從道路獲取能量捕獲環(huán)境能量并轉換為電能的新技術

／Catherine Bischofberger 中國電器工業(yè)協(xié)會標準化與技術評價中心 甄晗妤（譯） 張亮（校）/

想象一下，利用世界上上百萬公里鋪設的道路來獲取能量。除了安裝和設備所需的初始投資成本外，該能源是免費生產(chǎn)的，并且對環(huán)境沒有不利影響。相應地，它利用陽光或車輛產(chǎn)生的機械振動來產(chǎn)生電能。

Wattaway開發(fā)了可以放置在道路上的光伏組件（圖片：Wattaway）

從道路獲得的能量即捕獲未使用的環(huán)境能量并將其轉化為電能。這種電力可用來為道路基礎設施提供動力，例如路燈和信號。所捕獲的電能可以存儲在電池中，當需要時使用或引入電網(wǎng)。而且，這種技術是利用現(xiàn)有的道路網(wǎng)絡，無需分配新的土地空間。

國際標準在以上解決方案的發(fā)展中至關重要。IEC技術委員會（TC）47負責制定半導體器件的國際標準，包括那些獲得能量的半導體器件。用于存儲電能的電池主要依靠IEC TC 21的標準化工作。IEC TC 8 及其分技術委員會（SC）8A制定電力供應系統(tǒng)的標準，包括再生能源接入電網(wǎng)。最近成立的SyC智慧能源，負責提供智能電網(wǎng)和智慧能源領域系統(tǒng)層級的標準化、協(xié)調(diào)和指導。

收接陽光的道路

目前已經(jīng)研發(fā)了將光伏組件直接放在道路表面來捕獲太陽能的技術。能量可以從世界各地所鋪設的超過1600萬公里并暴露在陽光下的道路上獲得。

然而，在道路上安裝玻璃模塊絕非易事。汽車輪胎必須能夠抓住路面，玻璃面板必須耐用，并且可以承受重物。樹木、建筑物和云層的遮蔽可能減少陽光的照射。盡管存在以上挑戰(zhàn)，一些公司已經(jīng)開發(fā)了可以取代瀝青或直接放置在現(xiàn)有道路表面的光伏模塊。雖然這些解決方案是涉及專利的，但這些技術均依賴于IEC TC 82所制定的國際標準，該技術委員負責太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。

在美國，Solar Roadways公司已經(jīng)開發(fā)了太陽能模塊，包括用于智能通信的微處理器和用于線路和標牌用發(fā)光二極管（LED）燈以及用于加熱融化冰雪的加熱元件。在法國，Wattway太陽能道路公司目前正在全國范圍內(nèi)試用，包括在高速公路收費站入口處為閘門和支付設備供電。在中國，山東省已經(jīng)修建了一條兩公里的道路，以此來為路燈和道路融雪系統(tǒng)供電。然而，由于這些光伏（PV）模塊的高成本和所產(chǎn)生實際電能量的不確定性，以上技術的推行是受到限制的。已經(jīng)提出替代方案：將光伏組件放置在道路旁邊或者非關鍵區(qū)域，如停車場、自行車道和車道。

熱發(fā)電機（TEG）也可以用來從道路獲得能量?；谌惪诵?，TEG可以將地熱能（由于路面和地表層以下產(chǎn)生的地熱差）轉化為電能。隨著溫差的增加，產(chǎn)生更多的電能，所以使此項技術非常適合極端炎熱的地區(qū)。在2017年，IEC TC 47起草了IEC 62830-2系列標準，提供了用于熱電能量收集裝置中的薄膜熱功率評價方法。

好用的振動能量

汽車在道路行駛過程中產(chǎn)生的振動可以產(chǎn)生電能。壓電是當施加機械應力時由某些晶體產(chǎn)生的電荷。壓電技術的標準由IEC TC 49制定，解決了壓電、介電和靜電器件問題。

壓電晶體也可以嵌入在瀝青層下面。當汽車在道路上行駛時，車輪會施加力量使晶體變形并產(chǎn)生電能。然后，這種電能可以用來為路燈供電，也可以存儲在電池中供以后使用。IEC 62830-1 系列標準，由 IEC TC 47起草，包括基于振動的壓電能量收集裝置性能評估方法。

在美國，加里福尼亞州已對將壓電器件嵌入道路捕獲能量的2個獨立驗證項目投資230萬美元。英國蘭開斯特大學也在開展類似的試點項目。但是，仍然存在多方面的挑戰(zhàn)。增加壓電道路效率的因素與道路的耐受性為負相關。交通流量較大、且有重型汽車高速通過的道路將產(chǎn)生較多能量輸出，與之相比，交通流量較小、且多為輕型汽車慢速通過的道路則產(chǎn)生較少的能量輸出。

考慮到相對低的能量轉換效率，目前還不確定安裝和維護道路嵌入壓電技術是否能夠與所產(chǎn)生的電能成本相抵消。其他能量捕獲解決方案，如路邊光伏模塊，可能安裝成本更便宜且發(fā)電量更高。

未來發(fā)展

利用道路捕獲能量的解決方案還仍處在其早期階段，由于許多現(xiàn)階段研究和開發(fā)均由私人企業(yè)開展，公共可用數(shù)據(jù)還非常有限。由于缺乏大規(guī)模生產(chǎn)，成本仍高居不下。這些解決方案還沒能得到牽引。一些附加技術，可以引入如傳感器和微處理器，可以實時監(jiān)督基礎設備和車輛交通情況。這些解決方案均依靠ISO/IEC聯(lián)合技術委員會制定的標準，JTC1 SC25負責微處理器國際標準，IEC TC47負責傳感器國際標準。現(xiàn)在還不清楚，需要實施哪項技術。但追求可再生能源的熱情依然存在。

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