拉萨市城市光伏充电道路的研究

李瑞杰　陈鑫鑫　王辛岩

摘要：为节约城市土地资源，保护高原生态环境，减少电动汽车充电时间，可以在拉萨市内选取有条件的城市道路，使用特殊光学材料及充电轨道铺设城市道路，从而实现拉萨市城市光伏充电车道的建设。

Abstract： In order to save urban land resources， protect the plateau ecological environment， and reduce the charging time of electric vehicles， it can select conditional urban roads in Lhasa and use special optical materials and charging tracks to lay urban roads to realize the construction of urban photovoltaic charging lanes in Lhasa.

关键词：城市道路;光伏车道;充电车道;高原环境

Key words： urban road;photovoltaic lane;charging lane;plateau environment

中图分类号：TM615                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）33-0146-02

0  引言

拉萨市光伏充电道路是一种以电能为核心的新型城市道路。根据统计分析，我国产业能消耗约占总能消耗的60%，交通能消耗约占20%，建设能消耗约占20%，根据未来发展趋势来看，能源供应的主要思路是加大供给、保障需求。住建部科技与产业化发展中心副研究员梁浩曾在《城市绿色发展需要综合能源规划》中提出：“每一栋楼宇既是能源消费者，同时也是能源生产者，并最终形成智慧能源微网模式。”而在能源匮乏今天，拉萨市城市光伏充电道路的研究，能有效的利用拉萨市的光能，并且解决了电动车辆续航时间短的问题，提高城市道路利用率的同时推进了生态文明时代的绿色城市建设。

1  问题的提出

1.1 光伏车道

近年来，国内外对太阳能公路技术的研究主要集中在太阳能路面发电技术以及架空式太阳能光伏公路两项，其主要架构在高速公路上。而在城市当中，并没有相关光伏车道的研究。

在2017年的12月28日，中国首条承载式光伏高速公路试验段在济南开始建成通车，这一“黑科技”首次在现实中露面。“光伏公路”应用的核心技术被称为“承载式光伏路面技术”，由上海同济大学交通运输工程学院张宏超教授团队研发，其核心是解决太阳能光伏组件路面承载问题，也就是使路面不仅有很好的透光性，保障光电转化效率保持在较高水平，而且摩擦系数还必须符合道路交通安全性的要求，并经得起各种车辆长期碾压磨损。

1.2 充电车道

据国外媒体报道，瑞典修建了一条长约2公里的充电公路，纯电动车可在这条公路上边行驶边充电，以解决纯电动车续航里程有限以及等待充电时间长的问题。有了这样的道路，汽车制造商就可以在纯电动车上安装更小的电池，并解决了纯电动车的续航难题、缩短了充电的时间成本。但该充电公路电力主要来源仍然依靠的是城市原电力系统。

2  拉萨市城市光伏充电道路研究背景

2.1 全国太阳能能量分布情况

我国领土辽阔广大，总面积约960万平方千米，地理位置主要处于温带和亚热带，太阳能资源比较富足。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。相对于世界其他国家，较适合发展太阳能资源相关的设备。

我国太阳能各地区具体资源情况及分类如表1所示。

我国太阳能资源十分丰富，而地处青藏高原，海拔3650米的拉萨市相对于全国其他城市有着得天独厚的地理环境优势，拉萨市年日照时数在3000小时以上，有“日光城”的美称，在此处进行城市光伏车道的研究有利于太阳能的充分利用。

2.2 拉萨市特殊城市环境

拉萨市地处西藏自治区东南部，喜马拉雅山脉的北侧，雅鲁藏布江支流拉萨河北岸，地理坐标为东经91°06′，北纬29°36′，受下沉气流的影响，全年多晴朗天气，降雨稀少，冬无严寒，夏无酷暑，属于高原温带半干旱季风气候。但是，由于其特殊地理环境，导致拉萨市太阳辐射强，空气稀薄，气温偏低，昼夜温差较大，冬春寒冷干燥且多风，进而对拉萨市产生了以下影响。

2.2.1 道路绿化现状

拉萨市位于3650m海拔的河谷冲击平原上，其主要的土壤成分为高原草甸土、亚高山草原土和潮土三类，土壤养分含量低，不利于植物生长，导致拉萨市整体道路绿化的高度、密度和城市覆盖率相对于全国大部分城市，处于较低水平。

2.2.2 路面风化严重

由于拉萨市城市道路绿化覆盖率低，昼夜温差大，日照辐射强，气候干燥，城市道路路面常年暴露在高温、强太阳辐射的条件下，再加上高原冻土对路基的影响，一旦路面产生细小裂缝，雨水渗入聚集，进入夜间低温环境，水冻结为冰，体积膨胀，裂缝加剧，如此恶性循环，导致拉萨市城市道路风化破损严重，市政部门急需寻找新型路面材料来解决该问题。

2.2.3 城市电力供应问题

拉萨市部分城区电力供应线路较长，易受到极端天气影响，如：大风、暴雪、闪电。寻找到安全、稳定、高效、环保的发电及供应方式，正逐步成为拉萨市城市发展与建设的重要保障。

2.3 我国新能源汽车发展概况

我国经济在进入21世纪以后获得了快速发展，汽车需求量升高的同时，我国石油需求量也在增长，导致我国石油价格提升。加上人民群众环保意识的提高，以及国家相应政策的发布，推动了我国电动汽车的需求量。

在高海拔特殊气候环境下，许多汽车由于空气中氧气含量低，燃油并不能得到充分燃烧分解就直接排放，汽车尾气碳、硫排放量增加。普通汽车油耗增加的同时，带来了环境污染问题。新能源汽车正逐步成为拉萨市有关部门和人民群众的迫切需求。

令人尴尬的是，新能源汽车发展的优势之一“新能源”，恰恰成为其发展的一块绊脚石。电动汽车数量的增长提高了电动汽车相应充电辅助设备的需求量，而中国新能源汽车刚进入起步阶段，充电时间长、充电桩数量少、新能源汽车电力续航时间短仍是让许多新能源汽车车主头疼的问题。

3  拉萨市城市光伏充电道路理论模型设计

将光伏发电车道与新能源汽车充电车道有机结合在一起，是我们提出的一种理论构想。该构想以拉萨市为主要研究城市，使每一条道路既是能源消费者，同时也是能源生产者，构筑拉萨市特有的高海拔城市能源体系，并最终形成智慧城市能源微网运行模式。

3.1 模型基本构型

3.1.1 光伏道路

光伏道路的设计为便于运营的模块化设计，将承重型半导体太阳能电池列阵并联组合，形成小单元模块，再将这些小单元模块按照车道面积进行排列组合，形成单一车道模块;或将小单元模块按照道路交叉口路面面积进行排列组合，形成交叉路口模块。

单一车道模块主要分布在单一的车道上。由于拉萨市地处北半球，在东西向城市道路中，位于道路南侧的绿化带和城市建筑会在上午和下午特定时间段遮挡部分南侧城市道路采光面积，如果在此处铺设单一车道模块，降低太阳能电池利用率的同时，间接提高了单一车道模块的铺设和运营成本。所以当我们选择东西向城市道路铺设时，应注意尽可能铺设在道路北侧。而在南北向的城市道路中，仅需避开道路两侧绿化带遮挡阳光区域进行单一车道模块的铺设。

交叉路口模块主要分布在城市道路的各个交叉路口上。城市交叉路口多为道路开阔区域，基本没有绿化带遮挡，但是仍需注意交叉口南侧建筑物对交叉路口模块采光区域的影响。

综上所述，城市道路光伏铺设区域应该因地制宜、合理分布，进而达到最高的能源利用率。

3.1.2 充电车道

充电车道的研究与设计，借鉴了瑞典首都斯德哥尔摩附近的嵌入式电轨充电车道，使用嵌入式电轨充电系统。在城市道路上嵌入充电轨道，电动汽车仅需安装一个可伸缩的充电臂，当电动汽车在充电轨道上方行驶时，充电臂与电轨接触充电，汽车偏离轨道时，充电臂自动断开结束充电。

相对于无轨电磁感应充电系统，嵌入式电轨充电系统地面的电轨和汽车的充电臂成本更低，更易于安装。

城市道路与嵌入式电轨充电系统的结合与分布，应考虑到城市道路等级、电动汽车续航时间等因素，针对不同的城市道路情况设计出符合城市发展的嵌入式电轨充电城市分布系统。

3.1.3 拉萨市城市光伏充电道路模型

综合以上两点，我们设计出针对拉萨市的城市光伏充电道路系统如图1所示。

3.2 模型研究意义

拉萨市城市光伏充电道路模型的研究，符合拉萨市独特的高原气候环境，找到了一种针对拉萨市城市路面暴晒风化严重、城市电力在极端天气情况下供应困难问题的可行解决方法，也满足拉萨市城市道路绿化现状。有效利用了拉萨市最为丰富的太阳能资源，在解决了新能源汽车续航时间短、充电时间长、充电桩数量少等问题的同时，间接提高了新能源汽车产业在拉萨市的发展空间，降低交通污染，保护高原生态环境，符合未来智慧城市的发展趋势。

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