光伏路面高分子透光層材料性能分析與評(píng)價(jià)

■胡昌斌 張培旭 何肖斌 胡序久

（1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108；2.福州市公路事業(yè)發(fā)展中心，福州 350005）

目前光伏發(fā)電作為太陽能利用率最高的方法而成為研究熱門，將光伏發(fā)電組件與路面集成形成“光伏路面”，在不改變道路行車功能的同時(shí)使道路可以產(chǎn)生電能， 不僅完美利用了公路面積廣的優(yōu)點(diǎn)，還能緩解我國能源緊張局面。

光伏路面底層一般為水泥混凝土、樹脂混凝土，其強(qiáng)度高、重量大，能夠保證光伏路面結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，光伏組件一般為晶硅太陽能電池板，透光層材料組成較多。 實(shí)際工程應(yīng)用顯示，光伏路面的透光面層兼有力學(xué)性能、 透光性能和耐久性能的要求，其材料性能和結(jié)構(gòu)性能是保證光伏路面成功實(shí)施的關(guān)鍵。 在實(shí)際工程中，光伏路面的失效多是由透光層損壞造成的，透光面層材料的性能直接影響著光伏路面的使用壽命，選用合適的透光面層材料是光伏路面設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

常見的透明無機(jī)材料有透明玻璃和透明陶瓷等。 玻璃、陶瓷類無機(jī)材料韌性差，作為路面材料難以抵抗車輛的沖擊作用。 常見的高透明度有機(jī)材料有聚乙烯醇縮丁醛酯、不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯等，高分子材料具有較好的沖擊韌性，是具有應(yīng)用前景的光伏路面表面材料類別。

鑒于以上， 本研究結(jié)合近年來國內(nèi)外光伏路面的技術(shù)探討和應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚碳酸脂4 類透光面層材料的性能現(xiàn)狀進(jìn)行了分析比較， 闡述光伏路面透光面層材料性能研究技術(shù)進(jìn)展現(xiàn)狀、 適用性和關(guān)鍵性能技術(shù)要求。

1 光伏路面結(jié)構(gòu)與材料介紹

1.1 光伏路面典型結(jié)構(gòu)

目前光伏路面分為空心結(jié)構(gòu)和實(shí)心結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，其結(jié)構(gòu)組成主要有：（1）透光層。 透光層材料需要有較好的透光效果，同時(shí)還需具備較好的承載能力和抗滑性能。（2）發(fā)電功能層。一般由一個(gè)或若干光伏組件組成，將透過頂層的太陽光轉(zhuǎn)化為電能，再匯集到儲(chǔ)電裝置或直接利用。 （3）底層基座。 底座主要傳遞車輛荷載、保護(hù)光伏路面結(jié)構(gòu)，同時(shí)還需要在底層預(yù)留孔槽使太陽能電池板的線路連接，并且做好防水、排水的設(shè)計(jì)。

圖1 光伏路面單元結(jié)構(gòu)示意圖

在空心光伏路面結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)不同地區(qū)光照條件，調(diào)整光伏組件相對(duì)太陽位置的角度以提升發(fā)電效率，同時(shí)光伏組件也不會(huì)受到荷載作用而被破壞，其結(jié)構(gòu)還能有足夠的空間嵌入發(fā)光、加熱、通信或監(jiān)控等電器元件，提高光伏路面功能性，但是空心結(jié)構(gòu)透光層傳載面少，因此透光層將承受大部分荷載， 這對(duì)透光層材料的力學(xué)性能是一個(gè)挑戰(zhàn)，并且空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部還容易回潮產(chǎn)生水霧，鋪筑之后難以去除，影響透光率。

實(shí)心光伏路面結(jié)構(gòu)整體性較好，其透光層能傳遞大部分荷載，相對(duì)于空心結(jié)構(gòu)的透光層更容易滿足力學(xué)要求，但是中間發(fā)電層的光伏組件會(huì)承受部分荷載，且無法調(diào)整角度。

1.2 光伏路面組成材料

光伏路面光伏組件一般為晶硅太陽能電池板，透光層材料組成較多，根據(jù)透光層材料不同[1]，可分為以下主要3 種類型，見表1。

表1 不同光伏路面透光層材料組成

三類透光層材料中，鋼化玻璃是無機(jī)材料，樹脂和塑料是有機(jī)材料，但均屬于非晶態(tài)材料。非晶態(tài)材料分子鏈?zhǔn)遣灰?guī)則堆砌的，分子結(jié)構(gòu)無序排列，凝聚態(tài)是均相的，因此可透過光線。對(duì)比這三類材料可以看到相關(guān)材料的技術(shù)特點(diǎn)。 （1）1 類中鋼化玻璃透光率較高、強(qiáng)度高，但鋼化玻璃韌性較差，難以承受重載車輛長期的沖擊振動(dòng)作用， 且玻璃經(jīng)過鋼化處理后存在預(yù)應(yīng)力，不易二次加工，使光伏路面施工維護(hù)難度較大。（2）2 類中透明樹脂材料可以常溫固化，其固化后與水泥混凝土有較好的粘接力， 且樹脂固化物有較好的力學(xué)性能和透光性， 因此大部分光伏路面理論研究選擇樹脂材料。 但是光伏路面實(shí)際一直暴露在自然環(huán)境中，太陽光會(huì)破壞樹脂材料分子鏈，同時(shí)材料吸收光波長的能量引起光氧反應(yīng)， 加速氧化老化；溫度變高會(huì)使材料分子鏈劇烈運(yùn)動(dòng)，引起材料降解或交聯(lián)； 水會(huì)使樹脂的酯基和酰胺基等發(fā)生水解[2]。 因此，樹脂固化物在自然環(huán)境中會(huì)急劇老化變黃，力學(xué)性能和透光率下降，導(dǎo)致光伏路面結(jié)構(gòu)過早破壞。（3）3 類中塑料是由樹脂高溫高壓聚合而成，有著更好的耐候性，且透光率最高，但是作為熱塑性樹脂材料，過大的高低溫會(huì)使材料性能變差。

以下結(jié)合近年來國內(nèi)外光伏路面的技術(shù)探討和應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)光伏路面聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 類透光面層材料的性能現(xiàn)狀進(jìn)行了分析比較，闡述光伏路面透光面層料性能研究技術(shù)進(jìn)展和關(guān)鍵性能技術(shù)要求。

2 光伏路面透明高分子材料性能分析

2.1 聚氨酯材料

聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，是一種有機(jī)高分子化合物，主要原料有異氰酸酯、聚酯多元醇、固化劑和填料等非反應(yīng)性物質(zhì)，異氰酸酯和多元醇樣式眾多，可以制備出各種各樣性能的聚氨酯，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。 1937 年，Bayer 制備出聚氨酯，隨后聚氨酯被工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)[3]。1958 年，我國進(jìn)入聚氨酯的研究階段，隨后進(jìn)行二異氰酸酯原料的自產(chǎn)。

聚氨酯合成時(shí)， 異氰酸酯和固化劑作為硬段，聚酯多元醇作為軟段，軟硬鏈段不同對(duì)聚氨酯性能影響較大。 聚氨酯材料在高低溫下發(fā)生性能變化，一方面是受到硬鏈段的控制，另一方面則受到軟鏈段控制；加入不同固化劑主要影響聚氨酯的拉伸性能、壓縮性能、剪切性能等物理性能，同時(shí)分子量大小同樣會(huì)改變聚氨酯的表面硬度和柔軟程度。 聚氨酯性能的多樣化，可作為包裝、橡膠、隔音、隔熱、粘結(jié)膠、涂料等材料，普遍應(yīng)用于家居、房屋建筑、交通土木、儀表設(shè)備和航空潛水等領(lǐng)域，其中最常用于制作填充劑和涂層。

由于聚氨酯材料性能變化范圍過于廣闊，如果對(duì)其成分不了解，也難以推測(cè)其性能，可根據(jù)應(yīng)用類型選擇合適的聚氨酯原材料進(jìn)行研究。 使用聚氨酯作為光伏路面透光層材料需要保證聚氨酯具有良好的透明度，通常聚氨酯采用的異氰酸酯原料均是透明的，但芳香族多異氰酸酯毒性大且易老化發(fā)黃， 而脂肪族多異氰酸酯分子結(jié)構(gòu)中沒有苯環(huán)，耐老化黃變性能好， 因此選擇聚氨酯作為透光層時(shí)，優(yōu)先考慮脂肪族多異氰酸酯作為原料。

2.2 環(huán)氧樹脂高分子材料

環(huán)氧樹脂是一種有機(jī)高分子聚合物，分子中含有2 個(gè)及其以上環(huán)氧基團(tuán)統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂。20 世紀(jì)30 年代，德國制備出環(huán)氧樹脂，隨后在全球大規(guī)模被使用。目前雙酚A 型環(huán)氧氯丙烷型環(huán)氧樹脂被大量生產(chǎn)， 其他各種新型環(huán)氧樹脂也被相繼研發(fā)，以滿足各領(lǐng)域的應(yīng)用需求[4]。

環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)內(nèi)具有穩(wěn)定的羥基和醚鏈，因此擁有極好的粘結(jié)力，尤其是對(duì)金屬。 環(huán)氧樹脂分子之間縫隙較小，極少小分子量物質(zhì)揮發(fā)，因此固化時(shí)收縮體積小，可加入不同的固化劑改變環(huán)氧樹脂的流動(dòng)性、固化時(shí)間和使用壽命以滿足不同應(yīng)用場所的需求；致密的交聯(lián)三維結(jié)構(gòu)，使固化后的環(huán)氧樹脂具有較好的電絕緣性、物理性能和耐化學(xué)介質(zhì)性能，可以在嚴(yán)苛的環(huán)境下使用。 由于環(huán)氧樹脂有各種優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于不同場景[4]，見表2。

表2 環(huán)氧樹脂不同的應(yīng)用場景

雖然環(huán)氧樹脂已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但是其存在易燃、脆性和耐候性差等缺點(diǎn)，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)氧樹脂的研究重點(diǎn)是對(duì)其改性。 目前對(duì)環(huán)氧樹脂的改性研究重點(diǎn)在于使其不易燃燒、加強(qiáng)柔韌性和環(huán)保無污染， 對(duì)于高透明度的相關(guān)改性研究較少，環(huán)氧樹脂雖然通常是無色透明的，但分子中含有大量苯環(huán)， 在自然環(huán)境中不可避免地會(huì)老化黃變，若使用環(huán)氧樹脂作為光伏路面透光層材料，則需要考慮在環(huán)氧樹脂配方中摻入紫外線穩(wěn)定劑，以延緩老化黃變速率。

福州大學(xué)在福州永泰公路荷溪服務(wù)區(qū)開展了環(huán)氧樹脂作為裝配式光伏路面的表面面板材料的應(yīng)用試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)表明，環(huán)氧樹脂的韌性和粘結(jié)性能較好，但在應(yīng)用過程中也出現(xiàn)了面板澆筑放熱翹曲和服役過程中黃變、吸熱的情況，在一年的時(shí)間內(nèi)透光率急劇下降，需要進(jìn)一步改性提升[5]。

2.3 聚甲基丙烯酸甲酯

聚甲基丙烯酸甲酯簡稱PMMA， 俗稱有機(jī)玻璃，由單體（MMA）通過化學(xué)聚合制備成典型的熱塑性材料。 1902 年，德國化學(xué)家O.R?hm 制作黏合劑時(shí)意外合成了PMMA，隨后德國Rohm Haas 公司大量生產(chǎn)并應(yīng)用于飛機(jī)舷窗和坦克觀察鏡。 1953 年，我國中國科學(xué)院化學(xué)研究所開始了PMMA 的研究，1966 年后開始定向研究[6]。

PMMA 是非晶態(tài)高分子透明材料，透光率高達(dá)92%，可透過太陽光中大量紫外線和一些紅外線，紫外線透過率高達(dá)73%，普通玻璃只有10%[7]。 PMMA具有高透明和較好機(jī)械性能的優(yōu)點(diǎn)， 在房屋建筑、車輛工程、表盤設(shè)備、醫(yī)用器材和航天航空等領(lǐng)域充分使用。 在房屋建筑業(yè)，通常用作透明采光部分、樓梯和墻壁防護(hù)板等方面。 在制造業(yè)方面，主要用作汽車擋風(fēng)玻璃、坦克潛艇觀察窗及各種儀表的保護(hù)外殼，還可以用作人造骨骼、牙齒、浴缸和洗漱臺(tái)等PMMA 產(chǎn)品。 在航天航空方面，由于PMMA 具有一定韌性和較好的耐候性， 因此用作飛機(jī)的舷窗、擋風(fēng)窗及機(jī)艙透明件。

由于PMMA 內(nèi)部大分子不平整地纏繞在一起，所以PMMA 抵抗沖擊破壞的性能較差。 將PMMA板升溫至玻璃態(tài)后壓縮，使材料內(nèi)部的大分子規(guī)則整齊， 機(jī)械性能增強(qiáng)。 一般情況下， 壓縮度越大，PMMA 力學(xué)性能越強(qiáng)， 而壓縮度達(dá)到一定數(shù)值后，只有抗沖擊性能會(huì)增強(qiáng)，其他性能不再增強(qiáng)，所以壓縮度一般控制在60%，同時(shí)需要控制好壓縮溫度、壓縮速度等[8]。

除了對(duì)PMMA 材料力學(xué)性能的研究，PMMA 材料改性制備研究也是目前研究的熱點(diǎn)，PMMA 的改性有交聯(lián)改性和納米復(fù)合改性。

2.3.1 交聯(lián)改性

交聯(lián)改性是指通過共價(jià)鍵將分散的高分子鏈組成密集高分子網(wǎng)的方法。一些學(xué)者對(duì)PMMA 交聯(lián)改性的研究見表3。

表3 PMMA 交聯(lián)改性的研究情況

從上述研究可以看出，MMA 單體與其他單體聚合成的PMMA 各項(xiàng)性能都有不同的提升，如采用碳鏈或環(huán)結(jié)構(gòu)聚合可以提升PMMA 的強(qiáng)度與耐熱性；使苯環(huán)或其他基團(tuán)引入分子主鏈來提升PMMA的耐磨性等。

2.3.2 納米復(fù)合改性

在MMA 單體中混合納米粒子聚合， 是PMMA改性的常用方法之一。一些學(xué)者對(duì)PMMA 納米復(fù)合改性的研究如表4 所示。

表4 納米復(fù)合改性PMMA 研究

由上述研究可以看出納米復(fù)合改性的PMMA韌性有較大提升，但是透光率會(huì)有略微下降。 納米粒子的大小、分布、彈性和剛性都會(huì)影響改性效果，只有控制好各種因素的作用，才能研究出高透明度高韌性的PMMA。

綜合調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們對(duì)PMMA 力學(xué)性能做了大量細(xì)致研究，PMMA 力學(xué)性能較強(qiáng)，可應(yīng)用于潛艇、飛機(jī)觀察窗等高負(fù)荷場所，PMMA 作為路面材料承受車輛荷載也是完全可能的。早在1993 年，郭黎明[24]就提出PMMA 在水泥混凝土路面中應(yīng)用的可行性，同時(shí)PMMA 作為航空領(lǐng)域應(yīng)用最多的透明材料，表明其耐老化性能也是其他透明材料不能比擬的。 PMMA 具有高強(qiáng)度、高透明度和耐老化特性，比較符合光伏路面透光層性能要求。

2.4 聚碳酸脂

聚碳酸酯簡稱PC， 是一種韌性較好的熱塑性高分子材料，同時(shí)也是非晶態(tài)聚合物，具備良好透光性能，不具有固定熔點(diǎn)，在220℃～230℃時(shí)呈現(xiàn)熔融態(tài)，可以長期在-70℃～120℃下使用。

聚碳酸酯的應(yīng)用十分廣泛， 由于PC 具備良好的力學(xué)性能和功能性，在建筑行業(yè)其可作為建筑透光頂、透明家具、隔熱層等；由于PC 的電絕緣性、阻燃性好，其可作為電子器械的插接件、開關(guān)盒、機(jī)器外殼和功能部件；PC 還具有較好的抗沖擊性、透明性，在汽車工業(yè)作為儀表盤、車燈罩等使用。 近年來PC 的產(chǎn)量迅速提升， 其力學(xué)性能是國內(nèi)外學(xué)者的熱門研究對(duì)象。

3 光伏路面面層材料性能要求與對(duì)比

目前光伏路面的實(shí)際工程路面板過早損壞或發(fā)電性能衰減的現(xiàn)象普遍。 由于路面受到的車輛荷載是相對(duì)復(fù)雜的，同時(shí)還受到自然環(huán)境帶來的不利因素，光伏路面實(shí)際工程案例的調(diào)研顯示，實(shí)際工程存在幾種典型光伏路面的病害：（1）表面透光層開裂。 光伏路面表面透光層使用的材料造價(jià)相對(duì)于普通路面材料較高，通常鋪筑厚度較薄，從而沒有達(dá)到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求， 導(dǎo)致表面透光層受壓碎裂。（2）層間界面分離。 目前光伏路面透光層一般由樹脂粘接而成，且單元結(jié)構(gòu)尺寸較小，因此粘接力不強(qiáng)，同時(shí)樹脂材料經(jīng)過自然老化后，粘接力大幅度下降，當(dāng)車輛加速或剎車時(shí)產(chǎn)生水平摩擦力，造成粘接面損傷， 如此往復(fù)受載最終易導(dǎo)致透光層剝落。（3）透光層邊緣損傷。光伏路面實(shí)質(zhì)上是由小路面板塊裝配而成， 板塊尺寸小導(dǎo)致接縫數(shù)量多，整體平整度相對(duì)較差，放大了車輛行駛時(shí)造成的沖擊效果，因此造成路面板邊緣過早破壞。

綜合對(duì)比實(shí)際工程應(yīng)用效果顯示，作為光伏路面透光層材料需滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）材料強(qiáng)度滿足路面承載能力設(shè)計(jì)要求；（2）材料透光率高，保證光伏路面發(fā)電效率高；（3）耐候性好，延長光伏路面使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

光伏路面透光材料的抗沖擊性能、 耐磨性能、耐候性能以及高溫穩(wěn)定性能是其路用性能的關(guān)鍵。對(duì)比前述4 種透明高分子材料的力學(xué)性能和功能性能， 分析其作為光伏路面透光層的適用性如下：（1）聚碳酸酯（PC）常溫下拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度最高，且斷裂伸長率高，材料韌性好，受到外力時(shí)變形大， 破壞前有較明顯的塑性變形階段，同時(shí)PC 力學(xué)性能受溫度影響最小， 適合在高溫環(huán)境下使用。 從光伏路面透光層功能性角度來看，PC 透光性能較好， 僅次于PMMA， 但是PC 表面硬度較低， 材料的表面硬度反映了材料抵抗刮痕的能力，刮痕會(huì)導(dǎo)致材料的透光率下降，而光伏路面透光層表面需要保持光亮透明以保證下層光伏組件能接收足夠多的光線。 （2）常溫下PMMA 與PC 同樣具備較高強(qiáng)度，壓縮強(qiáng)度可高達(dá)100 MPa 以上，受到外力時(shí)變形小。同時(shí)其功能性優(yōu)異，高達(dá)94%以上透光率，且表面硬度最高，若在滿足路面設(shè)計(jì)力學(xué)性能要求時(shí)，其無疑是作為光伏路面透光層最優(yōu)的選擇。但PMMA 耐高溫性能差，使用時(shí)需考慮環(huán)境溫度對(duì)其性能的影響。（3）環(huán)氧樹脂（EP）由于其強(qiáng)度高，且可常溫固化、制備方便，EP 常被用作路面修補(bǔ)材料，同時(shí)也是目前國內(nèi)外光伏路面透光層使用較多的材料。但EP 試件放置一段時(shí)間后容易老化黃變，耐老化性能較差。 （4）聚氨酯不同于其他三種材料，其強(qiáng)度較低，呈柔軟的橡膠態(tài)，雖不能直接作為光伏路面透光層，但由于可常溫固化，且固化前流動(dòng)性好，可作為透光層的填縫封裝材料。 同樣考慮其老化會(huì)發(fā)生輕微黃變，若作為透光層填充材料時(shí)，填充厚度不宜過大，否則將影響光伏路面的美觀及透光層的透光率。

未來光伏路面透光層高分子材料需要從抗沖擊性能、耐磨性能，耐候性能以及高溫穩(wěn)定性能等方面進(jìn)行性能提升和開展深入研究。

4 結(jié)語

對(duì)光伏路面聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸脂4 類透光面層材料進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。 對(duì)比顯示，PMMA 具有一定韌性和較好的耐候性，聚碳酸酯具有較好的力學(xué)性能。 綜合對(duì)比實(shí)際工程應(yīng)用效果顯示， 光伏路面透光層材料需從材料強(qiáng)度、材料透光率、耐候性3 個(gè)方面進(jìn)行性能提升和研發(fā)。 光伏路面透光材料的抗沖擊性能、耐磨性能、耐候性能以及高溫穩(wěn)定性能是其路用性能的關(guān)鍵。