李志鵬1，金茂菁2，黃玲2

　　(1.山東交通學院;2.科技部高技術研究發(fā)展中心)

　　隨著低碳環(huán)保理念日益深入人心和交通基礎設施建設規(guī)模的不斷擴大，太陽能作為一種清潔無害、來源廣泛、安全可靠的新型能源開始應用到公路建設中來。太陽能公路將道路基礎建設與光伏發(fā)電技術結合，在承載交通運輸任務的同時，還能為周邊設施提供電力，為電動汽車充電，成為了一種新型的能源獲取方式。目前美國、荷蘭、法國、中國等眾多國家紛紛開展了對太陽能公路相關技術的研究。未來，太陽能公路發(fā)展前景不可估量。

　　一、關于太陽能公路

　　(一)太陽能公路的基本原理

　　太陽能公路是一種新型公路，最早是由美國“太陽能之路”公司(Solar Roadways)提出的。不同于傳統(tǒng)的瀝青或水泥混凝土鋪設的道路，太陽能公路采用新型的透光性材料為面層材料。因此，太陽能公路既要具有足夠的強度，符合公路行車要求，又要滿足對太陽光的透射和聚焦作用，使得鋪設在路面下的太陽能電池板能接收到太陽光的輻射，完成能量轉換，同時可在道路中嵌入電熱絲，利用光伏發(fā)電儲備的電能進行加熱，有效防止路面積雪、結冰。

　　太陽能公路結構分為三層，其中最上層為半透明的保護層，保護內部元件的同時也可以讓太陽光透過;中間層為太陽能電池，用來產生電力;最底下一層用來隔絕土壤的濕氣，避免其影響到內部的線路。

　　(二)作用與意義

　　太陽能公路的應用，有望使人類擺脫對傳統(tǒng)化石類資源的依賴，減少石油、煤炭資源的大量消耗。太陽能公路采用光伏發(fā)電，不但減少火力發(fā)電對環(huán)境的污染，而且可實現(xiàn)對周圍城市電力的供應，降低城市電力系統(tǒng)的壓力，實現(xiàn)節(jié)能減排。據美國太陽能之路公司(Solar Roadways)統(tǒng)計，每塊3.7m×3.7m的太陽能板，每天可產出7.6瓦小時的電量，如果將全美國的洲際高速公路全部“翻新”為這種智能且環(huán)保的智能高速公路，所產出的電量將是全美國能源需求的3倍。太陽能公路可將所產生的能源導入國家電網，也可供給路邊充電的電動車。

　　在未來綜合交通體系中，太陽能公路將會改變傳統(tǒng)的交通系統(tǒng)，成為新型綜合交通體系中一種節(jié)約性、安全性和環(huán)保性齊備的道路模式，可顯著提高綜合交通體系的服務質量和效率。目前全球極端天氣增多，雨雪天氣的發(fā)生，極大地影響了道路系統(tǒng)的正常運行，增加出行的風險性。而未來的太陽能公路將不會受到這種極端惡劣天氣的影響，在交通安全性方面具有極大的競爭優(yōu)勢，適應未來社會經濟快速發(fā)展對交通運輸?shù)男枨蟆?

　　二、國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　太陽能公路是國家新能源發(fā)展和創(chuàng)新能力的一種體現(xiàn)，目前美國、荷蘭、法國、中國等國家已經開展了關于太陽能公路的研究。

　　(一)美國

　　美國太陽能公路研究始于2006年，最終于2014年由愛達荷州的Brusaw夫婦修建完成。美國交通運輸部為此投資了10萬美元，將太陽能公路的原理在社區(qū)公路上實施。其太陽能面板采用了多層六邊形設計，頂層選用了耐磨的強化玻璃，在保證透光性的同時，也能為汽車提供強大的抓地力。進一步通過改進玻璃面板，預埋設加熱絲，實現(xiàn)了自動加熱功能，確保路面在惡劣的天氣條件下不會結冰。在此研究基礎上，美國太陽能之路公司(Solar Roadways)與密蘇里州交通運輸部合作，計劃將太陽能公路技術應用于美國66號公路。

　　(二)荷蘭

　　2014年，荷蘭在北部城市克羅默尼，成功建造了一條70米長、2米寬的太陽能公路。這條太陽能公路由安裝了太陽能電池的混凝土模塊組成，其上覆蓋了一層薄薄的鋼化玻璃(1cm)，可以為街道、交通信號燈和路邊的居民家庭提供能量，只是這條道路只允許行人和自行車上路，未能對車輛開放。

　　(三)法國

　　2016年法國在諾曼底地區(qū)奧恩省圖魯伏爾村建成了法國首條太陽能公路，該條公路全長約1公里，寬2米，由2800平方米太陽能電池板鋪成。公路邊的電子指示牌會實時顯示當日發(fā)電量、發(fā)電總量等數(shù)據，耗資500萬歐元。這段公路平均每天發(fā)電近800度，年發(fā)電量約28萬度，可支撐一個5000人口小鎮(zhèn)的日常公共照明用電。經初步測試，該道路可承受各類車輛的碾壓和極端天氣，法國計劃在未來5年在全法境內建造總長1000公里的太陽能公路。

　　(四)中國

　　2017年我國首條太陽能公路在山東省濟南市建造完成(約1.1公里)。該公路采用承載式光伏路面技術，將符合車輛通行條件的光伏發(fā)電組件直接鋪設在道路路面上，通過將收集到的太陽能轉化為電能，實現(xiàn)太陽能發(fā)電。

　　該太陽能公路所采用的路面表層被稱為“透明混凝土”，是類似毛玻璃的半透明新型材料，比瀝青路面更加粗糙，具備更高的摩擦系數(shù)，防滑效果更好，表層硬度比普通瀝青路面高10倍，即便是貨車也可在路面上行駛。路面表層擁有較好透光率，陽光穿過時，路面下的太陽能電池板可將光能轉換成電能。新型太陽能公路的技術指標和通行安全系數(shù)均超過當前普遍使用的瀝青混凝土路面。

　　太陽能路面下預留了電磁感應線圈，未來隨著電動汽車無線技術的配套使用，可實現(xiàn)電動汽車在行駛過程中充電。通過路面結冰檢測系統(tǒng)，太陽能公路能夠實時感知道路結冰情況，自動開啟電力加熱系統(tǒng)，實現(xiàn)電熱轉換，同步融化路面積雪，徹底告別公路因雪封閉的困擾。目前，該段公路已進入試運行階段，在太陽能公路技術應用方面邁出了國內第一步。

　　縱觀國內外太陽能公路技術研究的歷史和現(xiàn)狀，可以看出太陽能公路技術呈以下發(fā)展趨勢：

　　一是采用光伏發(fā)電技術。目前研究和建設的太陽能公路，無一例外，都采用光伏發(fā)電技術。陽光穿過公路表面透明的特種材料，照射到太陽能光電板進行光伏發(fā)電。其不但可以為公路周邊進行電力供應，而且隨著電動汽車的普及和無線充電技術的發(fā)展，未來能夠解決電動汽車連續(xù)充電行駛的難題。

　　二是注重清潔環(huán)保性能。太陽能公路技術充分利用了公路路面空間資源，可直接在原有道路上鋪裝實施，不必額外占用土地;太陽能公路發(fā)電可直接滿足公路照明、安全標示、監(jiān)控設施等用電需求，實現(xiàn)公路電氣化，降低輸電成本，也能為沿線城市和居民提供優(yōu)質的清潔能源，極大地改善自然環(huán)境。

　　三是降低雨雪天氣對路面影響。太陽能公路未來將考慮到雨雪天氣對傳統(tǒng)道路的影響，可在太陽能公路中加入電熱絲，利用光伏發(fā)電儲備的電能進行加熱，有效防止路面積雪、結冰對交通運輸系統(tǒng)的危害。

　　四是采用模塊化組裝。太陽能公路由每個單獨的太陽能板拼接而成，這將改變未來道路建設方式，可以利用模塊化的拼裝，實現(xiàn)道路的快速便捷修建，提高道路的建設效率。

　　五是新材料的研發(fā)與應用。太陽能公路未來將對路面采用的透明材料進一步研發(fā)，不但使其擁有極高的強度，同時還需要具有良好的防滑性能，避免車輪打滑導致的安全事故發(fā)生。新材料的投入應用，必將促進太陽能公路技術新的飛躍，同時也將為這些新材料的發(fā)展提供廣闊的應用空間。

　　三、我國進一步發(fā)展重點與對策建議

　　目前太陽能公路的研究普遍處于試驗與試運行階段，建設成本較高，據統(tǒng)計，一塊3.7m×3.7m的太陽能板需4萬元人民幣左右，已建成的荷蘭克羅默尼太陽能公路花費高達350萬歐元，法國諾曼底太陽能公路花費達500萬歐元，如此高額的造價，難以實現(xiàn)有效推廣。傳統(tǒng)傾斜布置的太陽能面板發(fā)電效率可達20%，而由于太陽能面板沿公路平坦鋪設，光照時間和光電轉換效果大大降低，發(fā)電效率在10%至15%之間，提高太陽能公路的發(fā)電效率也是未來亟待解決的難題。

　　為全面推進我國太陽能公路技術發(fā)展與應用，降低對傳統(tǒng)能源的依賴性，逐步建立以清潔能源為供應的交通系統(tǒng)，建議：

　　一是制定太陽能公路技術發(fā)展規(guī)劃。我國“十三五”《綱要》提出綠色發(fā)展，推進資源節(jié)約集約利用，發(fā)展綠色環(huán)保產業(yè)。太陽能公路符合國家發(fā)展需求，因此我國未來需要著力推進太陽能公路建設項目的可行性研究和規(guī)劃，實現(xiàn)自主化與產業(yè)化。在技術發(fā)展規(guī)劃引導方面，可通過國家重點研發(fā)計劃、地方政府重點科技項目、產學研合作項目等，實現(xiàn)太陽能公路技術的有關基礎研究、關鍵技術攻關，以及應用示范性項目。

　　二是不斷提升太陽能公路技術水平。加大我國對太陽能公路技術研發(fā)與創(chuàng)新的支持力度，在充分考慮性能與成本的基礎上，研發(fā)新型路面材料及新型太陽能面板，提高太陽能面板發(fā)電效率，降低太陽能公路建設的成本，使太陽能公路更具有應用推廣性和經濟適用性。

　　三是完善我國太陽能公路創(chuàng)新體系建設。太陽能公路體現(xiàn)國家的創(chuàng)新能力，符合新時代節(jié)能環(huán)保的需求。在整合太陽能光伏、道路及材料領域的優(yōu)秀單位和人才隊伍的基礎上，組建國家太陽能公路發(fā)展研究機構，負責未來的太陽能公路規(guī)劃、設計、建設、運營。

　　四是加強國際合作。加強太陽能公路研究的國際多邊合作，支持我國以及新興工業(yè)國家和發(fā)展中國家對太陽能公路技術的研發(fā)。通過國際多邊機制參與并主導太陽能公路建設標準，聯(lián)合攻關，積極參與為未來各國太陽能公路項目投資與建設和國際市場競爭。

　　本報告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“重點科技領域發(fā)展熱點跟蹤研究”(編號：ZLY2015072)后續(xù)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云