太陽能公路是一種新型公路，在承擔(dān)交通功能的同時(shí)可為當(dāng)?shù)靥峁╇娏?，從而?jié)省能源。

近日，交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院(簡稱部公路院)在湖南長沙組織召開太陽能發(fā)電路面技術(shù)交流會(huì)，針對清潔能源公路現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢、太陽能發(fā)電路面在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)問題、未來發(fā)展趨勢等進(jìn)行了交流。特邀部公路院高級(jí)工程師蔣海峰、楊勇、劉志強(qiáng)就太陽能公路的特點(diǎn)、現(xiàn)狀、發(fā)展方向進(jìn)行介紹。



特點(diǎn)——能行車 能發(fā)電 能除冰

近年來，國內(nèi)外對太陽能公路技術(shù)的應(yīng)用研究主要集中在太陽能發(fā)電路面技術(shù)和架空式太陽能光伏公路。

太陽能發(fā)電路面是將太陽能吸能板鋪設(shè)在現(xiàn)有瀝青混凝土路面或水泥混凝土路面上，利用路面空間產(chǎn)生能源的一種新型路面結(jié)構(gòu)形式。太陽能路面結(jié)構(gòu)不僅具有公路行車功能，還具備實(shí)時(shí)為電動(dòng)汽車無線充電、公路表面自動(dòng)加熱除冰等功能，同時(shí)還可利用電池板上的LED燈提供交通信號(hào)和交通標(biāo)線等交通管理信息。

太陽能發(fā)電路面由三層組成：最上層為半透明的保護(hù)層，用來保護(hù)內(nèi)部元件，同時(shí)讓太陽光透過;中間層為太陽能電池，用來產(chǎn)生電力;最下層用來隔絕土壤濕氣，避免其影響電池內(nèi)部線路。

太陽能發(fā)電路面設(shè)想在2006年由美國的一對科學(xué)家夫婦提出并開始研究，加拿大、法國等國也相繼展開研究。2014年，荷蘭建成世界首條太陽能電池板道路;2016年，法國建成世界首條太陽能發(fā)電公路。我國湖南長沙理工大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)從結(jié)構(gòu)力學(xué)、光伏發(fā)電材料和路面功能設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了初步研究，并派成員參與了加拿大太陽能發(fā)電路面的相關(guān)研究和示范實(shí)施工作。

架空式太陽能光伏公路充分利用公路路面上層立體空間，在公路行車路面的上方建設(shè)適當(dāng)高度的太陽能光伏發(fā)電廊道，在產(chǎn)生電能的同時(shí)集公路線形誘導(dǎo)、輔助照明、智能監(jiān)控等功能于一體，是新型的公路交通基礎(chǔ)設(shè)施。

截至2015年，世界最大單體太陽能光伏建筑一體化電站是位于江蘇南京江寧的光伏停車棚。該光伏停車棚年均發(fā)電量1120萬千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約1.1萬噸，減排二氧化碳等有害氣體2.9萬噸。

目前，架空式太陽能光伏公路已經(jīng)具備良好的研究與應(yīng)用基礎(chǔ)，造價(jià)在可接受范圍內(nèi)。對于架空式太陽能光伏公路，現(xiàn)階段的研究方向主要集中在光伏發(fā)電廊道支撐結(jié)構(gòu)、發(fā)電集電新工藝、設(shè)計(jì)設(shè)置方法和智慧化公路服務(wù)應(yīng)用擴(kuò)展方面。



現(xiàn)狀——技術(shù)和性價(jià)比需提高

太陽能發(fā)電路面代表了未來道路技術(shù)的發(fā)展方向。然而，目前該種路面造價(jià)高，對表層透光層的承載能力、耐久性、行車抗滑性以及透光性等方面均有很高的技術(shù)要求。

目前，太陽能發(fā)電路面技術(shù)在國內(nèi)外大都處于試驗(yàn)室研發(fā)階段，尚存在大量關(guān)鍵核心技術(shù)問題急需攻關(guān)。舉例來說，太陽能發(fā)電路面換能材料不僅需要具有高效率的發(fā)電性能，更要有較好的路用性能，以確保路面的耐久性和行車安全。當(dāng)前太陽能發(fā)電路面材料的發(fā)電性能和路用性能仍存在矛盾，需要研究解決。

從經(jīng)濟(jì)效益說，太陽能發(fā)電路面材料價(jià)格較高，初期投入成本大。另外，其能量收集效能和轉(zhuǎn)換效率目前還不高，尚需在材料選擇、系統(tǒng)構(gòu)型、電路設(shè)計(jì)等方面加強(qiáng)研究，以提高其總體經(jīng)濟(jì)效益，為推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

架空式太陽能光伏公路的核心技術(shù)是光伏發(fā)電，相對成熟，國內(nèi)外均有大范圍使用光伏發(fā)電的工程。但是，在公路行車路面上方安裝光伏發(fā)電廊道，需要采用大量復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)以保證公路系統(tǒng)健康安全運(yùn)行，目前還沒有應(yīng)用案例。同時(shí)，架空式太陽能光伏公路的運(yùn)營、維護(hù)和管理對公路現(xiàn)有的養(yǎng)護(hù)維修模式和成本有較大影響。因此，將光伏發(fā)電廊道作為公路基礎(chǔ)設(shè)施布設(shè)于公路路面上方，其適用性、可行性以及性價(jià)比等還需要進(jìn)行研究論證。

方向——攻克技術(shù)難題開展示范應(yīng)用

太陽能發(fā)電路面與架空式太陽能光伏發(fā)電廊道是公路發(fā)展中具有里程碑意義的革命性創(chuàng)新技術(shù)，是綠色能源與道路交通技術(shù)交叉發(fā)展的前沿方向。下一步，應(yīng)繼續(xù)密切關(guān)注國內(nèi)外太陽能發(fā)電路面與架空式太陽能光伏公路的研究進(jìn)展和應(yīng)用情況，多方爭取科技資源，組織團(tuán)隊(duì)開展深入專題研究，提高相關(guān)技術(shù)成熟度，使我國太陽能發(fā)電路面與架空式太陽能光伏公路技術(shù)躋身世界先進(jìn)行列。

今后，我國應(yīng)分階段做好太陽能發(fā)電路面與架空式太陽能光伏公路的研究、建設(shè)。

近期，應(yīng)系統(tǒng)總結(jié)研究太陽能公路在國內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理我國需攻克的關(guān)鍵技術(shù)問題。

中期，應(yīng)重點(diǎn)研發(fā)太陽能發(fā)電路面新材料、新工藝，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、路面設(shè)計(jì)及施工;解決光伏發(fā)電廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和支撐結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)難題，形成太陽能公路建設(shè)成套技術(shù)、產(chǎn)品、施工工藝和裝備等。

遠(yuǎn)期，應(yīng)開展示范應(yīng)用，解決太陽能公路運(yùn)行監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)管理、安全保障等技術(shù)難題，并研究基于太陽能公路的交通出行智慧服務(wù)技術(shù)體系，如電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)、路面融冰融雪技術(shù)、太陽能主動(dòng)發(fā)光標(biāo)志標(biāo)線等，形成太陽能公路交通安全保障和運(yùn)行服務(wù)技術(shù)體系。

美國：最先提出太陽能發(fā)電路面設(shè)想

用太陽能板代替?zhèn)鹘y(tǒng)瀝青來建造太陽能公路的設(shè)想，最早由美國的一對科學(xué)家夫婦在2006年提出。2009年，在美國聯(lián)邦公路局的資金支持下，他們研制出由相互咬合的六邊形鋼化玻璃面板組成的太陽能路面材料。玻璃面板中嵌有光伏電池板，能利用太陽能發(fā)電。

2016年6月，美國密蘇里州交通運(yùn)輸部門發(fā)布計(jì)劃，將在66號(hào)公路鋪設(shè)一段可以利用太陽能發(fā)電的測試路面。鋪設(shè)這條公路的每塊地磚都內(nèi)置了太陽能電池、LED照明、加熱元件和強(qiáng)度足夠支撐一輛卡車重量的鋼化玻璃。這些特制的地磚除了能為電網(wǎng)補(bǔ)充電力，還能在雨雪天氣時(shí)通過內(nèi)置加熱裝置快速蒸發(fā)路面雨雪。

荷蘭：建成世界首條太陽能發(fā)電道路

2014年，荷蘭北部城市克羅曼尼建成了世界首條太陽能電池板自行車道，總長度約70米。該道路在水泥板里嵌入了晶體硅太陽能電池板，可將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，并輸送給電網(wǎng)，為路燈、交通信號(hào)燈和附近民宅供電。該路面表層是可起到保護(hù)作用的玻璃，可承受12噸重的消防車。

荷蘭工程師們稱，這條太陽能電池板道路每平方米每年可發(fā)電70千瓦時(shí)，整條道路的年發(fā)電量可滿足一戶家庭的全年用電。

日本：建成5000平方米光伏發(fā)電棚

2016年，日本完成了車棚型百萬光伏電站的建設(shè)。整個(gè)光伏發(fā)電棚面積約5000平方米，輸出功率約為1.1兆瓦。

該光伏發(fā)電棚以相對較少的基礎(chǔ)支撐較多數(shù)量的電池板，而且以大面積陣列承受風(fēng)力，因此基礎(chǔ)工程規(guī)模較大，現(xiàn)場打混凝土基礎(chǔ)較費(fèi)時(shí)間。鑒于此，日本采取了在工廠里用模板打好混凝土，制作預(yù)制基礎(chǔ)，然后運(yùn)到發(fā)電站的方法。

光伏發(fā)電棚使得夏季車內(nèi)溫度不易升高，冬季下雪時(shí)路面不會(huì)積雪。