心功能为太阳能捕获与转换；储能与能源管理模块，其核心功能为电能时空调配与供需平衡；智能运输模块，其核心功能为交通流优化与运输效率提升。三大模块通过信息物理系统（CPS）实现数据互联与智能决策，支撑能源生产、存储、分配与智能运输的一体化运行。
2.1 光伏发电模块：高效捕获与转换
（1）高强轻量化结构设计：采用三角形空间桁架支护结构，针对高速公路动态环境（如车辆高速通行引发的周期性气动荷载、风振效应），在GB50017-2017《钢结构设计标准》[7]标准基础上，额外进行以下校核：①风震响应分析-基于随机振动理论，结合当地50年一遇风速极值（参照GB50009-2012《建筑结构荷载规范》），评估结构在脉动风作用下的疲劳特性；②车辆气动影响模拟-通过CFD仿真分析典型车型（如货车、客车）通行时的瞬态风压分布，优化桁架结构气动外形与局部加固设计；③震动抑制措施-，增设阻尼器或调谐质量阻尼器（TMD），降低共振风险。确保结构具备高承载能力（有效抵抗风荷载、雪荷载）与低自重特性。光伏板铺设采用多角度优化策略，基于当地地理纬度及太阳运行轨迹（赤纬角 δ、时角 ω）精确计算最佳倾角γ和方位角α，最大化太阳辐照接收率。
（2）智能双轴追光系统：融合光电传感器与高精度双轴太阳跟踪传感器[8]，实时采集太阳方位角α和高度角β。控制系统采用 PID 闭环控制算法驱动步进电机，实现光伏板在方位角平面（水平转动）和高度角平面（俯仰调节）的精确伺服跟踪，确保太阳光入射角θ趋近于0°（cosθ ≈ 1，光能接收效率最高）。系统集成历史辐照数据与天气预报信息，具备预测性角度预调整能力，有效应对多云、阴天等复杂光照条件，提升系统全天候光能捕获与转换效率。
2.2 储能与能源管理模块：智能预测与调度
（1）高效储能系统：选用锂离子电池储能系统（BESS），基于其高能量密度（>150Wh/kg）、高充放电效率（>95%）及长循环寿命（>5000次@80%DoD）等优势[9]，为系统提供灵活、可靠的能源缓冲与调节能力。
（2）智能能源管理系统（EMS）：核心为基于LSTM（长短期记忆）神经网络的电能供需预测模型[10]。
①数据处理：对多源异构数据（实时辐照度、历史车流量、温湿度、设备状态等）进行清洗、归一化（Min-MaxScaling）处理。
②模型训练：使用近5年历史数据（70%训练集，15%验证集，15%测试集）。网络结构通常包含2～3个LSTM层（单元数128-256）及全连接层。优化器选用Adam，损失函数为均方误差（MSE），迭代次数1000次，通过反向传播和梯度裁剪优化权重。
③模型评估：采用平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）和决定系数（R²）进行性能评估（示例目标：RMSE<5%）。
④运行优化：EMS基于LSTM预测的未来时段（e.g,1～24小时）发电（Pgen）与负荷需求（Pload），结合电价信号、电池状态（SOC）、交通流预测等信息，应用动态规划或混合整数线性规划（MILP）算法，生成最优的充放电调度指（Pcharge/discharge）及能源分配路径，最大化自消纳率与经济性。
2.3 智能运输模块：协同增效
（1）智能交通管理系统（ITMS）：依托路侧感知单元（摄像头、毫米波雷达、地磁传感器等）[11]，实时采集交通流参数（流量q、速度v、密度k、队列长度）。应用自适应信号控制算法（如SCATS、SCOOT原理或强化学习算法），动态调整信号配时方案（周期C、绿信比λ、相位差φ），优化路网通行能力，降低延误与拥堵。
（2）车路协同系统（V2I）：基于C-V2X或DSRC通信技术[12]，实现车辆（OBU）与路侧设施（RSU）间低延迟信息交互。为驾驶员/自动驾驶系统提供实时交通事件预警、路径诱导、协同编队等信息服务。实证数据表明[18]，应用V2I技术可实现物流车辆路径动态优化，显著提升效率（+20%）并降低运输成本（降低约15%）。
3 关键技术与创新点
3.1 空间立体复用技术
突破传统平面铺设局限，创造性利用高速公路路面上方净空及边坡立体空间。核心为三角形空间桁架结构[13]，实现光伏板的三维立体布局。创新价值体现在：
（1）显著提升发电密度：相较于传统平铺模式，单位水平投影面积发电量提升33%（对比数据基于相同纬度（北纬32°）、相同气象条件（江苏省2010-2020年均辐照量数据）、相同光伏板效率（单晶硅组件转换效率≥21%）及相同跟踪系统（双轴追光）前提下，对传统平铺模式与HIPV-T立体铺设模式的实测对比结果。）。
（2）高效土地利用：在不新增建设用地前提下，实现“交通走廊”与“能源走廊”的物理叠合，大幅提升单位土地面积的复合产出价值。
3.2 光-储-运协同优化算法
构建（PV-BESS-ITS）多系统耦合模型。核心创新在于融合LSTM预测引擎与多目标优化算法（如考虑经济性、系统稳定性、运输效率的权重组合）[14]。
（1）算法核心功能：动态感知光照强度、电能需求（交通设备、潜在充电需求）、交通流状态等关键参数。实时优化能源分配策略（BESS充放电计划、V2G/V2L潜力调度）与交通管控/运输调度方案（信号配时、路径诱导）。
（2）核心价值：实现能源生产、存储、消费与交通效率的全局协同最优，突破子系统独立运行的效率瓶颈。
3.3 模块化快速部署技术
将系统解耦为标准化功能模块（光伏阵列单元、储能集装箱、智能感知与控制柜等）[15]。其技术创新点在于：
（1）工厂预制化：核心模块在受控的工厂环境下预制完成，确保产品质量与一致性。。
（2）现场装配化：大幅缩短现场施工周期，显著降低对高速公路正常交通运营的干扰。
（3）接口标准化：（需重点推进）定义统一的机械、电气、通信接口协议，有效降低多供应商模块集成的技术复杂度与项目风险。
4 系统效果与多维度效益分析
4.1 发电效能与土地利用效益
（1）发电量测算依据：基于江苏省气象局2010-2020年13站点气象监测数据，参照QX/T89-2018《太阳能资源评估方法》[16]，采用面积加权法计算全省年均总辐射量。
（2）结果：HIPV-T系统（立体铺设）单位面积年发电量达200kWh/㎡，显著高于传统平铺项目的150kWh/㎡（提升33%）。
（3）土地效益：空间立体复用技术实现了交通基础设施用地的能源生产功能增值，使单位土地面积的综合功能产出（交通+能源）成倍提升，大幅提高了土地资源的集约利用水平。
4.2 碳减排效益
（1）核算依据：参照GB/T32150-2015《工业企业温室气体排放核算和报告通则》[17]，采用区域电网平均排放因子法。
（2）示例：以1公里示范段为例（立体铺设面积约5000㎡，年发电量100万kWh），年均CO₂减排量估算如下：减排量=发电量×电网排放因子=1,000,000kWh×0.785kg/kWh=785吨CO₂/年。
（3）结果：每公里年减排量达785吨二氧化碳，相当于种植约4.3万棵乔木（按每棵树年固碳18.3kg计算）的碳汇效果。考虑到系统的规模效应和全生命周期（通常25年以上），其累积碳减排效益显著，对交通基础设施低碳化转型贡献突出。
4.3 物流效率与成本效益
智能运输模块通过车路协同（V2I）技术和智能交通管理系统（ITMS），显著优化了物流运输路径规划和车辆动态调度。实证研究[18]表明，该模块的应用可使物流运输效率提高约20%，运输成本降低约15%，有效提升了物流企业的运营经济效益。
4.4 经济效益分析
（1）数据来源：成本参照同类项目统计；电价参考江苏电力交易中心2022年市场化交易数据[19]。
（2）分析方法：考虑地区经济水平、地方补贴政策等差异，设置高/中/低三档成本收益情景，采用净现值（NPV）、内部收益率（IRR）和投资回收期（Payback Period）等指标进行动态财务评价。
（3）核心结论：在合理的初始投资控制、优化的运营模式及适度的政策支持（如补贴、优惠电价）下，HIPV-T 系统具备良好的经济可行性，预期投资回收期处于光伏或交通基础设施升级项目的可接受范围内（通常在7-12年，具体取决于情景）。
5 研究局限性深度分析
5.1 地理环境适用性局限
（1）纬度与气候影响：系统效能受地理位置（纬度）和局地气候条件显著影响。高纬度地区冬季太阳高度角低、日照时间短，年总辐射量相对较低；低纬度地区虽辐照强，但需应对高温、高湿、强紫外线对设备寿命的挑战。多雨、多雾、多沙尘区域会降低光伏实际发电效率。
（2）地形地貌限制：在复杂山区或地质不稳定路段，立体桁架结构的施工难度、安全性和成本显著增加。
5.2 技术实施局限性
（1）模块兼容性与集成：目前缺乏强制的统一接口国家标准/行业标准，不同供应商提供的模块（光伏、储能、控制）在物理接口、电气参数、通信协议上存在差异，集成过程面临技术壁垒，增加调试难度、工期风险和后期维护成本。
（2）算法鲁棒性挑战：“光-储-运”协同优化算法在极端或突发场景下（如强辐照快速波动、暴雨暴雪导致能见度骤降、突发大流量拥堵或交通事故）的预测精度与决策稳定性有待提升。算法对输入数据质量高度敏感，传感器故障或通信中断可能导致决策失效。
（3）网络安全威胁：高度依赖信息物理系统（CPS）的 HIPV-T 面临严峻的网络安全挑战，如数据窃取（交通流、能源数据）、恶意控制（篡改信号灯、充放电指令）、拒绝服务攻击等，需部署强化的加密认证、入侵检测与防御系统、安全审计等防护措施。
5.3 政策法规障碍
（1）土地性质变更难题：在现行法规下，高速公路用地性质明确为交通设施用地。在其上方或周边增设大规模能源发电设施（改变土地用途），面临复杂的用地审批流程、政策解释不清及较大的不确定性，成为项目落地的首要障碍。
（2）电网接入壁垒：分布式光伏并网的技术标准、电价政策（如“隔墙售电”的许可范围与价格机制）、电费结算周期与方式等存在区域差异甚至冲突。并网审批流程繁琐、费用高昂或政策不稳定，直接影响项目的经济模型和投资回报预期。
（3）专项政策体系缺位：针对交通与能源深度融合的创新模式（如 HIPV-T），国家层面缺乏专项规划引导、统一的技术标准规范、以及持续稳定的财政补贴或税收优惠政策体系，制约了技术的规模化推广和应用。
6 结论与展望
6.1 结论
本研究系统构建了高速公路集成式光伏发电运输系统（HIPV-T）的技术框架，创新性地提出了空间立体复用技术、光-储-运协同优化算法及模块化快速部署技术三大核心技术。详实的技术方案设计与多维度（能源、环境、经济、效率）效益分析表明，HIPV-T 系统是有效应对能源环境挑战、提升交通基础设施智能化与可持续性的创新路径，具有显著的资源节约效益（提升土地和空间利用率）、环境效益（显著碳减排）和综合经济效益（发电收益+运输效率提升）。研究过程中对术语定义、数据支撑来源、量化对比分析及核心局限性的深化处理，显著增强了研究的科学性、严谨性与实践指导价值。
6.2 展望
未来研究与应用需着力突破当前局限，重点方向包括：
（1）技术深化：研发高耐候性、自适应不同气候条件的光伏材料、组件及防护涂层。加快制定并强制推广模块化接口的国家标准/行业标准，降低集成复杂度。增强协同优化算法的鲁棒性（提高抗干扰能力、复杂场景适应能力）与安全性（融入隐私保护、抗攻击设计）。针对算法鲁棒性挑战，未来研究可引入以下技术：①鲁棒优化框架-采用Min-Max鲁棒优化或随机规划方法，将极端场景（如辐照骤变、传感器故障）作为不确定性集嵌入模型；②故障诊断与容错控制-部署基于卡尔曼滤波或深度学习的状态观测器，实时检测数据异常并触发冗余控制策略；③多源数据融合校验-融合卫星遥感、邻近站点数据等外部信息源，提升输入数据可靠性。
（2）政策协同与机制创新：推动交通、能源、国土、住建等跨部门协作，制定 HIPV-T 专项发展规划、技术指南和管理办法，明确土地复合利用规则、并网流程与标准、电价机制。探索创新商业模式，如能源合同管理（EMC）、政府和社会资本合作（PPP）、绿色金融支持（绿色债券、碳金融）等，拓宽项目融资渠道。
（3）实证验证与迭代优化：在具有代表性的不同地理气候区（如华南、华北、西北）开展规模化示范工程，进行长期运行监测，全面收集发电、储能、交通流、经济效益等数据，验证技术可行性、可靠性和综合效益。基于示范工程运行数据与经验，持续迭代优化系统架构设计、控制策略与运维模式。HIPV-T 系统代表了交通与能源基础设施融合发展的前沿方向，其成功实施将为构建绿色、智能、高效、韧性的未来综合交通能源体系提供重要技术支撑和示范引领作用。
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收稿日期：2025-7-4
作者简介：钟文勇(1983-)，男，广东清新人，高级工程师，研究方向为测绘、地理信息、交通规划。