李志鵬1，金茂菁2，黃玲2

　　(1.山東交通學(xué)院;2.科技部高技術(shù)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(yīng)用到公路建設(shè)中來。太陽能公路將道路基礎(chǔ)建設(shè)與光伏發(fā)電技術(shù)結(jié)合，在承載交通運(yùn)輸任務(wù)的同時(shí)，還能為周邊設(shè)施提供電力，為電動(dòng)汽車充電，成為了一種新型的能源獲取方式。目前美國(guó)、荷蘭、法國(guó)、中國(guó)等眾多國(guó)家紛紛開展了對(duì)太陽能公路相關(guān)技術(shù)的研究。未來，太陽能公路發(fā)展前景不可估量。

　　一、關(guān)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(guó)“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(shè)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(qiáng)度，符合公路行車要求，又要滿足對(duì)太陽光的透射和聚焦作用，使得鋪設(shè)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(zhuǎn)換，同時(shí)可在道路中嵌入電熱絲，利用光伏發(fā)電儲(chǔ)備的電能進(jìn)行加熱，有效防止路面積雪、結(jié)冰。

　　太陽能公路結(jié)構(gòu)分為三層，其中最上層為半透明的保護(hù)層，保護(hù)內(nèi)部元件的同時(shí)也可以讓太陽光透過;中間層為太陽能電池，用來產(chǎn)生電力;最底下一層用來隔絕土壤的濕氣，避免其影響到內(nèi)部的線路。

　　(二)作用與意義

　　太陽能公路的應(yīng)用，有望使人類擺脫對(duì)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(duì)環(huán)境的污染，而且可實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍城市電力的供應(yīng)，降低城市電力系統(tǒng)的壓力，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。據(jù)美國(guó)太陽能之路公司(Solar Roadways)統(tǒng)計(jì)，每塊3.7m×3.7m的太陽能板，每天可產(chǎn)出7.6瓦小時(shí)的電量，如果將全美國(guó)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(chǎn)出的電量將是全美國(guó)能源需求的3倍。太陽能公路可將所產(chǎn)生的能源導(dǎo)入國(guó)家電網(wǎng)，也可供給路邊充電的電動(dòng)車。

　　在未來綜合交通體系中，太陽能公路將會(huì)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(wù)質(zhì)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(yùn)行，增加出行的風(fēng)險(xiǎn)性。而未來的太陽能公路將不會(huì)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)未來社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨蟆?

　　二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

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

　　(一)美國(guó)

　　美國(guó)太陽能公路研究始于2006年，最終于2014年由愛達(dá)荷州的Brusaw夫婦修建完成。美國(guó)交通運(yùn)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(shí)施。其太陽能面板采用了多層六邊形設(shè)計(jì)，頂層選用了耐磨的強(qiáng)化玻璃，在保證透光性的同時(shí)，也能為汽車提供強(qiáng)大的抓地力。進(jìn)一步通過改進(jìn)玻璃面板，預(yù)埋設(shè)加熱絲，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)加熱功能，確保路面在惡劣的天氣條件下不會(huì)結(jié)冰。在此研究基礎(chǔ)上，美國(guó)太陽能之路公司(Solar Roadways)與密蘇里州交通運(yùn)輸部合作，計(jì)劃將太陽能公路技術(shù)應(yīng)用于美國(guó)66號(hào)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(zhǎng)、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(hào)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(duì)車輛開放。

　　(三)法國(guó)

　　2016年法國(guó)在諾曼底地區(qū)奧恩省圖魯伏爾村建成了法國(guó)首條太陽能公路，該條公路全長(zhǎng)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(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)日發(fā)電量、發(fā)電總量等數(shù)據(jù)，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(gè)5000人口小鎮(zhèn)的日常公共照明用電。經(jīng)初步測(cè)試，該道路可承受各類車輛的碾壓和極端天氣，法國(guó)計(jì)劃在未來5年在全法境內(nèi)建造總長(zhǎng)1000公里的太陽能公路。

　　(四)中國(guó)

　　2017年我國(guó)首條太陽能公路在山東省濟(jì)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(shù)，將符合車輛通行條件的光伏發(fā)電組件直接鋪設(shè)在道路路面上，通過將收集到的太陽能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)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(shí)，路面下的太陽能電池板可將光能轉(zhuǎn)換成電能。新型太陽能公路的技術(shù)指標(biāo)和通行安全系數(shù)均超過當(dāng)前普遍使用的瀝青混凝土路面。

　　太陽能路面下預(yù)留了電磁感應(yīng)線圈，未來隨著電動(dòng)汽車無線技術(shù)的配套使用，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在行駛過程中充電。通過路面結(jié)冰檢測(cè)系統(tǒng)，太陽能公路能夠?qū)崟r(shí)感知道路結(jié)冰情況，自動(dòng)開啟電力加熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)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(jìn)入試運(yùn)行階段，在太陽能公路技術(shù)應(yīng)用方面邁出了國(guó)內(nèi)第一步。

　　縱觀國(guó)內(nèi)外太陽能公路技術(shù)研究的歷史和現(xiàn)狀，可以看出太陽能公路技術(shù)呈以下發(fā)展趨勢(shì)：

　　一是采用光伏發(fā)電技術(shù)。目前研究和建設(shè)的太陽能公路，無一例外，都采用光伏發(fā)電技術(shù)。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(jìn)行光伏發(fā)電。其不但可以為公路周邊進(jìn)行電力供應(yīng)，而且隨著電動(dòng)汽車的普及和無線充電技術(shù)的發(fā)展，未來能夠解決電動(dòng)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(shù)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(shí)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(biāo)示、監(jiān)控設(shè)施等用電需求，實(shí)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(zhì)的清潔能源，極大地改善自然環(huán)境。

　　三是降低雨雪天氣對(duì)路面影響。太陽能公路未來將考慮到雨雪天氣對(duì)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(chǔ)備的電能進(jìn)行加熱，有效防止路面積雪、結(jié)冰對(duì)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的危害。

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

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

　　三、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展重點(diǎn)與對(duì)策建議

　　目前太陽能公路的研究普遍處于試驗(yàn)與試運(yùn)行階段，建設(shè)成本較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(fèi)高達(dá)350萬歐元，法國(guó)諾曼底太陽能公路花費(fèi)達(dá)500萬歐元，如此高額的造價(jià)，難以實(shí)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(dá)20%，而由于太陽能面板沿公路平坦鋪設(shè)，光照時(shí)間和光電轉(zhuǎn)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(jìn)我國(guó)太陽能公路技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴性，逐步建立以清潔能源為供應(yīng)的交通系統(tǒng)，建議：

　　一是制定太陽能公路技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)“十三五”《綱要》提出綠色發(fā)展，推進(jìn)資源節(jié)約集約利用，發(fā)展綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)。太陽能公路符合國(guó)家發(fā)展需求，因此我國(guó)未來需要著力推進(jìn)太陽能公路建設(shè)項(xiàng)目的可行性研究和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)自主化與產(chǎn)業(yè)化。在技術(shù)發(fā)展規(guī)劃引導(dǎo)方面，可通過國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、地方政府重點(diǎn)科技項(xiàng)目、產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目等，實(shí)現(xiàn)太陽能公路技術(shù)的有關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及應(yīng)用示范性項(xiàng)目。

　　二是不斷提升太陽能公路技術(shù)水平。加大我國(guó)對(duì)太陽能公路技術(shù)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(chǔ)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(shè)的成本，使太陽能公路更具有應(yīng)用推廣性和經(jīng)濟(jì)適用性。

　　三是完善我國(guó)太陽能公路創(chuàng)新體系建設(shè)。太陽能公路體現(xiàn)國(guó)家的創(chuàng)新能力，符合新時(shí)代節(jié)能環(huán)保的需求。在整合太陽能光伏、道路及材料領(lǐng)域的優(yōu)秀單位和人才隊(duì)伍的基礎(chǔ)上，組建國(guó)家太陽能公路發(fā)展研究機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)未來的太陽能公路規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)。

　　四是加強(qiáng)國(guó)際合作。加強(qiáng)太陽能公路研究的國(guó)際多邊合作，支持我國(guó)以及新興工業(yè)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家對(duì)太陽能公路技術(shù)的研發(fā)。通過國(guó)際多邊機(jī)制參與并主導(dǎo)太陽能公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，聯(lián)合攻關(guān)，積極參與為未來各國(guó)太陽能公路項(xiàng)目投資與建設(shè)和國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

　　本報(bào)告為科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項(xiàng)項(xiàng)目“重點(diǎn)科技領(lǐng)域發(fā)展熱點(diǎn)跟蹤研究”(編號(hào)：ZLY2015072)后續(xù)研究成果之一。

　　本文特約編輯：姜念云