基于光伏发电对光伏路面现况与发展前景的研究

李晓桥，陈 晨，孙远义，冯晓新

（西南科技大学城市学院建筑工程学院，四川 绵阳 621000）

在节能减排的大背景下，光伏发电成为未来发展产业的必然趋势。光伏产品产量逐年增加，据我国光伏行业协会统计数据显示，2016 年以来，我国光伏主要产品（硅片、电池片、光伏组件）出口总额持续回升。2019 年，全国光伏产品出口额为207.8 亿美元，再次突破200 亿美元。利用光伏发电技术特性组建光伏路面。光伏路面是一种跨界技术，涉及道路工程、光电新能源、智能汽车等领域。它不仅可进行太阳能光伏发电，满足电动汽车的需求， 还兼具智能化，迎合未来“智慧交通”的发展。光伏路面利用现有的道路结构，不占用额外土地、无污染排放，对于节能减排、绿色发展、改善能源利用具有深远意义。光伏路面的发电利用的是清洁、高效的可再生能源——太阳能，它不仅节能、对环境无污染，其安装简便，无需电线且经济性良好，一次性投资终生受益。此为光伏路面的优势所在，将光伏发电优势得到进一步利用及释放。通过结合光伏发电技术特性分析，建立光伏路面模型，进行光能转电、光能储电，做到绿色能源最大化[1]。

1.光伏材料行业发展趋势分析

光伏发电是一种利用半导体材料所产生的光伏效应进行发电，以太阳光辐射为能量来源，将其转换为电能的新型发电系统。根据不同半导体材料的不同，主要将材料分为晶体硅太阳能发电、聚光太阳能发电和薄膜太阳能发电[2]。在单晶电池片方面，2019 年，全球电池片头部企业的优势尤为明显，产能、技术以及成本等方面都得到了相对控制。据 PV Infolink 的数据显示，全球电池片前十企业产量合计达到73.35GW.新一代的晶硅工艺技术的研究，无疑将晶硅材料利用最大化，将其渗入至能源发展、交通运输等多个领域[3]。

2.光伏发电在新能源汽车领域的应用

2017 年12 月28 日，世界首条高速公路光伏路面试验段在山东济南正式通车，试验段全长1120 米，成为我国首个与新能源汽车相结合的“充电宝”式光伏道路。此道路的建设，就是为了解决新能源汽车里程式充电技术。新能源汽车在一次饱和充电（大约 10 小时左右）后，仅能行驶 100-200 公里。我国充电桩的数量稀缺致使新能源汽车充电成为一大难题。技术的突破，让我们看到了光伏发电技术在新能源汽车充电上的作用与发展前景。随着我国对新能源汽车研发的大力支持，越来越多的企业深入地研究新能源汽车的电力里程问题。汽车的电力里程最主要是受到电池的影响，新能源汽车的电控、电机、自身质量及风阻等因素对电力里程也存在影响[4]。

3.光伏路面

3.1 光伏路面光电转换原理

光伏路面太阳能光伏发电路面是采用太阳能光伏发电层替代传统的沥青或水泥混凝土面层，或者将太阳能光伏发电层直接铺设于现有的沥青或水泥混凝土路面表面[5]，作为面层的一种全新的多功能路面，这与传统的沥青和水泥混凝土路面有着本质的不同，其面层不仅需要满足高速安全行车的交通功能要求，而且还需要具有高效利用太阳能发电的绿色交通和智慧交通的功能。

3.2 光伏路面设计

光伏路面是一项极具挑战性且发展前景极强的道路交通技术，利用光电能量信息交互，将光伏发电工程与道路工程相结合，实现路面承载与发电的功能融合，进而以此为平台实现车路之间能量与信息的交互。为保证光伏发电工程正常且高效率地进行， 将光伏路面铺置于宽 3.00 米的高速公路应急车道中，充分考虑路面结构（发电层、保护层、绝缘层）[6]。

图1 光伏发电板单元结构图

一是透光抗滑保护层——透光混凝土。2001 年，匈牙利建筑阿隆·罗索尼奇将混凝土与光学纤维结合在一起，通过研究透光材料贯穿混凝土进行光线传导，进而研制出了一种半透明的混凝土材料——一种全新的透光性材料[7]。透光混凝土是将定量的光导纤维等导光材料在一定排列组合下植入混凝土基体中，使得光学纤维等导光材料能够传导光线并在人眼背光处对光线进行接收，这就是透光混凝土完整的制作过程。此类透光混凝土是以光学纤维作为导光材料，但其制作过程繁琐及与混凝土黏结性能较差，所以在光伏路面的应用中。本文主要利用先植法对透光混凝土进行运用，通过以混凝土为骨架、以光导纤维为主体材料，共同组成高速公路光伏路面应急车道[8]。表面的打磨让路面变得较普通路面更为粗糙，且不易发生反光现象。使行驶中的车辆与路面表层产生更大的摩擦力，有效防止车辆在恶劣行驶情况下突发打滑、紧急制动侧翻等突发情况。同时，还拥有优异的抗压能力，能够承载各类重量级车辆行驶通过时所产生的动力荷载。为驾驶员提供了较为舒适、安全的驾驶环境，大大降低我国高速路事故发生率。

二是光伏发电控制层——光伏玻璃。光伏发电层位于透光抗滑保护层之下，以确保光伏发电结构不受车辆动力荷载的破坏，保证路面发电工作持续进行。它主要结构包括：光伏发电板、控制器、蓄电池及各种辅助材料。太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是光伏发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中最重要的部分。透过透光混凝土在阳光下的作业，利用光电效应原理将太阳能转化为电能，在电路的传送下通过蓄电池控制器作用传送至蓄电池、附近基站进行储电，或是推动负载工作，这就是光伏发电板的发电结构[9]。

三是隔水连接层——绝缘层。利用有钢化玻璃、混凝土板、聚合物板等复合材料将水和发电层进行隔离，防止电流外露，并将发电层所产生的电能集中收集并且分配。综上，光伏电池板对太阳光的转换率较高，且反射率低。在极具破坏性的恶劣天气影响下具有极高的机械度，保持结构稳定，不发生变形。目前，在光伏电池板的市场中，其主要组成材料：超白压延玻璃在市场份额占约 80%左右，是光伏电路的最佳应用材料之一[10]。

4.光伏发电用电应用

4.1 能量交互

光伏路面在发电过程中存在能量转化，是由太阳能转化为电能。其能量转换利用基本装置——太阳能电池，通过光电效应将太阳辐射能直接转换成电能。光电之间的转换，让我们充分利用自然资源获取有益于我们的能量。于北方地区而言，正是此能量发挥作用的时刻。北方地区，冬季时节常常冰雪覆地，车辆在路面行驶中极易发生轮胎打滑、侧翻等交通事故。利用光伏路面的原理，吸收光能、转化为电能的瞬间，并不能达到百分之百的光电转换，只能以百分之八十五的效率进行转换。此外百分之十五的能量则转化为热能存在于路面结构间。融化路面表层冰雪、保护内部结构不被极低温度的侵蚀。光伏路面三种能量的互换无疑将能量最大化利用，且保护了路面结构、保护了车辆行驶安全。

4.2 信息交互

在互联网的时代，信息交互无处不在。不论是人与人之间的信息交互还是动物与动物的信息交互，都在两个本体之间进行着。在光伏能量转换中，也同样存在着这样的信息交互。信息交互是指发出和接收信息的过程。由光、太阳能光伏路面发电和路面存在着这一关系。信息源的传递，电、热接受者进行接收和交流，在转递中保持平衡。同时，光伏路面依靠与互联网之间建立信息交互，通过光伏路面定位系统能准确获得定位、通过互联网能及时反馈道路行驶车辆行驶情况、车流数据。实现信息透明化，在转递中相互制衡、在网络上无线传递。

5.结语

随着政府接连出台多项相关配套政策，光伏行业逐渐兴起，新能源汽车的普及，使得绿色能源得到最大化利用，大大降低了汽车尾气对我国环境的污染。光伏技术逐渐走向成熟化，紧跟未来光伏产业的进一步良性、持续发展，并逐步向产业化、规模化发展。光伏产品技术水平的不断提高、成本的不断下降将愈发成为企业的追求之一。但技术的进步仍是我国未来光伏产业发展的主要目标。巩固、发展光伏技术在我国发电行业的领先，以优质的光伏技术打开新能源发展的大门，迎接新一轮全新的复兴与发展。