基于光伏發電對光伏路面現況與發展前景的研究

李曉橋，陳 晨，孫遠義，馮曉新

（西南科技大學城市學院建筑工程學院，四川 綿陽 621000）

在節能減排的大背景下，光伏發電成為未來發展產業的必然趨勢。光伏產品產量逐年增加，據我國光伏行業協會統計數據顯示，2016 年以來，我國光伏主要產品（硅片、電池片、光伏組件）出口總額持續回升。2019 年，全國光伏產品出口額為207.8 億美元，再次突破200 億美元。利用光伏發電技術特性組建光伏路面。光伏路面是一種跨界技術，涉及道路工程、光電新能源、智能汽車等領域。它不僅可進行太陽能光伏發電，滿足電動汽車的需求， 還兼具智能化，迎合未來“智慧交通”的發展。光伏路面利用現有的道路結構，不占用額外土地、無污染排放，對于節能減排、綠色發展、改善能源利用具有深遠意義。光伏路面的發電利用的是清潔、高效的可再生能源——太陽能，它不僅節能、對環境無污染，其安裝簡便，無需電線且經濟性良好，一次性投資終生受益。此為光伏路面的優勢所在，將光伏發電優勢得到進一步利用及釋放。通過結合光伏發電技術特性分析，建立光伏路面模型，進行光能轉電、光能儲電，做到綠色能源最大化[1]。

1.光伏材料行業發展趨勢分析

光伏發電是一種利用半導體材料所產生的光伏效應進行發電，以太陽光輻射為能量來源，將其轉換為電能的新型發電系統。根據不同半導體材料的不同，主要將材料分為晶體硅太陽能發電、聚光太陽能發電和薄膜太陽能發電[2]。在單晶電池片方面，2019 年，全球電池片頭部企業的優勢尤為明顯，產能、技術以及成本等方面都得到了相對控制。據 PV Infolink 的數據顯示，全球電池片前十企業產量合計達到73.35GW.新一代的晶硅工藝技術的研究，無疑將晶硅材料利用最大化，將其滲入至能源發展、交通運輸等多個領域[3]。

2.光伏發電在新能源汽車領域的應用

2017 年12 月28 日，世界首條高速公路光伏路面試驗段在山東濟南正式通車，試驗段全長1120 米，成為我國首個與新能源汽車相結合的“充電寶”式光伏道路。此道路的建設，就是為了解決新能源汽車里程式充電技術。新能源汽車在一次飽和充電（大約 10 小時左右）后，僅能行駛 100-200 公里。我國充電樁的數量稀缺致使新能源汽車充電成為一大難題。技術的突破，讓我們看到了光伏發電技術在新能源汽車充電上的作用與發展前景。隨著我國對新能源汽車研發的大力支持，越來越多的企業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、自身質量及風阻等因素對電力里程也存在影響[4]。

3.光伏路面

3.1 光伏路面光電轉換原理

光伏路面太陽能光伏發電路面是采用太陽能光伏發電層替代傳統的瀝青或水泥混凝土面層，或者將太陽能光伏發電層直接鋪設于現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，這與傳統的瀝青和水泥混凝土路面有著本質的不同，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電的綠色交通和智慧交通的功能。

3.2 光伏路面設計

光伏路面是一項極具挑戰性且發展前景極強的道路交通技術，利用光電能量信息交互，將光伏發電工程與道路工程相結合，實現路面承載與發電的功能融合，進而以此為平臺實現車路之間能量與信息的交互。為保證光伏發電工程正常且高效率地進行， 將光伏路面鋪置于寬 3.00 米的高速公路應急車道中，充分考慮路面結構（發電層、保護層、絕緣層）[6]。

圖1 光伏發電板單元結構圖

一是透光抗滑保護層——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纖維結合在一起，通過研究透光材料貫穿混凝土進行光線傳導，進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纖維等導光材料在一定排列組合下植入混凝土基體中，使得光學纖維等導光材料能夠傳導光線并在人眼背光處對光線進行接收，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纖維作為導光材料，但其制作過程繁瑣及與混凝土黏結性能較差，所以在光伏路面的應用中。本文主要利用先植法對透光混凝土進行運用，通過以混凝土為骨架、以光導纖維為主體材料，共同組成高速公路光伏路面應急車道[8]。表面的打磨讓路面變得較普通路面更為粗糙，且不易發生反光現象。使行駛中的車輛與路面表層產生更大的摩擦力，有效防止車輛在惡劣行駛情況下突發打滑、緊急制動側翻等突發情況。同時，還擁有優異的抗壓能力，能夠承載各類重量級車輛行駛通過時所產生的動力荷載。為駕駛員提供了較為舒適、安全的駕駛環境，大大降低我國高速路事故發生率。

二是光伏發電控制層——光伏玻璃。光伏發電層位于透光抗滑保護層之下，以確保光伏發電結構不受車輛動力荷載的破壞，保證路面發電工作持續進行。它主要結構包括：光伏發電板、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）是光伏發電系統中的核心部分，也是光伏發電系統中最重要的部分。透過透光混凝土在陽光下的作業，利用光電效應原理將太陽能轉化為電能，在電路的傳送下通過蓄電池控制器作用傳送至蓄電池、附近基站進行儲電，或是推動負載工作，這就是光伏發電板的發電結構[9]。

三是隔水連接層——絕緣層。利用有鋼化玻璃、混凝土板、聚合物板等復合材料將水和發電層進行隔離，防止電流外露，并將發電層所產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械度，保持結構穩定，不發生變形。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用材料之一[10]。

4.光伏發電用電應用

4.1 能量交互

光伏路面在發電過程中存在能量轉化，是由太陽能轉化為電能。其能量轉換利用基本裝置——太陽能電池，通過光電效應將太陽輻射能直接轉換成電能。光電之間的轉換，讓我們充分利用自然資源獲取有益于我們的能量。于北方地區而言，正是此能量發揮作用的時刻。北方地區，冬季時節常常冰雪覆地，車輛在路面行駛中極易發生輪胎打滑、側翻等交通事故。利用光伏路面的原理，吸收光能、轉化為電能的瞬間，并不能達到百分之百的光電轉換，只能以百分之八十五的效率進行轉換。此外百分之十五的能量則轉化為熱能存在于路面結構間。融化路面表層冰雪、保護內部結構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，且保護了路面結構、保護了車輛行駛安全。

4.2 信息交互

在互聯網的時代，信息交互無處不在。不論是人與人之間的信息交互還是動物與動物的信息交互，都在兩個本體之間進行著。在光伏能量轉換中，也同樣存在著這樣的信息交互。信息交互是指發出和接收信息的過程。由光、太陽能光伏路面發電和路面存在著這一關系。信息源的傳遞，電、熱接受者進行接收和交流，在轉遞中保持平衡。同時，光伏路面依靠與互聯網之間建立信息交互，通過光伏路面定位系統能準確獲得定位、通過互聯網能及時反饋道路行駛車輛行駛情況、車流數據。實現信息透明化，在轉遞中相互制衡、在網絡上無線傳遞。

5.結語

隨著政府接連出臺多項相關配套政策，光伏行業逐漸興起，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境的污染。光伏技術逐漸走向成熟化，緊跟未來光伏產業的進一步良性、持續發展，并逐步向產業化、規模化發展。光伏產品技術水平的不斷提高、成本的不斷下降將愈發成為企業的追求之一。但技術的進步仍是我國未來光伏產業發展的主要目標。鞏固、發展光伏技術在我國發電行業的領先，以優質的光伏技術打開新能源發展的大門，迎接新一輪全新的復興與發展。