基于光伏發(fā)電對光伏路面現(xiàn)況與發(fā)展前景的研究

李曉橋，陳 晨，孫遠(yuǎn)義，馮曉新

（西南科技大學(xué)城市學(xué)院建筑工程學(xué)院，四川 綿陽 621000）

在節(jié)能減排的大背景下，光伏發(fā)電成為未來發(fā)展產(chǎn)業(yè)的必然趨勢。光伏產(chǎn)品產(chǎn)量逐年增加，據(jù)我國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016 年以來，我國光伏主要產(chǎn)品（硅片、電池片、光伏組件）出口總額持續(xù)回升。2019 年，全國光伏產(chǎn)品出口額為207.8 億美元，再次突破200 億美元。利用光伏發(fā)電技術(shù)特性組建光伏路面。光伏路面是一種跨界技術(shù)，涉及道路工程、光電新能源、智能汽車等領(lǐng)域。它不僅可進(jìn)行太陽能光伏發(fā)電，滿足電動(dòng)汽車的需求， 還兼具智能化，迎合未來“智慧交通”的發(fā)展。光伏路面利用現(xiàn)有的道路結(jié)構(gòu)，不占用額外土地、無污染排放，對于節(jié)能減排、綠色發(fā)展、改善能源利用具有深遠(yuǎn)意義。光伏路面的發(fā)電利用的是清潔、高效的可再生能源——太陽能，它不僅節(jié)能、對環(huán)境無污染，其安裝簡便，無需電線且經(jīng)濟(jì)性良好，一次性投資終生受益。此為光伏路面的優(yōu)勢所在，將光伏發(fā)電優(yōu)勢得到進(jìn)一步利用及釋放。通過結(jié)合光伏發(fā)電技術(shù)特性分析，建立光伏路面模型，進(jìn)行光能轉(zhuǎn)電、光能儲(chǔ)電，做到綠色能源最大化[1]。

1.光伏材料行業(yè)發(fā)展趨勢分析

光伏發(fā)電是一種利用半導(dǎo)體材料所產(chǎn)生的光伏效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，以太陽光輻射為能量來源，將其轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)不同半導(dǎo)體材料的不同，主要將材料分為晶體硅太陽能發(fā)電、聚光太陽能發(fā)電和薄膜太陽能發(fā)電[2]。在單晶電池片方面，2019 年，全球電池片頭部企業(yè)的優(yōu)勢尤為明顯，產(chǎn)能、技術(shù)以及成本等方面都得到了相對控制。據(jù) PV Infolink 的數(shù)據(jù)顯示，全球電池片前十企業(yè)產(chǎn)量合計(jì)達(dá)到73.35GW.新一代的晶硅工藝技術(shù)的研究，無疑將晶硅材料利用最大化，將其滲入至能源發(fā)展、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域[3]。

2.光伏發(fā)電在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

2017 年12 月28 日，世界首條高速公路光伏路面試驗(yàn)段在山東濟(jì)南正式通車，試驗(yàn)段全長1120 米，成為我國首個(gè)與新能源汽車相結(jié)合的“充電寶”式光伏道路。此道路的建設(shè)，就是為了解決新能源汽車?yán)锍淌匠潆娂夹g(shù)。新能源汽車在一次飽和充電（大約 10 小時(shí)左右）后，僅能行駛 100-200 公里。我國充電樁的數(shù)量稀缺致使新能源汽車充電成為一大難題。技術(shù)的突破，讓我們看到了光伏發(fā)電技術(shù)在新能源汽車充電上的作用與發(fā)展前景。隨著我國對新能源汽車研發(fā)的大力支持，越來越多的企業(yè)深入地研究新能源汽車的電力里程問題。汽車的電力里程最主要是受到電池的影響，新能源汽車的電控、電機(jī)、自身質(zhì)量及風(fēng)阻等因素對電力里程也存在影響[4]。

3.光伏路面

3.1 光伏路面光電轉(zhuǎn)換原理

光伏路面太陽能光伏發(fā)電路面是采用太陽能光伏發(fā)電層替代傳統(tǒng)的瀝青或水泥混凝土面層，或者將太陽能光伏發(fā)電層直接鋪設(shè)于現(xiàn)有的瀝青或水泥混凝土路面表面[5]，作為面層的一種全新的多功能路面，這與傳統(tǒng)的瀝青和水泥混凝土路面有著本質(zhì)的不同，其面層不僅需要滿足高速安全行車的交通功能要求，而且還需要具有高效利用太陽能發(fā)電的綠色交通和智慧交通的功能。

3.2 光伏路面設(shè)計(jì)

光伏路面是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性且發(fā)展前景極強(qiáng)的道路交通技術(shù)，利用光電能量信息交互，將光伏發(fā)電工程與道路工程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)路面承載與發(fā)電的功能融合，進(jìn)而以此為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車路之間能量與信息的交互。為保證光伏發(fā)電工程正常且高效率地進(jìn)行， 將光伏路面鋪置于寬 3.00 米的高速公路應(yīng)急車道中，充分考慮路面結(jié)構(gòu)（發(fā)電層、保護(hù)層、絕緣層）[6]。

圖1 光伏發(fā)電板單元結(jié)構(gòu)圖

一是透光抗滑保護(hù)層——透光混凝土。2001 年，匈牙利建筑阿隆·羅索尼奇將混凝土與光學(xué)纖維結(jié)合在一起，通過研究透光材料貫穿混凝土進(jìn)行光線傳導(dǎo)，進(jìn)而研制出了一種半透明的混凝土材料——一種全新的透光性材料[7]。透光混凝土是將定量的光導(dǎo)纖維等導(dǎo)光材料在一定排列組合下植入混凝土基體中，使得光學(xué)纖維等導(dǎo)光材料能夠傳導(dǎo)光線并在人眼背光處對光線進(jìn)行接收，這就是透光混凝土完整的制作過程。此類透光混凝土是以光學(xué)纖維作為導(dǎo)光材料，但其制作過程繁瑣及與混凝土黏結(jié)性能較差，所以在光伏路面的應(yīng)用中。本文主要利用先植法對透光混凝土進(jìn)行運(yùn)用，通過以混凝土為骨架、以光導(dǎo)纖維為主體材料，共同組成高速公路光伏路面應(yīng)急車道[8]。表面的打磨讓路面變得較普通路面更為粗糙，且不易發(fā)生反光現(xiàn)象。使行駛中的車輛與路面表層產(chǎn)生更大的摩擦力，有效防止車輛在惡劣行駛情況下突發(fā)打滑、緊急制動(dòng)側(cè)翻等突發(fā)情況。同時(shí)，還擁有優(yōu)異的抗壓能力，能夠承載各類重量級(jí)車輛行駛通過時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力荷載。為駕駛員提供了較為舒適、安全的駕駛環(huán)境，大大降低我國高速路事故發(fā)生率。

二是光伏發(fā)電控制層——光伏玻璃。光伏發(fā)電層位于透光抗滑保護(hù)層之下，以確保光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)不受車輛動(dòng)力荷載的破壞，保證路面發(fā)電工作持續(xù)進(jìn)行。它主要結(jié)構(gòu)包括：光伏發(fā)電板、控制器、蓄電池及各種輔助材料。太陽能電池組件（也叫太陽能電池板）是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。透過透光混凝土在陽光下的作業(yè)，利用光電效應(yīng)原理將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在電路的傳送下通過蓄電池控制器作用傳送至蓄電池、附近基站進(jìn)行儲(chǔ)電，或是推動(dòng)負(fù)載工作，這就是光伏發(fā)電板的發(fā)電結(jié)構(gòu)[9]。

三是隔水連接層——絕緣層。利用有鋼化玻璃、混凝土板、聚合物板等復(fù)合材料將水和發(fā)電層進(jìn)行隔離，防止電流外露，并將發(fā)電層所產(chǎn)生的電能集中收集并且分配。綜上，光伏電池板對太陽光的轉(zhuǎn)換率較高，且反射率低。在極具破壞性的惡劣天氣影響下具有極高的機(jī)械度，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不發(fā)生變形。目前，在光伏電池板的市場中，其主要組成材料：超白壓延玻璃在市場份額占約 80%左右，是光伏電路的最佳應(yīng)用材料之一[10]。

4.光伏發(fā)電用電應(yīng)用

4.1 能量交互

光伏路面在發(fā)電過程中存在能量轉(zhuǎn)化，是由太陽能轉(zhuǎn)化為電能。其能量轉(zhuǎn)換利用基本裝置——太陽能電池，通過光電效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能。光電之間的轉(zhuǎn)換，讓我們充分利用自然資源獲取有益于我們的能量。于北方地區(qū)而言，正是此能量發(fā)揮作用的時(shí)刻。北方地區(qū)，冬季時(shí)節(jié)常常冰雪覆地，車輛在路面行駛中極易發(fā)生輪胎打滑、側(cè)翻等交通事故。利用光伏路面的原理，吸收光能、轉(zhuǎn)化為電能的瞬間，并不能達(dá)到百分之百的光電轉(zhuǎn)換，只能以百分之八十五的效率進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外百分之十五的能量則轉(zhuǎn)化為熱能存在于路面結(jié)構(gòu)間。融化路面表層冰雪、保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被極低溫度的侵蝕。光伏路面三種能量的互換無疑將能量最大化利用，且保護(hù)了路面結(jié)構(gòu)、保護(hù)了車輛行駛安全。

4.2 信息交互

在互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，信息交互無處不在。不論是人與人之間的信息交互還是動(dòng)物與動(dòng)物的信息交互，都在兩個(gè)本體之間進(jìn)行著。在光伏能量轉(zhuǎn)換中，也同樣存在著這樣的信息交互。信息交互是指發(fā)出和接收信息的過程。由光、太陽能光伏路面發(fā)電和路面存在著這一關(guān)系。信息源的傳遞，電、熱接受者進(jìn)行接收和交流，在轉(zhuǎn)遞中保持平衡。同時(shí)，光伏路面依靠與互聯(lián)網(wǎng)之間建立信息交互，通過光伏路面定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲得定位、通過互聯(lián)網(wǎng)能及時(shí)反饋道路行駛車輛行駛情況、車流數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)信息透明化，在轉(zhuǎn)遞中相互制衡、在網(wǎng)絡(luò)上無線傳遞。

5.結(jié)語

隨著政府接連出臺(tái)多項(xiàng)相關(guān)配套政策，光伏行業(yè)逐漸興起，新能源汽車的普及，使得綠色能源得到最大化利用，大大降低了汽車尾氣對我國環(huán)境的污染。光伏技術(shù)逐漸走向成熟化，緊跟未來光伏產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步良性、持續(xù)發(fā)展，并逐步向產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。光伏產(chǎn)品技術(shù)水平的不斷提高、成本的不斷下降將愈發(fā)成為企業(yè)的追求之一。但技術(shù)的進(jìn)步仍是我國未來光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)。鞏固、發(fā)展光伏技術(shù)在我國發(fā)電行業(yè)的領(lǐng)先，以優(yōu)質(zhì)的光伏技術(shù)打開新能源發(fā)展的大門，迎接新一輪全新的復(fù)興與發(fā)展。