在一个阳光明媚的早晨，研究生 Jeremy Klotz 和教授 Shree Nayar 拿着高脚架和一台 360 度全景相机，走在曼哈顿上城的街道上。他们一路经过多处共享单车停靠站，这些停靠站的亭子、锁车装置、无线通信系统，甚至新近安装的电动自行车充电设施，都依赖太阳能供电。
在每一个停靠站，研究人员都会把相机举到太阳能板上方，拍下一张球面全景照片，并立即传到 Klotz 的笔记本电脑上。几秒钟后，他们自研的计算机视觉程序就会给出结果：这块太阳能板在一年内大约能产生多少电能，以及如果把它调整到最佳朝向，一年能多发多少电。
结果相当出人意料：这些为共享单车停靠站供电的太阳能板——以及很可能纽约市乃至其他城市的许多太阳能板——因为没有对准最佳方向，正在白白浪费大量潜在发电量。
根据 Klotz 和哥伦比亚工程学院计算机科学 T.C. Chang 教授 Nayar 的估算，仅通过重新调整这些太阳能板的安装角度和方向，它们的年发电量最高可提升约 30%。在附近其他几个停靠站，他们也观察到了类似的提升空间。
“我们的研究成果让人们可以更有依据地做出关键决策，比如太阳能板该装在哪、装成什么角度，以及长期投资回报率会是多少。”Nayar 说。
这在技术上颇为惊人，因为密集城市环境中的太阳能板只能看到部分天空，还要面对周围建筑和各种结构带来的阴影与反射。
研究团队开发的技术，能够仅凭一张图像，就预测阴影、反射以及当地天气模式如何影响任意城市位置的太阳能接收情况，并自动考虑太阳在天空中每天和全年运动轨迹的变化。
更重要的是，这套方法只需要现成的硬件设备即可运行，相关成果已发表在期刊《Solar Energy》上。
城市“峡谷”里的太阳能挑战
如今，太阳能已成为成本最低的能源形式之一。太阳能板本身的价格大幅下降，以至于在很多项目中，许可、人工和现场勘测等安装相关费用，反而比设备本身更贵。
因此，事先准确评估某个表面一年到底能发多少电，就成了判断是否值得安装太阳能板的关键。
在太阳能农场中，开发者会在开阔地带成排布置太阳能板，以最大化直射阳光的照射。有些农场还会安装跟踪系统，让太阳能板随太阳的日行和年行轨迹转动，以进一步提高发电量。
但在城市里情况完全不同。城市太阳能板的优势在于，它们能在电力需求高且持续增长的地方就地发电，帮助稳定电网、压低电价。然而，这也带来了明显的折衷：建筑物、电线杆、水塔、广告牌等各种结构会遮挡直射阳光，限制太阳能板的发电潜力。在行业内，这类复杂环境常被称为“城市峡谷”。
目前用于预测城市峡谷中太阳能板发电量的方法，往往耗时长、成本高，而且在估算三种光源时精度有限：
- 直射阳光
- 来自部分可见天空的漫射光
- 周围建筑物反射的光
“在太阳能采集中，靠近太阳能板的小物体对光照的影响，可能和远处的大物体一样显著。”Nayar 解释说。
例如，屋顶上的暖通空调设备、女儿墙等相对较小的结构，通常不会出现在城市三维模型中，但它们对太阳能板实际接收到的光线影响巨大。
漫射光和反射光让问题更加复杂。传统方法往往没有充分考虑：
- 太阳能板可见天空区域的亮度，会在一天和一年中不断变化；
- 周围建筑物表面的反射光贡献。
这些忽略会带来较大的预测误差。
Nayar 实验室的研究表明，反射光平均占太阳能板全年总能量的大约 12%。
“很多人以为反射光贡献很小，但实际上非常关键。”Nayar 说，“如果太阳能板处在阴影里，而它视野中的建筑正被阳光直射，那么反射光就会占到它接收能量的大部分。”
一张图像能告诉我们的事
这项新方法的核心洞见是：从太阳能板所在位置拍摄的一张照片，已经包含了大量关于光照环境的信息。
- 图像中的阴影形状和方向，揭示了太阳的大致方位；
- 建筑物上的直线结构，则提供了重力方向的线索。
算法利用这些信息，推断出图像相对于地球的姿态和朝向。
接着，通过图像分割算法，系统会标出太阳能板可见的天空区域，并从周围建筑外观中提取空间布局和材料特性等信息。
在此基础上，系统会：
- 预测太阳在可见天空中的日行和年行轨迹；
- 估算周围建筑物在不同时间向太阳能板反射的光量；
- 结合历史天气数据，把预测从晴天扩展到多云、阴天等多种天气条件。
所有计算几乎都能在笔记本电脑上瞬间完成。这种方法不仅适用于屋顶和地面立杆安装的太阳能板，也适用于安装在建筑立面的垂直太阳能板。
“这项技术成本低、便携性强，既适合家庭用户，也适合大型企业在规划太阳能项目时使用，以最大化投资回报。”Nayar 表示，“而目前行业中常用的流程既慢又贵，而且结果往往只是粗略估计。”
为城市太阳能未来铺路
几十年来首次，电力需求的增长速度已经超过电网扩容的速度。数据中心、热泵以及电动车充电等新负荷，迫使公用事业公司投入巨额资金升级基础设施，而这些成本最终会反映在用户电费账单上。
哥伦比亚大学机械工程及地球与环境工程教授 Vijay Modi 长期研究城市能源系统，他认为 Klotz 和 Nayar 的技术有望推动更多太阳能板在城市中落地。
“没有评估工具，就无法实现大规模部署。”Modi 说，“这项技术提供的定量化、按时间序列展开的太阳能潜力数据，可以用来评估对终端用户和电网的价值——这是做出投资决策的关键。”
Modi 的研究还指出了一个尚未被充分开发的巨大潜力来源：高层建筑的立面。与屋顶相比，立面总面积往往要大得多。
在多数高层建筑上，立面接收到的直射阳光甚至可能多于屋顶。利用 Klotz 和 Nayar 的方法，Modi 团队测量了哥伦比亚大学校园一栋建筑的东向墙面，发现其太阳辐射水平足以显著抵消这栋楼的整体能耗和峰值用电需求。
他指出，这样的评估结果可以在几小时内完成，而如果没有这套工具，则可能需要一个月时间和昂贵的专业仪器。
“在城市中，随着负荷不断增长，公用事业公司需要找到办法，来减少对配电网络升级的依赖——而这正是推高电价的主要原因。”Modi 说。
“我们还没有充分意识到，高层建筑未来可以通过自发电和储能，成为缓解电网压力的参与者和峰值电力的供给方。几乎我办公室窗外能看到的每一栋楼，都可以在它的墙面上发电。”
对 Nayar 来说，这项技术指向了一个重要趋势：未来的城市将能生产更多自身所需的能源。
“以现在太阳能板的价格来看，世界上几乎任何表面都有潜力变成能源采集器。”他说，“真正的问题是：哪些表面值得我们投入？”
目前，Klotz 和 Nayar 已经为这项新技术提交了专利申请。
