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太阳能光伏 在公路领域 应用研究 报告 交通运输部科学 研究院 科技资源与技术 交流研究中心 2022 年 6 月 中国工程科技知识 中心交通 分中心 内容提要 本报告顺 应交通 与 可再生能 源的一 体 化发展的 趋势， 研究 光伏发 电技术在 公路领 域 的应用前 景， 提 出 发展建议 。 首先 ， 从光伏产 业发 展历程、 光 伏产业 链及关键 技术等 方 面， 分析了 太阳能 光伏发电 产业 发展现状。进 而， 基于 2012-2021 十 年间公路 光伏发 电 专利数据， 分 析公路光 伏发电 技 术研发趋 势及布 局 、公路光 伏发电 技术 应用情 况 等， 发现目 前面临 的主要问 题。 最后 ， 从顶层设 计、 标 准标准、 技 术 研发、 示 范应用 、 市场机制 、 国际 合 作等方面 提出推 动 我国公路 光伏 发电技 术发 展 与应用 的政策 建议。 目 录 1 太 阳能 光伏发电产业发展 现状 . 1 1.1 全球光伏 发电产 业 发展历程 . 1 1.2 我国光伏 发电产 业 发展现状 . 2 1.3 我国光伏 产业链 及 关键技术 发展现状 4 2 太 阳能 光伏在公路领域应 用现状和存在问 题 6 2.1 太阳能光 伏在公 路 领域应用 的技术 发 展趋势 6 2.2 太阳能光 伏在公 路 领域应用 场景、 技 术发展及 应用情况 11 2.3 主要问题 25 3 政策 建议 . 27 1 为应对全球 气候 变 化， 各国政 府相继 做出 “碳达 峰、 碳 中和” 承 诺。2020 年9 月， 习近平总 书记正 式 宣布了“ 中国二 氧 化碳排放 力 争于2030 年 前达到 峰值， 努 力争取2060 年前实 现碳中 和” 愿景。 在 “碳达峰 、 碳中 和 ”战略背 景下， 推 动能源与 交通融 合 发展、 促 进能 源和交通 运输绿 色 低碳转型 ，意义 重 大。 交通强 国建设 纲要明确 提出， 要 加速交 通 基础设施 网、 运 输 服务网、 能源网 与 信息网络 融合 发展， 优化 交通能 源结构， 推 进可 再生 能源、 清 洁能源 应用。 在 这一 目标的指 引下， 交通 与可再生 能源的 一 体化发展 成为不 可 逆转的时 代 潮流， 是关 系到国 家未来发 展的战 略 布局。 太 阳能 光伏 发电作为 可再 生能源的 重要组 成 部分之一 ，具有 能 量来源巨 大、绿 色 环保无污 染、 安全可持 续、 安装 灵活、 建设 周期短 、 使用寿命 长、 运 维成本低、 应 用形式多 样、 适用 范围广等 优势， 近 年来逐渐 地成为 全 球能源转 型的 主流方向。 光伏发 电是我国 重要的 战 略性新兴 产业， 推 进光伏发 电应 用对优化 能源结 构 、 改善生态 环境具有 重大战 略意义。研 究 光伏 发电 技术在公 路领域 的 应用， 将公 路与太 阳能能源 融合， 使 公路交通 设施 从单纯能 源消耗 端 ， 转变为能 源消耗 端与能源 供给端 共 存模式， 能够 有效支撑 公路绿 色 发展。 1 太阳能光伏发电 产业发展现状 1.1 全球 光伏 发电 产业 发展 历程 光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变 为电能的 一种技 术 ，于 1839 年在 巴黎 被首次发 现，最 初 被称之为 光 伏 效应 。1953 年 ，美 国贝 尔实验 室制造 出了 第一个 实用的 硅太 阳能2 电 池， 标志着 光伏正 式成 为了产 业。1973 年 第一 次石油危 机后 ，美 国大力发 展光伏 产 业。1977-1981 年 间， 美国对 光伏的 研发和示 范项 目投入了 大量资 金 ， 发布了 光伏产 业的研究、 开发与 推广 等诸 多 有利光伏 产业发 展 的政策 [1] 。 随着光伏 技术的 不 断革新， 原材 料、 设 备、 发电等成 本不断 下降， 加之多国 实行的 电 价补贴政 策， 全 世 界光伏产 业蓬勃 发 展， 欧美 、 亚 洲市场不 断崛起。 特别是2015 年 巴 黎协议 签署 后 ， 各国对新 能 源发展越 来越重 视 ， 同时光伏 技术推 动光伏发 电成本 持 续下降， 光 伏 发电也进 入了快 速 发展时期 。 1.2 我国 光伏 发电 产业 发展 现状 我国于1958 年开始 研究光伏 电池， 并 在1971 年首 次成功 应用于 东方红二 号卫星 上 ，1973 年开始 将光 伏电池应 用于地 面 系统。20 世 纪80 年代以 前，我 国太阳能 光伏产 业 尚处于雏 形。进入21 世纪后 ， 国家对光 伏产业 给 予大力支 持，推 动 了太阳能 光伏行 业 的蓬勃发 展。 2005 年， 我国颁 布 可再 生能源 法 ， 首次明确 可再生 能 源发电项 目 执行上网 电价， 如 果上网电 价高于 传 统能源， 可在售 电 电价中分 摊， 同时规定 电网公 司 正常情况 需要接 受 并网申请。 在此背 景下， 我国 光 伏制造业 一方面 利 用国外先 进技术 和 国际市场 ， 另一 方面 得到政府 支 持 ，迅 速形成 规模。2008 年 ，我国 成为 了世 界最大 的太阳 能光 伏产 品制造基 地， 电池 制造、 组件 封装、 切片技术 具有世 界 先进水平。 全 球金融危 机爆发 后 ， 我国出台 了应对 金融危机 的一揽 子 政策， 光伏 产 业成为战 略性新 兴 产业。 我国 于2009 年通过 可 再生能 源 法修正案 ，3 实施金太 阳示范 工 程，2011 年 开始执 行上网电 价政策 ，2013 年 出台 光 伏发 电分区 电价及 分布 式光伏 发电补 贴政 策，2015 年开 始执 行光 伏发电“ 领跑者 ” 计划。 可再生 能源法 的实施以 及陆续 出 台的对可 再生能 源 的价格、 财税、 并 网等扶 持 政策， 极 大的促 进 了我国光 伏产业 的 高速发展 。 如 表 1 所示， 近十年 我国光伏 发电装 机 容量、 新 增装机 容 量持续增 长。 我国2021 年 新增光 伏发电并 网装机 容 量5488 万 千瓦 ， 连续 9 年 居世 界首位。 截至2021 年底，光 伏发电 并 网装机容 量达到3.06 亿千瓦 ， 连续7 年 居全球 首 位。 随着 我国光 伏 技术的快 速进步 ， 从原、 辅 料到 设备迅速 实现国 产 化， 成本 降低的 同 时， 发电 效率不 断 提升， 光 伏发 电成本已 越来越 接 近于上网 电价。 我国 光伏市场 装机容 量 呈持续快 速 健 康增 长态势 。2018 年， 国家发 改委、 财政 部、国 家能源 局联 合发 布关 于 2018 年光 伏发电有 关事项 的 通知 （发改 能源〔2018 〕823 号） ， 将进一 步优化 光伏产能 建设， 淘 汰落后产 能，加 快 产业升级 。 表 1 我国历 年光伏 新增和累 计装机 容 量 单位 万千 瓦 年份 光伏新 增装 机容 量 累计装 机容 量 其中 集中 式 光伏电 站 其中 分布 式光伏 其 中 集中 式 光伏电 站 其中 分布 式光伏 2021 5488 2560 2928 30599 19848 10751 2020 4820 3268 1552 25343 17435 7815 2019 3011 1791 1220 20430 14167 6263 2018 4426 2330 2096 17446 12384 5062 2017 5278 3344 1934 13020 10054 2966 2016 3454 3031 423 7742 6710 1032 2015 1513 1374 139 4318 3712 606 2014 1060 855 205 2805 2338 467 2013 1292 1212 80 1942 1632 310 数据来 源 国 家能 源局 、中 国 光伏 行业 协会 4 1.3 我国 光伏 产业 链及 关键 技术 发展 现状 光 伏发电 产业 链构成 如图 1 所示， 上游 为从硅 料到硅 片的 原材 料制备环 节； 中游 为从光伏 电池到 光 伏组件的 制造环 节 ， 主要负 责生 产有效发 电设备 ； 下游则是 应用端 ， 即光伏发 电系统 。 经过多年 的曲 折发展与 沉淀， 我 国已具备 相对完 整 的光伏产 业链。 图 1 光伏 产 业链构 成 [2] 2005 年以 来， 我国 硅产业在 政策推 动 下起步， 目 前行业 集中度不 断提高， 部分企 业 的生产成 本已达 全 球领先水 平。 近年来 ， 我国 多晶 硅产量持 续扩大 ，由2016 年的19.4万吨 增至2021年的50.5万 吨，产能 全球占比 由2016年的46提升至2021年的约78 1 。 我国硅 片在全球 范 围占据着 主导地 位 ，2021 年 我国硅 片 产量约为227GW ，同比2020年 增长40.99， 硅片 产能为400 GW/ 年， 同比2020年增长60 2 。 电池片与 组件在 光 伏发电站 成本中占比 约 50，是光 伏 产业链 主体部分 。 电池 片 的转换效 率决 定了 企业的核 心竞争 力 。2021年 ，规 模化生产 的p 型单晶 电池、 采用PERC 技术 的 多 晶黑 硅 电池片 、 常规多 1 数据来源中国有色工业金属协会。 2 数据来源中国光伏行业协会。 5 晶黑硅电 池、铸锭单 晶PERC 电池 、n 型TOPCon电池、 异 质结电池 平 均转换效 率分别 达到23.1 、21.0 、19.5 、22.4 、24 、24.2 和 24.1 [2] 。2021年， 中国电池 片产量 为198GW ， 产能为350GW/ 年，同 比2020 年分 别 增长46.88和59.09 ， 全 球产量、 产 能占比 均 超过80 ， 全球电池 片产业 继 续向我国 集中 3 。我 国是全球 第一大 光 伏组件生 产 国。2021年我国 光 伏组件产 量为182GW ，同比2020 年增 长46.07， 产能为350GW/ 年 ，同 比2020年增长59.09。组件 最高功 率 进一步提 升，由2020 年的600W 提升至2021 年700W 。 2021 年全国 新增光 伏并网装 机容量54.88GW ，累计光伏并 网装 机容量达 到306GW，新增和 累计装 机 容量均为 全球第 一 。全年光 伏 发电量为3259 亿千 瓦时，同 比增长25.1。我国光伏 产业 从无到有， 从少到多 ， 市场 需 求不断增 加， 技 术 不断革新 ， 目前 已 发展成全 球产 业链最齐 全、产 能 及产量最 大的光 伏 生产国。 在产业规 模快速 扩 大的带动 下，我 国 光伏发电 技术取 得 快速发 展，光伏 电池、 组 件等关键 部件产 业 化量产技 术达到 世 界领先水平 ， 生产设备 技术不 断 升级， 基本 实现国 产化。 光伏 发电系 统成套技 术不 断优化完 善， 智能 化水平显 著提升。 我国在晶 体硅太 阳 电池产业 化技 术方面已 处于世 界 先进水平 ，掌握 了 从多晶硅 提纯技 术 、单晶/ 多晶 生长技术 到高效 电 池和组件 制备技 术 的全产业 链核心 技 术， 光伏 产品 具有成本 和质量 优 势。 光伏发 电制造 设备基本 实现国 产 化，并 实 现了 从低端向 高端发 展， 高产能与 高效自 动 化能力不 断提高。 智 能机器人 、 3 数据来源中国光伏行业协会。 6 无人机、 大数据 、 远程监控 、 先进 通 信技术等 大量新 技 术被应用 于光 伏电站整 体设计 以 及系统级 优化， 光伏 发电系统 实际发 电 能力不 断提 升。 2 太阳能光伏在公 路领域应用现状 和存在问题 2.1 太阳能光伏在公 路领域应用的技 术发展趋势 通过对 2012-2021 十年间公 路交通 光 伏发电专 利进行 分 析， 发现 公路领域 光伏发 电 技术研发 具有如 下 特征。 （1 ） 公路光伏发电技术应 用性强、创新性相 对较弱 图 2 所示为 2012-2021 十年 间 公路 光伏 发电专利 总体情 况 ， 专利 申请总量为 2097 件 ， 整体表 现出持 续 增长后下 降的趋 势 。2018 年专 利申请量 出现小 高 峰。 近 10 年来该 领 域平均专 利授权 比 例为 62.57 。 在上述 2097 件专利 中， 如图 3 所 示， 实 用新型专 利数 量最多 ， 为 1187 件，占全部专利申请量的 63.27。可见，当前公路光伏发电技术的 应用性强 、 创造 程 度相对较 弱， 在 产 品形状、 构成或 组 合方面的 革新 多于方法 发明或 方 法改进。 图 2 2012-2021 年 公路交通 光伏发 电 专利趋势 7 图 3 公路光 伏发电 专利类型 分布 （2 ） 我国是公路光伏发电 最大的专利技术来 源国和技术应用国 我国公路 光伏发 电 技术专利 申请量 占 全球专利 总量的 88以上， 并且中国 籍发明 人 贡献的专 利数量 与 本国被布 局的数 量 基本持平 。除 我国外， 主 要技术 来源国家 （ 地区） 包括韩国、 西班牙 等， 技术应 用 国家（地区 ）包 括 韩国、世 界知识 产 权组织等 ，如图 4 、 图 5 所示 。 图 4 公路 光伏发 电 专利技术 来源国 家 （地区） 分布 8 图 5 公路 光伏发 电 专利技术 应用国家 （地区） 分布 在我国，共 有 25 个 省（市、 自治区 ） 进行了公路 光伏 发 电技术 专利布局 。 江苏 、 广东、 浙江 、 山东 、 安 徽、 北京 、 河南 、 四 川 、上 海、 湖北 是该领 域 布局专利 较多的 省 份，如 图 6 所示。其 中 江苏 在该 领域申请 的专利达 264 项。 江苏、 广东 、 浙江、 山 东四省 的专利申 请 数量占我 国申请 总 量的 1/3 。 该领域 的 专利权人 较为分 散 ， 共有 1513 家机构和 个人活跃在 该领 域的 研 发中。 如图 7 所示， 国 家电网公 司、 鸿翌科技 有限公 司 和长安大 学三家 机 构的专利 申请量最多 ， 但 并未 在 绝对数量 上占 据优势 。 9 图 6 我国 公路光 伏 发电专利 申请主 要 地区分布 图 7 我国 公路光 伏 发电主要 专利权 人 分布 （3 ） 公路光伏 发电技术研 发主要集中在照明 设备、电池装置、 光伏组 件结构、 道路标志/ 交通信号装置、道 路车辆交通控制系 统等 方向。 图 8 所示 为公路 光 伏发电主 要的研 发 方向分布 ， 该领 域研 发主要 集中 在照明设 备、电池 装置、光 伏组件结 构、道路 标志/ 交通 信号 装10 置 、道路 车辆交 通控 制系统 等方向 。图 9 所示 为上述 主要 研发方 向 专利变化 趋势图。 与专利申 请趋势 类 似， 各主要 研发领 域的第一 个小 高峰出现 2017-2018 年期间 。 随 后， 照 明设备、 电池装 置 、 道路车 辆 交通控制 系统等 技 术研发布 局逐步 集 中，专 利数 量在 2020 年达 到峰 值。 图 8 公路 光伏发 电 主要研发 方向分布 4 4 注H02J7 代表用于电池 组的充电或去 极化 或用于由电池组向 负载供电的装 置；F21S9 代表带有机内电源 的照明装置以 及采用这 种装置的系统； H02S20 代表光伏 模块的支撑结 构； F21W131 代表照明装置或 系统的用途或 应用； E01F9 代表道路标志或 交通信号装置， 以及进行 警告的装置； F21V23 代表照明装置内或 上面电路元件 的布置；H02S40 代表 与光伏模块结 合的组件或配 附件 ；F21Y115 代表半导体 光源的发光元 素；F21V33 代表照明装 置与其他物品在结 构上的组合；G08G1 代 表道路车辆的交通 控制系统。 11 图 9 公路交通 光 伏发电主 要研发 方向 专利变 化趋势 （4 ） 公路光 伏发电核 心专利 国外多 于国 内，涉 及 路面 、照 明装 置、充 电装置、监控装置 等 领域。 结合被引 频次、 同 族专利数 量和权 利 要求数量， 来分析 公路光伏 发电技术 核心专 利 ，发现这 些专利 均 出现在 2015 年 之后 ，国外专 利 多于国内 专利， 可见 专利权 人优先 选 择在国外 （尤其 是 美国）布 局。 从内容上 看， 核心 专利涉及 了路面、 照明装置、 充电装 置、 监控装 置 等方面， 其中光 伏 路面和光 伏路灯 的 专利相对 较多。 2.2 太 阳能 光伏 在公 路领 域应 用场 景、 技术 发展 及应用 情况 图 10 所示 为基 于对 上述 2097 件专 利进 行主题聚 类而形 成 的公路 光伏发电 技术专 利 地图， 太 阳能光 伏在 公路领域 的应用 主 要涉及光伏 公路边坡、 光伏声 屏障、 光伏 路面、 光伏公路 廊道、 光 伏停车棚、 光 伏充电站 、光伏 电 网，以及 光伏道 路 养护装置 、光伏 道 路标志标 线、 光伏道路 市政设 施 、光伏道 路监控 装 置等。 12 图 10 公路 光伏发 电 专利地图 2.2.1 光伏公 路边坡 光伏公路边 坡 利 用 支架将光 伏组件 铺 设于公路 沿线边 坡 上， 在发 电的同时 还有护 坡 的功能。 在边坡 上布 设太阳能 板不受 当 前材料水 平 限制， 发电 效率基 本不受交 通状况 的 影响， 其关 键问题 是选址和 保障 系统安全 运行稳 定 。 光伏公路边 坡 关 键技术包 括 最佳 潜在安装 选址 评估方法、 机架系 统选型和 架设位 置 确定方法、 边坡及 支护设施 稳定 性影响评 估方法 、 交通安全 影响评 估 方法等。 2012-2021 十年间 ，光 伏 公路 边坡相 关 专利共计 11 件（10 组） ， 其中， 发 明专利 2 件， 实用 新型专利 9 件， 主要集中 在以下 3 个 技术 方向一 是光伏 边 坡防护装 置，即 在 防边坡滑 坡装置 上 设置光伏 板、 逆变器、 蓄电池 等 组件， 使 其具有 光 伏吸收功 能， 在 护 坡的同时 实现 为路灯供 电；二 是 光伏边坡 稳定性 监 测装置， 即 在边坡 形变监测 仪主 控盒的顶 部安装 光 伏板， 或是 在其支 撑架上安 装光伏 板 和蓄电箱， 并13 设置光伏 板转动 调 节装置， 通 过提高 监测装置 储能效 果 ， 解决使用 中 需长时间 连接电 源 耗电， 或 是储电 量 有限的问 题； 三是 沙漠公路 、 高 速公路地 段等特 定 场景下光 伏护坡 装 置和方法 ， 即针 对沙 化边坡光 伏 治理、 在隔 离栅伴 生布置光 伏发电 设 施等技术 空白， 提 出了光伏 治沙 装置（CN209185148U ） 、伴生于隔离栅的光伏发电设施布置方法 （CN112746581A）等 。 从专 利布局 来 看， 多为 依托边 坡 防护、 监 测、 治沙等设 施安装 光 伏组件的 实用新 型 专利， 几 乎没有 涉及 关键技术 的 发明专利 。 美国于 2008 年 完成 了全美首 个光伏 公 路边坡示 范项目 ， 每年可 产生约 130MWh 的电 量 ，可 供布设 处 的立交桥 照明用电 [4] 。此后， 日本、德 国等国 家 也开始了 在公路 和 铁路两侧 建设光 伏 电站的实 践。 我国于 2020 年发 布了 交通 运输部 关 于推动交 通运输 领 域新型基 础 设 施建设 的指导 意见 ，鼓励 在服务 区、 边坡等 公路沿 线合 理布局 光 伏发电设 施， 与市 电等并网 供电 。 2021 年 11-12 月 山东 高速 集团在 荣 乌高速威 海段建 设 了边坡光 伏发电 试 验项目并 成功并 网。 该项目是全 国首个高 速公路 边 坡光伏试 验项目 ，总 里程 2290 米，装 机容量 2.01 兆瓦， 预计 年 均发电 量 201 万度， 年 节约标准煤 603 吨， 年 均 减排 ⼆ 氧化碳 2010 吨。 公路边坡 上布设 太 阳能板不 会导致 土 地用途的 改变， 装机 技术要 求相对较 低， 施 工 和维修相 对简便 ， 且我国公 路边坡 面 积可观， 依托 公路边坡 开发利 用 太阳能资 源蕴含 着 巨大的潜 力， 需 要加 强光伏公 路 边坡关键 技术研 发 ， 在提高发 电效率、 保障架设 光伏发 电 设备后的 边14 坡 的稳 定性 和安 全性 、保 障交 通安 全等 方面 形成 解决 方案 或技 术产 品。 2.2.2 光伏公 路声屏障 光伏声屏 障是将 声 屏障和光 伏系统 相 结合， 在 实现降 低交 通噪音 的同时产 生电能。 光伏声屏 障在道 路 环境中设 置， 需要 综合考虑 其实 际降噪和 发电等 方 面的性能， 关键技 术包括 声 屏障顶 端及外形 结构 设计、声 屏障吸 声 结构设计 、双面 发 电光伏组 件应用 技 术等。 2012-2021 十年间， 光伏声屏 障相关 专 利共计 48 件 （40 组） ， 其 中， 发明专利 25 件 ， 实用新型专 利 23 件， 主要集中 在以下 技术方向 一是 依 托隔 音屏 加装 光伏 发电 装置 ，即 针对 隔音 屏缺 乏光 伏发 电功 能， 只起到 对噪声 进行吸收 和隔离 的 作用， 提出 充分利 用隔音屏 的空 间特点， 在其 上设 置光伏板 发电装 置 ， 在降噪的 同时能 够为外场 用电 设施提供 清洁、 绿 色的供电；二 是 光 伏板倾斜 角度调 节 和双面光 伏组 件装置应 用，即 针 对光伏板 在安装 时 摆放角度 单一， 在 安装后无 法进 行倾斜角 度调整 ， 仅 有单面接 收光照 而造 成 太 阳能 利用 效 率不高的 问 题， 提出 设有俯 仰 单轴回转 驱动器 、 光强跟踪 组件、 纵 向和横向 调节 组件、双面电池双 玻组件的声屏障装 置，能够实现光伏 板倾斜角度 的调节， 以增加 受 光面积； 三是利 于 散热的声 屏障结 构，即 针对 在直 立式光伏 声屏障 中， 将光伏板 叠设在 声 屏体外部 时会导 致 光伏板组 件 温度升高， 影响系 统使用安 全性的 问 题， 提出采 用光伏 板和声屏 体交 替设置结 构的声 屏 障， 具有良 好的散 热效果；四 是便于 安装与拆 换的 声屏障结 构，即 针 对固定式 光伏板 安 装过程繁 琐， 且难 以进行拆 换的15 缺陷， 提出 一种可 拆卸式声 屏障， 将 光伏板设 计为可 拆 卸式金属 薄片 接触通电 式结构， 实现光伏 板的便 捷 维修和更 换；五 是 防损坏声 屏障 结构，即 针对光 伏 声屏障结 构强度 较 低、 容易 受冲击 损 坏的缺陷 ， 提 出光伏发 电防撞 隔 音屏障， 含有防 撞 基座、 缓 冲凸块 等 设计， 具 有较 强的缓冲 防撞性 能；五 是 声反 馈迟滞 抑制装置；六 是 防 止驾驶员 视觉 疲劳装置 。 从专 利 情况来看 ， 在关 键 技术领域 均有专 利 布局， 已 具备 一定的技 术基础 。 世界上第 一个光伏声 屏 障 于 1989 年在 瑞士建成 。太阳 能 电池板 固定在一个 2 米 高 的结构上， 该结构 以最佳倾 斜角安 装 在顶部， 覆盖 了 800 延米 公路 的噪 声 屏 障， 光 伏发电 每年净 增发 电量 约 108,000 千 瓦时。1997 年至 1999 年期 间， 瑞士 、 德国又开 分别建 设 了 3 处光伏 声屏障。 目前， 除 瑞士、德 国外， 澳 大利亚、 法国、 英 国、意大 利、 奥地利 、 克罗 地亚 、 丹麦、 荷兰 、 瑞典 等 国家都安 装有光 伏 声屏障 [3] 。 在我国， 上 海地铁 部分示范 段、 江苏 苏州西环 高架主 线 劳动路段 高架 开展了光 伏声屏 障 建设。 光伏声屏 障使用 现 有的隔音 屏障作 为 光伏模块 的子结 构， 或将光 伏模块整 合到新 的 隔音屏障 中， 有利 于节约土 地资源， 便于施工 和维 护， 适合在 人口密 集地区和 工业区 部 署， 且目前 在关键 技术领域 已有 一定的技 术基础， 需要进一 步在平 衡 降噪与发 电量、 防 眩光和防 撞等 方面优化 结构设 计 。 2.2.3 光伏路面 光伏路面是将光伏发电层应用于沥青或水泥混凝土路面表面的16 一种新型 多功能 路 面, 具有承载交 通和 清洁发电 的双重 功 能， 关键 技 术包括 光 伏路面 结构模型 设计、 路 面材料选 择、 联结 电路设计、 路 面性能试 验技术 和 标准、路 面集热 技 术、路面 养护维 修 技术等。 2012-2021 十年间 光伏 路面相 关专利 总 计 158 件 （120 组） ， 其中， 发明专利 96 件， 实 用新型专利 55 件， 外观设计 专利 7 件， 主 要 集中 在以下 5 个技术 方 向 （1 ） 光伏路 面结构 及施工方 法和装 置 针对承 载式 光 伏路面 的光伏 板设置 在 路面内部， 散热速 度慢， 易 导致光伏 组件使 用 寿命缩短 和发电 效 率降低这 一缺陷 ， 提 出承载式 光 伏路面， 通 过在光 伏组件内 部设置 多 个换热通 风结构， 使光伏路 面发 电时将其 内部的 热 量快速排 到路面 外 ，有效降 低光伏 路 面温度。 针对光伏路面实体板块结构将光伏板水平固定在底板和透光层 之间，无 法调整 光 伏板的摆 放角度 ， 对太阳光 的利用 率 不高的问 题， 提出了光 伏太阳 能 路面结构 单元、 微 阵列光伏 电池组 太 阳能路面、 免 跟踪自聚 光式光 伏 太阳能路 面等光伏路 面 空心 板块结 构 。 其中， 微阵 列光伏电 池组太 阳 能路面等设 有 转动驱 动 电 机和 摆 动驱动 装置，能 够 调节光伏 板的倾 角 、 朝向、 间距和 几 何尺寸； 免跟踪 自 聚光式光 伏太 阳能路面 等采用 抗 滑聚光面 板置于 高 强底座之 上， 光 伏板 固定在免 跟 踪自聚光 格室底 部 的结构， 能够将 入射 到格室内 的光线 汇 聚到光伏 板 上，从而 提高光 伏 板的发电 效率。 光伏路面 铺设主 要 有两种方 式。 一种 是用 地脚螺 栓将光 伏 发电路 面模块固 定在事 先 铺设的水 泥混凝 土 基础上。 针对这 一方 式中的光伏17 模组主要 采取人 工 铺设的方 式， 存 在 工作量大 、 施工 速 率较慢、 施工 质量较难 控制等 不 足， 提出 一种装 配式 沥青混凝 土光伏 发 电路面及 施 工方法， 通过预 制 光伏面板 和 ECC 板 块单元， 将光伏 模 组预先安 装 到 ECC 板上， 避免 铺设中需 多次进 行 电器元件 的埋设 及 光伏板间 电 路连接。 另一 种 铺 设方式是 在路面 上 切割凹槽， 将光伏 模块安装 到凹 槽内。 针对 这一方 式 中切割易 导致沥 青 层松动、 位 移以及 塌 陷的缺陷 ， 提出一种 铺装式 太 阳能光伏 发电路 面 模块的铺 装结构 及 方法， 仅 在道 路两侧进 行小范 围 的切槽及 布线完 成 模块安装 。 光伏路面 排水系 统 在雨水较 大时， 其 透水和排 水性能 较 差， 易发 生积水现 象， 不仅 影响行车 和行人 的 安全， 还会 影响其 耐久性和 稳定 性。 基于 此， 提 出 集排水和 发电于 一 体的光伏 路面， 通 过将相邻 的两 块发电砖 体之间 设 置供水流 入地面 的 间隙，实 现雨水 等 地表水循 环。 发电砖体 的上表 面 为透光材 料， 内部 安装太阳 能发电 器 ， 光伏组件 通 常使用上 下双玻 璃 封装的堆 叠设计 方 式。 针对在路 面载荷 出 现应力集 中额度 区 域出现脆 性断裂 ， 导 致芯片 受损失效 的问题 ， 提出缓冲 效果好 的 光伏路面 ， 通过 设 置表面层 、 缓 冲 层（含 由不同 （缓 冲）材 料制成 的至 少两个 缓冲子 层 ） 、 芯片层 的 结构， 能够 利用周 期性材料 的介面 阻 抗不匹配， 降低透 过应力波 对芯 片层的影 响。 此外， 相关 专利还 提出了改 善透光 保 护板安装 牢固性 的 路面、 有 足够防滑 能力的 路 面、 兼具发 电、 降 温、 融雪功 能的路 面； 路面电 力 沟槽回填 与压实 方 法、 路面承 重变形 失效评估 方法、路 面 铺设检 测与18 加固装置 、 路面 承 载式安装 支架、 路 面对齐装 置、 软 基 路面光伏 支架 等。 （2 ） 光伏路 面的材 料、预制 构件或 组 件及施工 工艺 包括高透光/ 高强度 玻璃/ 材料；集成光 伏、压电、热电多 种发电 技术的高 效发电 构 件； 通过多 组排水 栅格连接 实现自 排 水的构件； 通 过设置反 光部， 利 用光在其 中的多 次 反射， 提升 光伏芯 片光照度 的组 件； 直接 嵌设在 路 面， 可与 沥青混 凝 土胶合的 组件； 通 过将光伏 板做 成联锁块 形式， 减 少内应力 的组件 ； 光伏组件 铺设和 预 压工艺等 。 （3 ） 光伏路 面养护 装置 包括清理/ 清 扫工具 、除冰融 雪系统 等 。 （4 ） 基于光 伏路面 的充电方 法及设 备 包括无线 充电方 法 、充电亭/ 停 车位、 零气压轮 胎等。 （5 ） 基于光 伏路面 的信息化 系统 包括交 通监 控 系统等 。 光伏路面 专利数 量 较多， 布局 涉及了 光伏路面 结构、 路 面材料等 关键技术 领域。 光伏路面 最早由 美 国提出， 法国建 造了 世界上第 一条太 阳 能公路 “Wattway ” 。 该条 太阳能公路 总长 1 公里， 太阳能 电池 板的总面 积约 为 2800 平方 米， 成 本为 5,000,000 欧元 。 运营不 到 3 年， 由于磨损 造 成的损坏 ， 部 分路 段不得不 拆除 ， 项 目最终以 失败告 终 。 德 国、 荷兰 、 日本、 西 班牙、 匈 牙利等国 也建设 了 太阳能路 面试验 路 ， 应用效 果有 待长期跟 踪。2017 年 12 月 28 日 ，我 国承载式 光伏高 速 公路试验 段19 建 成并 通车， 实现了 世界 首条高 速公路 光伏 路面并 网。2018 年，由 于 路面 光伏 组件 破损 ， 行 车道 的光 伏组 件全 部拆 除并 恢复 了沥 青路 面 ，仅 剩下应 急车道 的光 伏组件 。2018 年， 光伏太 阳能道 路＋ 移动 式无线充 电＋无 人 驾驶智能 车 “三合 一” 超级道 路工程 在绍兴兰 亭产 业园内已 正式落 成 。 该路段全长 98 米 ， 综合应用 了包括 光伏发储 电、 道路层间 防水防 潮 、 无线充 电防辐 射 、 屏蔽技 术、 无 人 驾驶电动 车智 能 识别 等十几 项关键 技术 及配套 技术。2022 年 即将建 成的 杭绍 甬高 速公路采 用光伏 路 面， 通过 太阳能 、 光伏发电 ， 补充 插 电式充电 桩电 量，进而 实现移 动 发电。 光伏路面 研究相 对 较多， 但 受成本 、 使用寿命 、 安全 性 等因素影 响， 应用还 处于探 索阶段， 需 要加快 结构设计、 施工工 艺、 养护维 修 技术、集 热技术 等 方面的研 究与实 践 。 2.2.4 光伏公 路廊道 光伏公路 廊道是 将 光伏发电 系统架 设 在公路行 车道上 方， 可同时 实现发电、 遮阳、 避雨雪、 公 路线形 诱导、 辅助 照明、 智能监控 等多 重功能， 关键技 术 包括 光伏 公路 廊 道设计方 法、 荷 载 作用下廊 道结 构性能和 发电效 能 评估方法 等。 2012-2021 十年间 光伏 公路廊 道相关 专 利共计 16 件 （16 组 ）， 其 中，发明 专利 6 件 ，实用新 型专利 10 件，主要 集中在 光 伏廊道及 其 结构、 光伏 廊道除 雪 装置等 2 个技术 方 向。 在光伏 廊道及 其 结构方 向， 通过在 路网 上方 设 置顶棚， 将 光伏板 设在顶棚 上， 提出 顶棚式光 伏公 路， 有效 避免了 光 伏板遭受 碾压、 车辆 遮光影 响发电 效 率等问题 。 在20 此基础上， 相关专 利进一步 提出斜 单 轴式光伏 廊道、 公 路路面光 伏集 能结构， 通 过安装 方位角检 测仪和 动 力机构、 太 阳光跟 踪装置和 驱动 电机等， 光 伏组件 可呈一定 角度进 行 实时旋转 以提高 其 发电效率。 太 阳能公路 综合廊 道 通过优化 廊道的 排 水系统， 与路网 的排 水系统融 为 一体， 形成 集发电 、 遮阳、 排 水、 行 车于一体 的综合 系 统。 风光并 网 供电的公 路棚架 系 统将风力 发电引 入 到光伏廊 道中， 推广 太阳能和 风 能等清洁 能源的 使 用。 在光伏 廊道除 雪装置方面 ， 包括 智能除雪 系统 及其除雪 运维通 道 结构、 导水 天沟装 置等， 通过 采集并 分析廊道 光伏 组件上的 积雪图 像 ， 采用光伏 组件背 面反射光 发电、 对 直流电加 热装 置供电等 方式产 生 热量并进行 除 雪操作 。 从专利 布局来 看， 主要解 决 廊道结构 设计这 一 关键问题 。 2010 年， 瑞 典 建筑师 Mans Tham 为美国圣莫尼 卡高速 公 路设计 了“Solar Serpent”， 用光伏电 池板覆 盖 于高速公 路上方， 每年可 为当 地居民提供 150 兆 瓦的清洁 能源 [6] 。2011 年， 在 比 利时 安特卫普 一 条专为保 护野生 动 物、 人和树 木， 并减 少高速列 车噪 音污染 而修建 的 隧道顶部 的屋顶 上 方， 安装了 16000 块太阳能 电池板， 每年约为 铁路 提供 3.3 兆瓦时 的电 力 [7] 。 2020 年， 奥 地利 与德国 合 作 启动了 PV-SD 试点项目 [8] ， 在高速公路上 方部署 光 伏顶篷， 在 利用太 阳能发电 的同 时， 通过防 止路面 过热和降 水来延 长 路面使用 寿命， 并 且降低噪音 污 染。 2017 年 6 月 ， 山 东 青兰高速 孟疃收 费 站建成 1700KWp 分 布式光 伏发电项 目并完 成 并网。 该 项目是 全国 首例高速 公路匝 道 圈分布式 光21 伏发电 ， 安装 265Wp 多晶硅 光伏组 件 6336 块， 平 均年 发 电量 185 万 千瓦时， 年节约 标 准煤 740 吨， 年减 排二氧化 碳 1800 吨 [9] 。鄂西北 片区高速 公路分 布 式光伏发 电站项 目 于 2018 年 1 月份正 式并网运 行， 项目实际 总装机 容 量 10.268 兆瓦 ，分 布在湖北 省鄂西 北 片区高速 公 路服务区、 收费所 屋顶和隧 道出入 口 中央隔离 带空地， 每个站点 采用 “ 自发 自用、 余电上 网” 模式建 设。2021 年 ，杭 金衢高速 公路 新岭 隧道分布 式光伏 项 目顺利完 成并网 送 电。该 项 目 利用 新岭 隧道空闲 地 面安装分 布式发 电 系统， 建设 容量 230.4kWp， 共 计安装 512 片 450Wp 单晶光伏 组件， 安 装采用“ 自发自用， 余电上网”的 消 纳方式 ， 年发电 量可达 23 万 度。 浙 江嘉兴南 湖服务 区 屋顶光伏 铺装面积 5000 平方 米， 年发电量 可达 250MW [9] 。 公路光伏 廊道初 始 建设成本 较高， 运 维难度较 大， 自提 出以来发 展缓慢， 研 发主要 集中在廊 道结构 设 计方面， 需 要进一 步评估其 发电 效能，论 证其安 全 稳定性、 性价比 等 。 2.2.5 光伏