鋁材在智能路燈與道路建設(shè)中的應(yīng)用

袁嫄 王祝堂｜文

智能城市是由很多智能部分組成的，如智能街道、智能馬路、智能交通管控、智能路燈、智能服務(wù)等等。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等智慧化信息技術(shù)的全面高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，智能城市已成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，現(xiàn)在全球多個(gè)城市都爭(zhēng)相建設(shè)智能城市。

鋁及鋁合金由于具有一系列的優(yōu)異性能，可在智能城市中大顯身手，發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

在各種常用金屬中，鋁的密度為2.7克/立方厘米，比鎂的1.74 克/立方厘米大55.2%，卻只有銅（8.96 克/立方厘米），鋼的（7.8 克/立方厘米）的34.6%，因此用鋁材制各種裝備與結(jié)構(gòu)可以取得較好的節(jié)能減重效果，可以相應(yīng)地減少溫室氣體排放，是既環(huán)保又高效的制造智能設(shè)施最佳材料。

鋁有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和反光性能，鋁及鋁合金的傳導(dǎo)性能僅次于銀，它們的電導(dǎo)率相當(dāng)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)退火銅（IACS）的62%～65%，約為銀的50%，如果對(duì)相等的質(zhì)量來(lái)說(shuō)，鋁的導(dǎo)電性能超過(guò)這兩種金屬。

鋁沒(méi)有低溫脆性，有極好的低溫性能，它的抗拉強(qiáng)度Rm 與伸長(zhǎng)率A 均隨著溫度的降低而相應(yīng)地均衡上升，絕大多數(shù)鋼與其他金屬均有低溫脆性，也就是說(shuō)，它們的強(qiáng)度性能隨著溫度的降低而上升，但伸長(zhǎng)率、塑性與成形性能卻反其道而行之。

在城市智能設(shè)施建設(shè)中，鋁材的高抗腐蝕性能也起著很重要的作用，使鋁材成為可選擇的首選。在空氣中，鋁及鋁合金的表面會(huì)迅速形成一層致密堅(jiān)固的氧化鋁薄膜，厚0.005μm-0.015μm，而成為本體鋁的天然保護(hù)層。此外，還可以采用陽(yáng)極氧化法、電泳涂漆法或噴涂法在鋁材和鋁制品表面形成厚實(shí)的色彩斑斕、流光溢彩的色調(diào)，設(shè)計(jì)出美輪美奐的城市設(shè)施。

廢鋁與到期報(bào)廢的鋁結(jié)構(gòu)、鋁設(shè)施有很強(qiáng)的可回收性，比其他任何金屬結(jié)構(gòu)材料的都強(qiáng)，鋁建筑結(jié)構(gòu)與城市設(shè)施的設(shè)計(jì)使用期限一般為30年，到期后可回收97%，廢鋁價(jià)值高，可達(dá)重熔用鋁錠價(jià)格的70%以上，廢鋁重熔的燒損低于3%，所以鋁結(jié)構(gòu)與鋁用品每循環(huán)一次的損失僅約5%，所以1 噸鋁要經(jīng)過(guò)百次循環(huán)，幾千年時(shí)間才消耗殆盡，變成其他物質(zhì)。

提取1 噸原鋁與生產(chǎn)1 噸再生鋁的能耗及溫室氣體排放情況

由表中所列的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，提取1 噸原鋁的能耗為213GJ，而回收與復(fù)化生產(chǎn)1 噸再生鋁的能耗為10.4GJ，后者的能耗與前者能耗之比（10.4/213GJ）為4.88%，還不到5%，溫室氣體的排放率（715/17000kg）而更低，僅為4.21%，鋁是一種名副其實(shí)的綠色金屬。

表1 提取1噸原鋁與生產(chǎn)1噸再生鋁的能耗及溫室氣體排放

表2 7N01合金擠壓材的力學(xué)性能

鋁及鋁合金有良好的加工成形性能與可切削性能，可加工成各種樣的半成品（板、帶、箔、管、棒、線、粉、鍛件）與制造成種種零部件與鑄造出形狀復(fù)雜的鑄件及壓鑄件。

鋁，使路燈大顯神通

2017年，美國(guó)芝加哥、新加坡、日本東京、北京與臺(tái)灣地區(qū)都建成了一些智能路燈或街的某一段、甚至整條街都智能化了。

智能路燈把城市的各種管理功能都集中到一根路燈桿內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一桿多能，集智能照明、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)發(fā)射、視頻監(jiān)控、信息發(fā)布、城市應(yīng)急廣播、PM2.5 智能感應(yīng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電動(dòng)汽車(chē)充電等等于一桿。可收集城市管理所需要的各類(lèi)型數(shù)據(jù)，例如，天氣資料可監(jiān)測(cè)一天內(nèi)的微氣候動(dòng)態(tài)與變化，收集的資料有助于調(diào)控交通信號(hào)燈、疏導(dǎo)人流車(chē)流等，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可提WiFi 熱點(diǎn)及5G 小基站等。

環(huán)保和高效是智能路燈的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，它的光源為L(zhǎng)ED，夜間照明發(fā)出柔暖的白光，并且可以根據(jù)路況（車(chē)流、人流、氣象等）自動(dòng)調(diào)節(jié)光量，做到按需發(fā)光，可比常規(guī)路燈節(jié)能60%以上，而且對(duì)路燈的維護(hù)極為方便、及時(shí)與有效，可以對(duì)每個(gè)單體路燈在電腦上進(jìn)行監(jiān)測(cè)，省去夜間巡檢，工作量大大減少，而且很精準(zhǔn)。

燈桿下方裝有攝像頭，可以監(jiān)控安保與車(chē)輛狀況，收集所在地區(qū)的人、車(chē)流量數(shù)據(jù)，具有大數(shù)據(jù)的采集和運(yùn)算功能。燈桿上的多種感應(yīng)器各司其職，負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、噪聲、空氣品質(zhì)等，區(qū)域的溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、PM2.5 等一一顯示在燈桿旁的電子屏幕上。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的WiFi 熱點(diǎn)或5G 基站則裝于燈桿頂端、電動(dòng)車(chē)充電樁位于燈桿最下部。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)一旦打開(kāi)，行人只要走到燈桿的一定距離內(nèi)，打開(kāi)手機(jī)的WiFi，就能免費(fèi)連接上網(wǎng)。通過(guò)手機(jī)APP 軟件可為電動(dòng)車(chē)預(yù)約充電，既方便又快捷。

筆者設(shè)想的智能燈桿可分為三段，下段為等徑厚壁管，長(zhǎng)度視需要而定，一般不宜超過(guò)3 米，中段為變斷面管材，長(zhǎng)段長(zhǎng)2 米；上段為變斷面管材，長(zhǎng)度視需要而定，但不宜超過(guò)5 米。可用6063、6061、6N01、7N01 合金擠壓生產(chǎn)。6N01 是一種Al-Mg-Si 系的日本合金，它的化學(xué)成分（質(zhì)量%）：Si0.40-0.9，F(xiàn)e0.35，Cu0.35，Mn0.50，Mg0.40-0.8，Cr0.30，Zn0.25，Ni0.01，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，合計(jì)0.15，（Mn+Cr）＜0.5，其余為Al，6N01-T5 合金的典型抗拉強(qiáng)度275N/mm2比6063-T5合金的185N/mm2大48.7%。

7N01 合金也是一種日本合金，它的 成 分（質(zhì) 量%）：Si0.30，F(xiàn)e0.35，Cu0.20，Mn0.20-0.7，Mg1.0-2.0，Cr0.30，Zn4.0-5.0，Ti0.20，V0.10，Zr0.25，其他雜質(zhì)單個(gè)0.05，單個(gè)0.15，其余為Al。材料狀態(tài)有T4、T5、T6，各種狀態(tài)7N01 合金擠壓材的力學(xué)性能如下表所列，比6xxx 系合金的大得多。

下段管材的直徑最大為320mm，需要在其上加工出各種不同形狀與尺寸的孔，以便安裝各種智能設(shè)備與導(dǎo)線。

鋁，可在智能交通建設(shè)中大顯身手

2017年9月，中國(guó)首條光伏公路在山東濟(jì)南面世，這段試驗(yàn)性的光伏路面雖然僅1.12 千米長(zhǎng)，卻向人們展示了未來(lái)智能交通時(shí)代的前景。這段光伏公路是上海同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院設(shè)計(jì)與指導(dǎo)下建設(shè)的，太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)施位于路面之下，可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，路面用特殊材料制成，極為堅(jiān)固，發(fā)電量足夠多，除自用外，還可以向電網(wǎng)輸送。如果在路面下安置電磁感應(yīng)線圈，電動(dòng)車(chē)在上面行駛時(shí)，可以一面疾駛，一面充電，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電，電動(dòng)車(chē)可獲得如影隨形的充電服務(wù)。

2007年10月，在浙江蘭亭太陽(yáng)能材料有限公司、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所和清華大學(xué)智慧城市與智慧交通研究中心等多家單位的支持參與下，在紹興建成了一段可行駛200 噸的大型自卸車(chē)的光伏路段，這是世界上迄今承重最大的太陽(yáng)能試驗(yàn)道路。

光伏公路建設(shè)中可用的鋁材多種多樣，光伏太陽(yáng)能板的邊框和支架可用6063 合金擠壓、型材，路旁的護(hù)欄與圍欄、房屋、指示牌、服務(wù)區(qū)的設(shè)施、燈桿、智能裝置等等，都是鋁材可施展才華的地方。